CN109736929A - Mpc排气管及内燃机的排气装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MPC排气管及内燃机的排气装置。MPC排气管包括第一总管和第一支管；第一总管设置有第一内部通道、第一总管出口和直径小于第一总管出口的第一总管入口，第一内部通道的直径从第一总管入口至第一总管出口逐渐增大，第一总管出口用于与涡轮风机的入风口连通；第一支管设置有第二内部通道、第一支管出口和直径小于第一支管出口的第一支管入口，第二内部通道通过第一支管出口和第一内部通道连通，第二内部通道的直径从第一支管入口至第一支管出口逐渐增大，第一支管入口用于与内燃机的气缸的排气口连通，第一支管的中心轴线和第一总管的中心轴线的夹角α＝90°。由此，改善涡轮风机的入风口的气体流速均匀性，使内燃机的排气装置的尺寸小。

Description

MPC排气管及内燃机的排气装置

技术领域

本发明总地涉及内燃机领域，且更具体地涉及一种MPC排气管及内燃机的排气装置。

背景技术

大型船用柴油机为实现排气系统模块化设计，提高排气能量传递效率，常采用MPC(Modular pulse converter，模组脉冲转换器)排气系统，在每一个气缸出口安装一个脉冲排气管10。现有的脉冲排气管10包括第二总管11和第二支管12。第二支管12构造为喷嘴形状，气体通过第二支管12的内部通道的第二支管出口12b后提高流速，进而提高第二总管11中的气体的流速。

如图1所示，脉冲排气管10的参数包括第二总管11的第二总管入口11a的直径D3，第二支管12的第二支管入口12a的直径d3，第二总管11的喉口11c的直径D4，第二支管12的第二支管出口12b的直径d4，第二支管12的入射角度α和“翘舌”的引流角度β等。其中第二支管12的第二支管入口12a用于和内燃机的气缸的排气口连通。脉冲排气管10的上述参数可以根据1D内燃机仿真分析软件和3D瞬态CFD仿真分析软件进行优化和确定。

其中，第二支管12的截面缩口率：

其中，为第二支管12的截面缩口率；

d3为第二支管入口12a的截面直径；

d4为第二支管出口12b的截面直径。

脉冲排气管10中，对第二支管12中气流的加速有直接影响，一般的取值范围为0.5至1。

第二总管11的截面缩口率为：

其中，为第二总管11的截面缩口率；

D3为第二总管入口11a的截面直径；

D4为第二总管11的喉口11c的截面直径。

脉冲排气管10中，在第二支管12的第二支管出口12b和第二总管11的内部通道交汇的位置，第二支管12的上端伸入第二总管11的内部通道，形成“翘舌”结构。“翘舌”结构能够减弱从第二总管入口11a流入第二总管11的内部通道内的气流干扰将要从第二支管出口12b流入第二总管11的内部通道的气流。一般在0.8～1范围内。

脉冲排气管10的第二支管12的气流入射角度α越小，气体的膨胀损失越小，排气能量传递效率就越高，对内燃机的性能越有利，但α较小会给模件铸造加工造成困难，考虑铸造工艺和加工的工艺，一般使α≥25°。气流入射角度α为第二支管出口12b的中心轴线和第二总管11的中心轴线之间的夹角。

第二总管11中，“翘舌”的引流角度β的大小影响第二总管11的内部通道的气流流过第二总管11的喉口11c位置后的流动方向。即引流角度β的大小影响第二总管11的喉口11c和第二总管出口11b之间的区域内的气流的空间分布。“翘舌”的引流角度β的数值可以根据铸造工艺确定。

由于第二支管12中的气流经过第二支管出口12b之后流速升高，使第二总管11内的气流的流速在第二支管出口12b所在的位置至第二总管出口11b之间分布不均匀。对于和第一缸(距离涡轮风机的入风口最近的气缸)的排气口连通的脉冲排气管10，由于该脉冲排气管10距离涡轮风机的入风口较近，流速不均匀的气流进入涡轮风机的入风口，这样造成涡轮风机的效率下降，进而影响柴油机整机的性能。

现有技术中，为改善涡轮风机的入风口处的气体流速的均匀性，一般采用增加第1缸的排气口至涡轮风机的入风口之间的气体通道的长度的方法，使从第二支管出口12b流入第二总管11内的气流和第二总管11中的气流的混合后有足够的流动距离使气流的流速均匀。但是这样会造成柴油机的涡轮风机的安装位置向柴油机的外边移动，造成涡轮风机安装难度增加；同时使柴油机的排气结构的长度增加，体积增大，体积功率密度下降。

因此，需要提供一种MPC排气管及内燃机的排气装置，以至少部分地解决上面提到的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种MPC排气管，MPC排气管包括：

第一总管，第一总管设置有第一内部通道，第一总管包括第一总管出口和直径小于第一总管出口的第一总管入口，第一内部通道的直径从第一总管入口至第一总管出口逐渐增大，第一总管出口用于与涡轮风机的入风口连通；以及

第一支管，第一支管设置有第二内部通道，第一支管包括第一支管出口和直径小于第一支管出口的第一支管入口，第二内部通道通过第一支管出口和第一内部通道连通，第二内部通道的直径从第一支管入口至第一支管出口逐渐增大，第一支管入口用于与内燃机的气缸的排气口连通，第一支管的中心轴线和第一总管的中心轴线的夹角α＝90°。

根据本发明的MPC排气管，由于MPC排气管能够减小使混合气体的流速恢复大致均匀的流动距离，并且由于MPC排气管直接和涡轮风机连接，因此能减小涡轮风机的入风口至第一支管出口之间的距离，即涡轮风机能够更靠近第一支管出口安装，进而使内燃机的排气装置的尺寸小。同时，本发明的MPC排气管的第一总管内的混合气体的流速能在较短的流动距离内恢复大致均匀，改善了涡轮风机的入风口处的气体流速均匀性，提高涡轮风机的效率，同时缩短第一总管的长度。

可选地，第一内部通道为锥形通道。

可选地，第二内部通道为锥形通道。

可选地，第一支管出口的直径d1和第一支管入口的直径d2的比值的平方的范围为1.1至1.3。

可选地，第一总管出口的直径D2和涡轮风机的入风口的直径相同。

本发明还提供了一种内燃机的排气装置，排气装置包括脉冲排气管和前述的MPC排气管。

根据本发明的排气装置，排气装置包括MPC排气管。由于MPC排气管能够减小使混合气体的流速恢复大致均匀的流动距离，并且由于MPC排气管直接和涡轮风机连接，因此能减小涡轮风机的入风口至第一支管出口之间的距离，即涡轮风机能够更靠近第一支管出口安装，进而使内燃机的排气装置的尺寸小。同时，本发明的MPC排气管的第一总管内的混合气体的流速能在较短的流动距离内恢复大致均匀，改善了涡轮风机的入风口的气体流速均匀性，提高涡轮风机的效率，同时缩短第一总管的长度。

可选地，一个脉冲排气管的第二总管出口和第一总管入口连通，多个脉冲排气管的第二总管首尾顺序连通，距离MPC排气管最远的脉冲排气管的第二总管入口和外界环境隔离，脉冲排气管的第二支管入口和内燃机的气缸的排气口连通。

可选地，排气装置还包括波纹管，波纹管的内部通道连通脉冲排气管的第二总管的内部通道和第一内部通道，以及波纹管的内部通道连通相邻的脉冲排气管的第二总管的内部通道。

可选地，排气装置还包括卡箍，卡箍用于固定波纹管。

可选地，排气装置还包括密封盖板，密封盖板用于盖合距离MPC排气管最远的脉冲排气管的第二总管入口。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。

图1为现有技术的脉冲排气管的剖视示意图；

图2为根据本发明的MPC排气管的剖视示意图；

图3为根据本发明的内燃机的排气装置剖视示意图；以及

图4为图3的排气装置内的速度场仿真分析结果。

附图标记说明：

10：脉冲排气管 11：第二总管

11a：第二总管入口 11b：第二总管出口

11c：喉口 12：第二支管

12a：第二支管入口 12b：第二支管出口

110：MPC排气管 111：第一总管

111a：第一内部通道 111b：第一总管入口

111c：第一总管出口 112：第一支管

112a：第二内部通道 112b：第一支管入口

112c：第一支管出口 120：波纹管

130：卡箍 140：密封盖板

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

以下将对本发明的技术方案的实施方式进行说明：

本发明提供一种MPC排气管110。如图3所示，本实施方式的MPC排气管110用于内燃机的排气装置。排气装置还包括涡轮风机(未示出)，涡轮风机和MPC排气管110共同作用，以将内燃机的气缸排出的气体排至外界。

本实施方式中，如图2所示，MPC排气管110包括第一总管111。第一总管111设置有第一内部通道111a，以及和第一内部通道111a连通的第一总管出口111c和第一总管入口111b。第一总管出口111c用于与涡轮风机的入风口连通。这样涡轮风机通过第一总管出口111c将第一内部通道111a内的混合气体抽出第一总管111。需要说明的是，混合气体为在第一内部通道111a内的气体和从第一支管112的第一支管出口112c流入第一内部通道111a的气体混合，然后流至涡轮风机的入风口的气体，即混合气体大致位于第一内部通道111a中的第一支管出口112c所在的位置和第一总管出口111c之间的区域。在MPC排气管110排气的过程中，在第一总管中的气体从第一总管入口111b流向第一总管出口111c。第一支管112和第一支管出口112c将在后文进行描述。

本实施方式中，第一总管出口111c的直径D2大于第一总管入口111b的直径D1，第一内部通道111a的直径从第一总管入口111b至第一总管出口111c逐渐增大。这样MPC排气管110的第一总管111采用渐扩的结构，在气体从第一总管入口111b流至第一总管出口111c的过程中，第一总管111的第一内部通道111a中的气体流速减小，根据伯努利方程：

其中，p为气体的压力；

ρ为气体的密度；

υ为气体的流速；

Const为常数。

根据上述公式可知，第一总管111的第一内部通道111a中的气体的压力将升高；同时由于第一总管111的第一内部通道111a中的气体的流速减小，第一内部通道111a内的混合气体的流速小，混合气体的流速能更快恢复大致均匀。换句话说，流速小的混合气体的流速能够在较短的流动距离内恢复大致均匀。因此本实施方式的MPC排气管110能够减小使混合气体的流速恢复大致均匀的流动距离，进而能够减小第一总管出口111c至第一支管出口112c之间的距离，减小涡轮风机的入风口和第一支管出口112c之间的距离。

优选地，第一内部通道111a为锥形通道。由此，第一总管111的加工方便。第一总管出口111c的直径D2和涡轮风机的入风口的直径相同。由此，涡轮风机的入风口能直接安装至第一总管出口111c，无需在涡轮风机的入风口和第一总管出口111c之间设置过渡连接件，减小涡轮风机的入风口至第一总管出口111c之间的距离。进一步优选地，第一总管入口111b的直径D1和脉冲排气管10的第二总管11的第二总管入口11a的直径D2相同。

本实施方式中，如图2所示，MPC排气管110还包括第一支管112。第一支管112设置有第二内部通道112a，以及和第二内部通道112a连通的第一支管出口112c和第一支管入口112b。第二内部通道112a通过第一支管出口112c和第一内部通道111a连通，第一支管入口112b用于与内燃机的气缸的排气口连通。这样，从内燃机的气缸的排气口排出的气体从第一支管入口112b经过第二内部通道112a，进入第一内部通道111a后形成混合气体，然后流入涡轮风机的入风口，然后被排至外界。

本实施方式中，第一支管出口112c的直径d1大于第一支管入口112b的直径d2，第二内部通道112a的直径从第一支管入口112b至第一支管出口112c逐渐增大。MPC排气管110的第一支管112采用渐扩结构，即第一支管出口112c的直径d1大于第一支管入口112b的直径d2，根据上述的伯努利方程，进一步降低涡轮风机的入风口处的混合气体的流速、提高混合气体在涡轮风机的入风口的压力，进而提高涡轮机的效率。换句话说，从内燃机的气缸的排气口排出的气体，在第二内部通道112a中从第一支管入口112b流至第一支管出口112c的过程中，气体的流动流速逐渐减低。由此降低从第一支管出口112c流入第一内部通道111a的气体对在第一内部通道111a内混合气体的流速的影响，进一步降低混合气体的流速，进而进一步减小使混合气体的流速恢复大致均匀的流动距离。

第一支管出口112c的直径d1和第一支管入口112b的直径d2可以根据1D内燃机仿真分析软件和3D瞬态CFD仿真分析软件进行优化和确定。

优选地，第二内部通道112a为锥形通道。由此，第一支管112的加工方便。进一步优选地，第一总管111和第一支管112为一体成型结构。

优选地，第一支管出口112c的直径d1和第一支管入口112b的直径d2的比值的平方的范围为1.1至1.3。

本实施方式中，第一支管112的中心轴线和第一总管111的中心轴线的夹角α＝90°。由此，从第一支管出口112c流入第一内部通道111a的气体以大致竖直的方向向上流入第一内部通道111a内，减小从第一支管出口112c流入第一内部通道111a的气体对第一内部通道111a内的混合气体的流速的影响，进一步降低混合气体的流速，进而进一步减小使混合气体的流速恢复大致均匀的流动距离。

根据本发明的MPC排气管110，由于MPC排气管110能够减小使混合气体的流速恢复大致均匀的流动距离，并且由于MPC排气管110直接和涡轮风机连接，因此能减小涡轮风机的入风口至第一支管出口112c之间的距离，即涡轮风机能够更靠近第一支管出口112c安装，进而使内燃机的排气装置的尺寸小。同时，本发明的MPC排气管110的第一总管内的混合气体的流速能在较短的流动距离内恢复大致均匀，改善了涡轮风机的入风口的气体流速均匀性，提高涡轮风机的效率，同时缩短第一总管的长度。

本发明还提供了一种内燃机的排气装置。排气装置包括脉冲排气管10和前述的MPC排气管110。本实施方式的脉冲排气管10的结构和现有的脉冲排气管10的结构相似，这里不再赘述。

本实施方式中，如图3所示，一个脉冲排气管10的第二总管出口11b和第一总管入口111b连通。多个脉冲排气管10的第二总管首尾顺序连通，即如图3所示的左右方向，脉冲排气管10的第二总管入口11a和与之相邻的脉冲排气管10的第二总管出口11b连通。距离MPC排气管110最远的脉冲排气管10的第二总管入口11a和外界环境隔离，脉冲排气管10的第二支管入口12a和内燃机的气缸的排气口连通。具体地，如图3所示，MPC排气管110的第一支管入口112b和内燃机的一个气缸的排气口连通，在MPC排气管110的右边的多个脉冲排气管10的第二支管入口12a一一与内燃机的其它气缸的排气口连通。这样排气装置能同时排出内燃机的多个气缸内的气体。

根据本发明的排气装置，排气装置包括MPC排气管110。由于MPC排气管110能够减小使混合气体的流速恢复大致均匀的流动距离，并且由于MPC排气管110直接和涡轮风机连接，因此能减小涡轮风机的入风口至第一支管出口112c之间的距离，即涡轮风机能够更靠近第一支管出口112c安装，进而使内燃机的排气装置的尺寸小。同时，本发明的MPC排气管110的第一总管内的混合气体的流速能在较短的流动距离内恢复大致均匀，改善了涡轮风机的入风口的气体流速均匀性，提高涡轮风机的效率，同时缩短第一总管的长度。

本实施方式中，排气装置还包括波纹管120。波纹管120的内部通道连通脉冲排气管10的第二总管的内部通道和第一内部通道111a，以及波纹管120的内部通道连通相邻的脉冲排气管10的第二总管的内部通道。由此，方便排气装置的安装。同时，波纹管120能够吸收MPC排气管110和脉冲排气管10由于温度变化产生的轴向结构变形。

本实施方式中，排气装置还包括卡箍130。卡箍130用于固定波纹管120。由此，通过卡箍130固定波纹管120的操作简单。

本实施方式中，排气装置还包括密封盖板140。密封盖板140用于盖合距离MPC排气管110最远的脉冲排气管10的第二总管入口11a。由此，尽可能保证密封盖板140通用性，便于维护内燃机的排气装置。并且密封盖板140的结构简单。

图4为图3的排气装置通过CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)计算后得出的排气装置内的气体的流速场分布图。图4的左端的部分(对应MPC排气管110内的气体流速)的颜色浅。表示MPC排气管110内的气体的流速小。并且图4的最左端的部分的颜色均匀，表明位于MPC排气管110的第一总管出口111c位置的气体的流速均匀分布。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种MPC排气管，其特征在于，所述MPC排气管包括：

第一总管，所述第一总管设置有第一内部通道，所述第一总管包括第一总管出口和直径小于所述第一总管出口的第一总管入口，所述第一内部通道的直径从所述第一总管入口至所述第一总管出口逐渐增大，所述第一总管出口用于与涡轮风机的入风口连通；以及

第一支管，所述第一支管设置有第二内部通道，所述第一支管包括第一支管出口和直径小于所述第一支管出口的第一支管入口，所述第二内部通道通过所述第一支管出口和所述第一内部通道连通，所述第二内部通道的直径从所述第一支管入口至所述第一支管出口逐渐增大，所述第一支管入口用于与内燃机的气缸的排气口连通，所述第一支管的中心轴线和所述第一总管的中心轴线的夹角α＝90°。

2.根据权利要求1所述的MPC排气管，其特征在于，所述第一内部通道为锥形通道。

3.根据权利要求1所述的MPC排气管，其特征在于，所述第二内部通道为锥形通道。

4.根据权利要求1所述的MPC排气管，其特征在于，所述第一支管出口的直径d1和所述第一支管入口的直径d2的比值的平方的范围为1.1至1.3。

5.根据权利要求1所述的MPC排气管，其特征在于，所述第一总管出口的直径D2和所述涡轮风机的入风口的直径相同。

6.一种内燃机的排气装置，其特征在于，所述排气装置包括脉冲排气管和根据权利要求1至5中任一项所述的MPC排气管。

7.根据权利要求6所述的排气装置，其特征在于，一个所述脉冲排气管的第二总管出口和所述第一总管入口连通，多个所述脉冲排气管的第二总管首尾顺序连通，距离所述MPC排气管最远的所述脉冲排气管的第二总管入口和外界环境隔离，所述脉冲排气管的第二支管入口和内燃机的气缸的排气口连通。

8.根据权利要求7所述的排气装置，其特征在于，所述排气装置还包括波纹管，所述波纹管的内部通道连通所述脉冲排气管的第二总管的内部通道和所述第一内部通道，以及所述波纹管的内部通道连通相邻的所述脉冲排气管的第二总管的内部通道。

9.根据权利要求8所述的排气装置，其特征在于，所述排气装置还包括卡箍，所述卡箍用于固定所述波纹管。

10.根据权利要求6所述的排气装置，其特征在于，所述排气装置还包括密封盖板，所述密封盖板用于盖合距离所述MPC排气管最远的所述脉冲排气管的第二总管入口。