一种适用于气体机的活塞设计方法

技术领域

本发明涉及发动机设计技术领域，尤其涉及一种适用于气体机的活塞设计方法。

背景技术

目前，天然气发动机的设计开发一般是在柴油发动机的基础上进行改造，对柴油机而言，旋流气道产生的涡流在一定程度上有助于油束与空气混合，从而实现高效率燃烧以及低污染物排放。而气体机为预混燃烧，燃料在进气过程已经与空气混合，火花塞点火生成火核之后，理想状态是在燃烧过程中缸内存在较高的湍动能。湍动能的提升会加快火焰传播速度，这对于改善气体机燃烧过程，降低循环变动意义重大。如果气体机中继续存在涡流这种大尺寸流动，在压缩末期，火花塞附近流速偏低，纵向流速也偏低，涡流无法破碎成小尺度湍流，导致湍动能较低，因此，大尺度涡流运动不利于气体机的预混燃烧。对于气体机，适当提高混合气的滚流强度可以提升湍动能，进而改善燃气燃烧特性。其中，涡流是指气体绕气缸中心轴线有组织的大尺度旋流运动；滚流是指气流绕与气缸中心轴线垂直轴线有组织的大尺度的旋流运动；另外，湍流与层流不同，湍流是指气流速度较高时在流场中产生的许多方向不固定的小尺度旋流。

由柴油机改造成的气体机无法做到类似汽油机的蓬顶形燃烧室，且通常采用滚流气道设计，因此，在缸内会同时存在滚流、涡流与挤流这三种气流运动，这与柴油机及汽油机均不相同，所以，与气体机相匹配的活塞与柴油机及汽油机也不同，需要探索适用于气体机的活塞设计方法。其中，挤流是指活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时产生的纵向和横向气流运动。

现有的活塞设计方法主要有以下两种方式，方法一：基于热流分配控制进行活塞设计，以第一环槽温度、活塞裙部温度、活塞散热量因素设计热流控制可行域并建立相应的评价函数。方法二：以增大发动机压缩比为目标进行活塞设计，首先，将硅胶填充至气缸中并充满燃烧室，待凝固后使用3D扫描仪对硅胶进行全方位扫描获取燃烧室模型的点云文件，再用CATIA对点云文件进行逆向和平滑处理，获得燃烧室的CATPart文件，进而获得燃烧室三维模型。

上述方法一基于热流分配控制进行活塞设计，没有考虑到活塞线型对于燃烧室性能的影响，且没有认识到气体机活塞设计与柴油机及汽油机的区别，没有给出适用于气体机的活塞设计方法。方法二以增大压缩比为目标进行活塞设计，且以硅胶先填充燃烧室，然后扫描燃烧室来获得燃烧室三维模型，没有充分利用数字化燃烧室建模及计算流体力学，此外，方法二也没有给出适用于气体机的活塞设计方法。

综上所述，现有的活塞设计方法主要是围绕柴油机、汽油机展开的，而气体机是先在进气道预混再进入缸内燃烧，另外，气体机的缸内同时存在着大尺度涡流、滚流及挤流，这是与柴油机及汽油机不同的，需要建立专门适用于气体机的活塞设计方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于气体机的活塞设计方法，该方法同时考虑缸内的涡流、滚流和挤流对燃烧产生的影响，并对这三种流动强度合理优化和匹配，实现气体机的快速燃烧，提高气体机效率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种适用于气体机的活塞设计方法，包括以下步骤：

基于直口活塞确定爆震发生极限对应的压缩比边界；

基于压缩比边界和预设挤流面积确定燃烧持续期最短的目标压缩余隙；

基于压缩比边界和目标压缩余隙确定燃烧持续期最短的目标挤流面积；

基于目标压缩余隙和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的目标燃烧室线型。

优选地，在所述基于目标压缩余隙和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的目标燃烧室线型之后，基于压缩比边界和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的最佳压缩余隙。

优选地，在所述基于压缩比边界和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的最佳压缩余隙之后，基于压缩比边界和最佳压缩余隙确定燃烧持续期最短的最佳挤流面积。

优选地，在所述基于压缩比边界和最佳压缩余隙确定燃烧持续期最短的最佳挤流面积之后，基于最佳压缩余隙和最佳挤流面积确定燃烧持续期最短的最佳燃烧室线型。

优选地，所述基于直口活塞确定爆震发生极限对应的压缩比边界包括：

基于直口活塞和预设压缩比建立直口燃烧室三维模型；

基于直口燃烧室三维模型进行仿真计算，判断当前压缩比下是否发生爆震，如果是，则减小压缩比后建立模型并重复本步骤，直至获取爆震发生极限对应的压缩比边界；如果否，则增大压缩比后建立模型并重复本步骤，直至获取爆震发生极限对应的压缩比边界。

优选地，所述基于目标压缩余隙和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的目标燃烧室线型包括：

基于不同的燃烧室线型分别建立多个试验燃烧室三维模型，所述燃烧室线型包括凹坑侧壁倾角、凹坑深度和凹坑底部凸起高度；

基于多个试验燃烧室三维模型分别进行仿真计算，得到多个试验燃烧持续期；

比较多个试验燃烧持续期，确定最短的试验燃烧持续期对应的燃烧室线型为目标燃烧室线型。

优选地，所述基于压缩比边界和预设挤流面积确定燃烧持续期最短的目标压缩余隙包括：

基于压缩比边界和预设挤流面积以及不同的压缩余隙分别建立多个固定挤流面积燃烧室三维模型；

基于多个固定挤流面积燃烧室三维模型分别进行仿真计算，得到多个试验燃烧持续期；

比较多个试验燃烧持续期，确定最短的试验燃烧持续期对应的压缩余隙为目标压缩余隙。

优选地，所述基于压缩比边界和目标压缩余隙确定燃烧持续期最短的目标挤流面积包括：

基于压缩比边界和目标压缩余隙以及不同的挤流面积分别建立多个固定压缩余隙燃烧室三维模型；

基于多个固定压缩余隙燃烧室三维模型分别进行仿真计算，得到多个试验燃烧持续期；

比较多个试验燃烧持续期，确定最短的试验燃烧持续期对应的挤流面积为目标挤流面积。

本发明提供的适用于气体机的活塞设计方法，包括以下步骤：

基于直口活塞确定爆震发生极限对应的压缩比边界；

基于压缩比边界和预设挤流面积确定燃烧持续期最短的目标压缩余隙；

基于压缩比边界和目标压缩余隙确定目标挤流面积；

基于目标压缩余隙和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的目标燃烧室线型。

本发明提供的活塞设计方法在设计压缩比时考虑了爆震，而不是在现有机型压缩比条件下改动活塞，降低了气体机的爆震发生率。在设计过程中，能够适当增大压缩余隙，克服压缩余隙过小而引起的淬熄现象，还有利于缩短燃烧持续期，提高发动机效率。同时，本发明还在固定压缩余隙和挤流面积后通过调整不同的燃烧室线型，将缸内涡流、滚流和挤流的强度进行合理优化匹配，得到适合快速燃烧的燃烧室线型，有利于提高气体机的热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中的活塞设计方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明具体实施例中的活塞设计方法的流程图。

一种适用于气体机的活塞设计方法，包括以下步骤：

基于直口活塞确定爆震发生极限对应的压缩比边界；

基于压缩比边界和预设挤流面积确定燃烧持续期最短的目标压缩余隙；

基于压缩比边界和目标压缩余隙确定燃烧持续期最短的目标挤流面积；

基于目标压缩余隙和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的目标燃烧室线型。

本发明提供的活塞设计方法在设计压缩比时考虑了爆震，而不是在现有机型压缩比条件下改动活塞，降低了气体机的爆震发生率。在设计过程中，能够适当增大压缩余隙，克服压缩余隙过小而引起的淬熄现象，还有利于缩短燃烧持续期，提高发动机效率。同时，本发明还在固定压缩余隙和挤流面积后通过调整不同的燃烧室线型，将缸内涡流、滚流和挤流的强度进行合理优化匹配，得到适合快速燃烧的燃烧室线型，有利于提高气体机的热效率。

优选地，在所述基于目标压缩余隙和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的目标燃烧室线型之后，基于压缩比边界和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的最佳压缩余隙。

优选地，在所述基于压缩比边界和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的最佳压缩余隙之后，基于压缩比边界和最佳压缩余隙确定燃烧持续器最短的最佳挤流面积。

优选地，在所述基于压缩比边界和最佳压缩余隙确定燃烧持续期最短的最佳挤流面积之后，基于最佳压缩余隙和最佳挤流面积确定燃烧持续期最短的最佳燃烧室线型。

优选地，所述基于直口活塞确定爆震发生极限对应的压缩比边界包括：

基于直口活塞和预设压缩比建立直口燃烧室三维模型；

基于直口燃烧室三维模型进行仿真计算，判断当前压缩比下是否发生爆震，如果是，则减小压缩比后建立模型并重复本步骤，直至获取爆震发生极限对应的压缩比边界；如果否，则增大压缩比后建立模型并重复本步骤，直至获取爆震发生极限对应的压缩比边界。

优选地，所述基于目标压缩余隙和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的目标燃烧室线型包括：

基于不同的燃烧室线型分别建立多个试验燃烧室三维模型，所述燃烧室线型包括凹坑侧壁倾角、凹坑深度和凹坑底部凸起高度；

基于多个试验燃烧室三维模型分别进行仿真计算，得到多个试验燃烧持续期；

比较多个试验燃烧持续期，确定最短的试验燃烧持续期对应的燃烧室线型为目标燃烧室线型。

优选地，所述基于压缩比边界和预设挤流面积确定燃烧持续期最短的目标压缩余隙包括：

基于压缩比边界和预设挤流面积以及不同的压缩余隙分别建立多个固定挤流面积燃烧室三维模型；

基于多个固定挤流面积燃烧室三维模型分别进行仿真计算，得到多个试验燃烧持续期；

比较多个试验燃烧持续期，确定最短的试验燃烧持续期对应的压缩余隙为目标压缩余隙。

优选地，所述基于压缩比边界和目标压缩余隙确定燃烧持续期最短的目标挤流面积包括：

基于压缩比边界和目标压缩余隙以及不同的挤流面积分别建立多个固定压缩余隙燃烧室三维模型；

基于多个固定压缩余隙燃烧室三维模型分别进行仿真计算，得到多个试验燃烧持续期；

比较多个试验燃烧持续期，确定最短的试验燃烧持续期对应的挤流面积为目标挤流面积。

下面请参照图1介绍本发明的具体设计过程：

（1）确定爆震极限压缩比边界

首先，基于常用的直口活塞确定爆震发生极限时对应的压缩比边界。使用直口活塞线型，通过改变燃烧室深度实现改变压缩比，进而建立燃烧室三维模型，通过计算燃烧学的方法仿真计算不同压缩比情况下的爆震情况。如果特定压缩比条件下未发生爆震，则继续增大压缩比建立模型，进行计算；如果特定压缩比条件下发生了爆震，则继续减小压缩比建立模型，进行计算，最终获取爆震极限对应的压缩比边界，即，不发生爆震的情况下的最大的压缩比。

（2）确定目标压缩余隙

基于压缩比边界和预设挤流面积确定燃烧持续期最短的目标压缩余隙：获取爆震极限的压缩比边界之后，在该压缩比固定的条件下，先预设一挤流面积，改变燃烧室的压缩余隙，并建立多个固定挤流面积燃烧室三维模型进行燃烧仿真计算，对比不同压缩余隙工况下的燃烧持续期，通过一系列压缩余隙的计算，获取该压缩比边界、预设挤流面积条件下燃烧持续期最短的目标压缩余隙。

（3）确定目标挤流面积

基于压缩比边界和目标压缩余隙确定燃烧持续期最短的目标挤流面积：获取到目标压缩余隙后，保持压缩比与压缩余隙均不改变，改变燃烧室的挤流面积，并建立不同挤流面积的固定压缩余隙燃烧室三维模型进行燃烧仿真计算，对比不同挤流面积工况下的多个试验燃烧持续期，通过一系列挤流面积的计算，获取该压缩比、压缩余隙条件下的最短的试验燃烧持续期对应的目标挤流面积。

（4）确定目标燃烧室线型

基于目标压缩余隙和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的目标燃烧室线型。具体的，基于不同的燃烧室线型分别建立多个试验燃烧室三维模型，所述燃烧室线型包括凹坑侧壁倾角、凹坑深度和凹坑底部凸起高度，其中，通过调整凹坑侧壁倾角可以改变燃烧室凹坑的开口形式，例如直口凹坑、敞口凹坑、缩口凹坑等；通过调整凹坑深度可以获得浅盆形凹坑或深坑形凹坑，确定压缩比后可以间接确定燃烧室凹坑的开口大小和凹坑深度；通过改变凹坑底部凸起高度，可以调节凹坑底部整体形式，例如获得平底形凹坑，或中央凸起的ω型凹坑等，总之，通过调节上述燃烧室线型可以获得不同形状的燃烧室凹坑，在目标压缩余隙和目标挤流面积固定的条件下，分别建立多个试验燃烧室三维模型；然后，基于多个试验燃烧室三维模型分别进行仿真计算，得到多个试验燃烧持续期；最后，比较多个试验燃烧持续期，确定最短的试验燃烧持续期对应的燃烧室线型为目标燃烧室线型。

（5）燃烧室线型反馈迭代

在基于目标压缩余隙和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的目标燃烧室线型之后，再将该目标燃烧室线型反馈迭代，即，再基于压缩比边界和目标挤流面积确定燃烧持续期最短的最佳压缩余隙，然后再基于压缩比边界和最佳压缩余隙确定燃烧持续期最短的最佳挤流面积，同样，建立相应的三维模型并进行燃烧仿真计算，确定在该目标燃烧室线型下压缩余隙及挤流面积是否可进一步优化。最后，再基于最佳压缩余隙和最佳挤流面积调整燃烧室线型，并比较燃烧相位，确定燃烧持续期最短的最佳燃烧室线型。最终确定活塞的压缩余隙大小、挤流面积和燃烧室线型设计值。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。