CN112576356A - 一种排气管结构及发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排气管结构及发动机，包括排气管本体，排气管本体包括多个进气端口和一个第一出气端口，第一出气端口的内腔形成有延伸至出气法兰的流道隔板，流道隔板将第一出气端口的内腔分隔成左右对称布置的第一流道和第二流道；出气法兰上形成有对称布置的第一接口和第二接口，且二者的壁面在相互对称的位置为等刚度；流道隔板为变截面突变结构。该排气管结构，第一接口和第二接口在冷热冲击过程中同步变形，继而减弱了热变形过程中出气法兰对流道隔板的束缚力，降低了排气管由于应力集中导致的热疲劳断裂的风险；同时，由于流道隔板为变截面突变结构，降低了裂纹深度扩散导致的热疲劳断裂的风险。

Description

一种排气管结构及发动机

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种排气管结构及发动机。

背景技术

伴随着发动机功率密度不断的提升，带来的发动机涡前温度不断的升高，已经远远超过排气管材料的耐温限值要求，导致排气管低周热疲劳失效，传统的排气管设计已经无法满足高功率的要求，目前的排气管结构出现热疲劳断裂的风险较高。其中，排气管是发动机排气系统中一部分，而排气系统的功用是以尽可能小的排气阻力和噪声，将气缸内的废气排到大气中。

综上所述，如何解决排气管结构出现热疲劳断裂风险高的问题已经成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种排气管结构及发动机，以解决排气管结构出现热疲劳断裂风险高的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种排气管结构，包括排气管本体，所述排气管本体包括多个进气端口和一个第一出气端口，所述进气端口用于与气缸盖的排气端口一一对应连通，所述第一出气端口上形成有出气法兰，所述出气法兰用于与排气辅件的进气端连通，所述第一出气端口的内腔形成有延伸至所述出气法兰的流道隔板，所述流道隔板将所述第一出气端口的内腔分隔成左右对称布置的第一流道和第二流道，全部所述进气端口中的若干所述进气端口与所述第一流道连通，其余的所述进气端口中的至少部分与所述第二流道连通；

所述第一流道在所述出气法兰上形成有第一接口，所述第二流道在所述出气法兰上形成有第二接口，所述第一接口与所述第二接口对称布置，且二者的壁面在相互对称的位置为等刚度；

所述流道隔板为变截面突变结构，所述变截面突变结构为所述流道隔板的壁厚自中间位置向上下两端逐渐变厚，且所述流道隔板的壁厚自所述出气法兰的连接面向所述排气管本体的主型腔延伸的方向上逐渐变厚。

优选地，所述排气辅件为增压器。

优选地，所述排气管本体还包括第二出气端口，所述第二出气端口用于通过旁通管路连接至排气系统的后处理装置中指定部件的上游。

优选地，所述第一接口和所述第二接口均为竖向布置的腰型孔口。

优选地，所述腰型孔口的上部圆弧半径R1=（0.2~0.4）*D1，且对应所述第一接口上的上部圆弧的圆心与对应所述第二接口上的上部圆弧的圆心之间的距离D2=（0.6~1.0）*D1；所述腰型孔口的底部具有两个圆角，其中靠近所述流道隔板的圆角的半径R3=（0.2~0.4）*D1，远离所述流道隔板的圆角的半径R4≤R3；其中，D1为所述排气管本体的内腔与所述第一流道连通的有效流通直径，或为所述排气管本体的内腔与所述第二流道连通的有效流通直径。

优选地，所述出气法兰的左右两侧边形成有对称布置的内凹圆弧边，且所述内凹圆弧边与其靠近的所述腰型孔口的孔边的最短距离L1=（0.15~0.4）*D1；所述腰型孔口的上部孔边与所述出气法兰的上外边的最短距离H1=（0.25~0.45）*D1；所述腰型孔口的下部孔边与所述出气法兰的下外边的最短距离H2=（0.25~0.45）*D1。

优选地，与所述第一流道连通的所述进气端口中的一个为第一进气端口，所述第一进气端口通过第一管道与所述第一流道连通；与所述第二流道连通的所述进气端口中的一个为第二进气端口，所述第二进气端口通过第二管道与所述第二流道连通；所述第一管道与所述第二管道关于所述流道隔板所在中心平面对称布置，且二者构成弓形结构，所述弓形结构的内侧壁上形成有与所述弓形结构的内侧壁相适配的弓形加强筋。

优选地，所述弓形加强筋自所述弓形加强筋的中间位置向所述弓形加强筋的两端位置的截面面积逐渐缩小。

优选地，所述弓形加强筋的中间位置朝向所述弓形加强筋的弯曲一侧的边沿与排气管本体内部的主型腔的中心位置的距离H3=（0.2~0.4）*D1，其中，D1为所述排气管本体的内腔与所述第一流道连通的有效流通直径，或为所述排气管本体的内腔与所述第二流道连通的有效流通直径。

相比于背景技术介绍内容，上述排气管结构，包括排气管本体，排气管本体包括多个进气端口和一个第一出气端口，进气端口用于与气缸盖的排气端口一一对应连通，第一出气端口上形成有出气法兰，出气法兰用于与排气辅件的进气端连通，第一出气端口的内腔形成有延伸至出气法兰的流道隔板，流道隔板将第一出气端口的内腔分隔成左右对称布置的第一流道和第二流道，全部进气端口中的若干进气端口与第一流道连通，其余的进气端口中的至少部分与第二流道连通；第一流道在出气法兰上形成有第一接口，第二流道在出气法兰上形成有第二接口，第一接口的壁面与第二接口的壁面对称布置，且二者的壁面在相互对称的位置为等刚度；流道隔板为变截面突变结构，变截面突变结构为流道隔板的壁厚自中间位置向上下两端逐渐变厚，且流道隔板的壁厚自出气法兰的连接面向排气管本体的主型腔延伸的方向上逐渐变厚。该排气管结构，在实际应用过程中，由于第一流道在出气法兰上形成有第一接口，第二流道在出气法兰上形成有第二接口，第一接口与第二接口对称布置，且二者的壁面在相互对称的位置为等刚度，使第一接口和第二接口在冷热冲击过程中同步变形，继而减弱了热变形过程中出气法兰对流道隔板的束缚力，从而降低了出气法兰的变形不均引起的应力集中，降低了排气管由于应力集中导致的热疲劳断裂的风险；同时，由于流道隔板为变截面突变结构，变截面突变结构为流道隔板的壁厚自中间位置向上下两端逐渐变厚，且流道隔板的壁厚自出气法兰的连接面向排气管本体的主型腔延伸的方向上逐渐变厚，因此，一旦裂纹萌生，引导其沿着流道隔板的中间最薄位置处垂直于进气法兰的连接面扩展至排气管本体的管身厚壁区域，能够限制裂纹的进一步扩展，从而降低了裂纹深度扩散导致的热疲劳断裂的风险。

另外，本发明还提供了一种发动机，包括排气管结构，该排气管结构为上述任一方案所描述的排气管结构。由于上述排气管结构具有上述技术效果，因此具有该排气管结构的发动机也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

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为本发明实施例提供的排气管结构在安装至发动机时面向出气法兰的端口的视角下的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的排气管结构在出气法兰的侧视角下的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的弓形结构上布置弓形加强筋的结构示意图。

上图1-图3中，

出气法兰0、腰型孔口1-0、上部圆弧1-1和1-2、圆角1-3（远离流道隔板的圆角）和1-4（靠近流道隔板的圆角）、两个上部圆弧的圆心间距2、内凹圆弧边3、内凹圆弧边的直径3-1、内凹圆弧边与其靠近的腰型孔口的孔边的最短距离4、出气法兰的上外边5、腰型孔口的上部孔边与出气法兰的上外边的最短距离5-1、出气法兰的下外边6、腰型孔口的下部孔边与出气法兰的下外边的最短距离6-1、排气管本体的内腔与第一流道连通的有效流通直径7、排气辅件8、重力方向9、弓形加强筋10、进气法兰11、进气法兰与弓形加强筋的过渡结构12、弓形加强筋弯侧边沿与排气管本体内部的主型腔的中心位置的距离13。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种排气管结构及发动机，以解决排气管结构出现热疲劳断裂风险高的问题。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。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。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的一种排气管结构，包括排气管本体，排气管本体包括多个进气端口和一个第一出气端口，进气端口用于与气缸盖的排气端口一一对应连通，第一出气端口上形成有出气法兰0，出气法兰0用于与排气辅件8的进气端连通，第一出气端口的内腔形成有延伸至出气法兰0的流道隔板，流道隔板将第一出气端口的内腔分隔成左右对称布置的第一流道和第二流道，全部进气端口中的若干进气端口与第一流道连通，其余的进气端口与第二流道连通；第一流道在出气法兰0上形成有第一接口，第二流道在出气法兰0上形成有第二接口，第一接口与第二接口对称布置，且二者的壁面在相互对称的位置为等刚度；流道隔板为变截面突变结构，变截面突变结构为流道隔板的壁厚自中间位置向上下两端逐渐变厚，且流道隔板的壁厚自出气法兰0的连接面向排气管本体的主型腔延伸的方向上逐渐变厚。

该排气管结构，在实际应用过程中，由于第一流道在出气法兰上形成有第一接口，第二流道在出气法兰上形成有第二接口，第一接口与第二接口对称布置，且二者的壁面在相互对称的位置为等刚度，使第一接口和第二接口在冷热冲击过程中同步变形，继而减弱了热变形过程中出气法兰对流道隔板的束缚力，从而降低了出气法兰的变形不均引起的应力集中，降低了排气管由于应力集中导致的热疲劳断裂的风险；同时，由于流道隔板为变截面突变结构，变截面突变结构为流道隔板的壁厚自中间位置向上下两端逐渐变厚，且流道隔板的壁厚自出气法兰的连接面向排气管本体的主型腔延伸的方向上逐渐变厚，因此，一旦裂纹萌生，引导其沿着流道隔板的中间最薄位置处垂直于进气法兰的连接面扩展至排气管本体的管身厚壁区域，能够限制裂纹的进一步扩展，从而降低了裂纹深度扩散导致的热疲劳断裂的风险。

这里需要说明的是，排气辅件8具体可以是增压器，也可以是排气系统中的其他部件，当发动机具有增压器时，该排气辅件为增压器，当发动机不具有增压器时，该排气辅件可以是排气系统中的其他部件。还需要说明的是，前述中涉及的方位描述，比如上下端、左右对称的方位描述是基于排气管结构在安装位置时，出气法兰的出气端口的正视角度下而定义。

另外，全部进气端口中，除了与第一流道连通的进气端口之外，剩余的进气端口中的至少部分与第二流道连通，也即存在两种情况：一种是剩余的进气端口均与第二流道连通；另一种是剩余的进气端口中部分与第二流道连通，部分不与第二流道连通，此时主要考虑到进气端口中可能有其他需求，通过额外的出气端口直接引至需要的位置，在此不做更具体的限定。

在一些更具体的实施方案中，上述排气管本体还可以包括第二出气端口，该第二出气端口用于通过旁通管路连接至排气系统的后处理装置中指定部件的上游，用于提升该指定部件的进气温度，比如，可以连接至SCR的上游用于防止尿素结晶。

在一些更具体的实施方案中，上述第一接口和第二接口具体可以均设计为竖向布置的腰型孔口1-0。因为设计成腰型孔口的结构，可以更加方便流道隔板的变截面突变结构的布置。当然可以理解的是，实际应用过程中，还可以设计成其他结构形式，比如，竖直布置的椭圆形、柳叶形等，只要符合变截面突变结构的设计形式即可。

进一步的实施方案中，上述当第一接口和第二接口设计为竖向布置的腰型孔口时，为了提升排气管结构的寿命，通过模拟仿真实验，根据排气管本体的实际热负荷分布情况，对第一接口和第二接口的不同位置壁面厚度进行合理设计，改善结构的应力分布，避免截面突变引起非风险区域应力集中，通过大量模拟仿真测试，得出腰型孔口的优选设计尺寸：腰型孔口1-0的上部圆弧半径R1=0.2~0.4*D1，且对应第一接口上的上部圆弧1-1的圆心与对应第二接口上的上部圆弧1-2的圆心之间的距离（也即两个上部圆弧的圆心间距2）D2=0.6~1.0*D1；腰型孔口1-0的底部具有两个圆角，其中靠近流道隔板的圆角1-4的半径R3=0.2~0.4*D1，远离流道隔板的圆角1-3的半径R4≤R3；其中，D1为排气管本体的内腔与第一流道连通的有效流通直径，或为排气管本体的内腔与第二流道连通的有效流通直径。

更进一步的实施方案中，通过模拟仿真实验测试，对出气法兰的外侧边进行优选设计，发现通过对出气法兰0的连接面的外侧边进行调节，同样能够改善结构的应力分布，模拟测试发现设计成如下结构形式，更有利于避免截面突变引起非风险区域应力集中：出气法兰0的左右两侧边形成有对称布置的内凹圆弧边3，且内凹圆弧边3与其靠近的腰型孔口1-0的孔边的最短距离（对应图1中的标号4）L1=0.15~0.4*D1；腰型孔口1-0的上部孔边与出气法兰0的上外边5的最短距离（对应图1中的标号5-1）H1=0.25~0.45*D1；腰型孔口1-0的下部孔边与出气法兰0的下外边6的最短距离（对应图1中标号6-1）H2=0.25~0.45*D1。

在一些具体的实施方案中，与第一流道连通的进气端口中的一个为第一进气端口，第一进气端口通过第一管道与第一流道连通；与第二流道连通的进气端口中的一个为第二进气端口，第二进气端口通过第二管道与第二流道连通；第一管道与第二管道关于流道隔板所在中心平面对称布置，且二者构成弓形结构，弓形结构的内侧壁上形成有与弓形结构的内侧壁相适配的弓形加强筋10。通过上述弓形加强筋布置，引导热应力在整个加强筋上合理分布，同时提高承受热变形的抗弯刚度。

进一步的实施方案中，上述弓形加强筋10自弓形加强筋的中间位置向弓形加强筋的两端位置的截面面积逐渐缩小。通过弓形加强筋的变截面设计，减小弓形中心位置处的应力集中，更有助于提升排气管寿命，并且一般来说，弓形弧度圆心角大于60°。

进一步的实施方案中，上述弓形加强筋10的中间位置朝向弓形加强筋10的弯曲一侧的边沿与排气管本体内部的主型腔的中心位置的距离（对应图1中的标13）H3=0.2~0.4*D1，其中，D1为排气管本体的内腔与第一流道连通的有效流通直径7，或为排气管本体的内腔与第二流道连通的有效流通直径。通过模拟仿真测试，得出采用上述布置方式，同样能够改善结构的应力分布，有利于避免截面突变引起非风险区域应力集中。

另外，本发明还提供了一种发动机，包括排气管结构，该排气管结构为上述任一方案所描述的排气管结构。由于上述排气管结构具有上述技术效果，因此具有该排气管结构的发动机也应具有相应的技术效果，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的排气管结构及发动机进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种排气管结构，包括排气管本体，其特征在于，所述排气管本体包括多个进气端口和一个第一出气端口，所述进气端口用于与气缸盖的排气端口一一对应连通，所述第一出气端口上形成有出气法兰（0），所述出气法兰（0）用于与排气辅件（8）的进气端连通，所述第一出气端口的内腔形成有延伸至所述出气法兰（0）的流道隔板，所述流道隔板将所述第一出气端口的内腔分隔成左右对称布置的第一流道和第二流道，全部所述进气端口中的若干所述进气端口与所述第一流道连通，其余的所述进气端口中的至少部分与所述第二流道连通；

所述第一流道在所述出气法兰（0）上形成有第一接口，所述第二流道在所述出气法兰（0）上形成有第二接口，所述第一接口与所述第二接口对称布置，且二者的壁面在相互对称的位置为等刚度；

所述流道隔板为变截面突变结构，所述变截面突变结构为所述流道隔板的壁厚自中间位置向上下两端逐渐变厚，且所述流道隔板的壁厚自所述出气法兰（0）的连接面向所述排气管本体的主型腔延伸的方向上逐渐变厚。

2.如权利要求1所述的排气管结构，其特征在于，所述排气辅件（8）为增压器。

3.如权利要求2所述的排气管结构，其特征在于，所述排气管本体还包括第二出气端口，所述第二出气端口用于通过旁通管路连接至排气系统的后处理装置中指定部件的上游。

4.如权利要求1所述的排气管结构，其特征在于，所述第一接口和所述第二接口均为竖向布置的腰型孔口（1-0）。

5.如权利要求4所述的排气管结构，其特征在于，所述腰型孔口（1-0）的上部圆弧半径R1=（0.2~0.4）*D1，且对应所述第一接口上的上部圆弧（1-1）的圆心与对应所述第二接口上的上部圆弧（1-2）的圆心之间的距离（2）D2=（0.6~1.0）*D1；所述腰型孔口（1-0）的底部具有两个圆角，其中靠近所述流道隔板的圆角（1-4）的半径R3=（0.2~0.4）*D1，远离所述流道隔板的圆角（1-3）的半径R4≤R3；其中，D1为所述排气管本体的内腔与所述第一流道连通的有效流通直径，或为所述排气管本体的内腔与所述第二流道连通的有效流通直径。

6.如权利要求5所述的排气管结构，其特征在于，所述出气法兰（0）的左右两侧边形成有对称布置的内凹圆弧边（3），且所述内凹圆弧边（3）与其靠近的所述腰型孔口（1-0）的孔边的最短距离（4）L1=（0.15~0.4）*D1；所述腰型孔口（1-0）的上部孔边与所述出气法兰（0）的上外边（5）的最短距离（5-1）H1=（0.25~0.45）*D1；所述腰型孔口（1-0）的下部孔边与所述出气法兰（0）的下外边（6）的最短距离（6-1）H2=（0.25~0.45）*D1。

7.如权利要求1所述的排气管结构，其特征在于，与所述第一流道连通的所述进气端口中的一个为第一进气端口，所述第一进气端口通过第一管道与所述第一流道连通；与所述第二流道连通的所述进气端口中的一个为第二进气端口，所述第二进气端口通过第二管道与所述第二流道连通；所述第一管道与所述第二管道关于所述流道隔板所在中心平面对称布置，且二者构成弓形结构，所述弓形结构的内侧壁上形成有与所述弓形结构的内侧壁相适配的弓形加强筋（10）。

8.如权利要求7所述的排气管结构，其特征在于，所述弓形加强筋（10）自所述弓形加强筋的中间位置向所述弓形加强筋的两端位置的截面面积逐渐缩小。

9.如权利要求8所述的排气管结构，其特征在于，所述弓形加强筋（10）的中间位置朝向所述弓形加强筋（10）的弯曲一侧的边沿与排气管本体内部的主型腔的中心位置的距离（13）H3=（0.2~0.4）*D1，其中，D1为所述排气管本体的内腔与所述第一流道连通的有效流通直径（7），或为所述排气管本体的内腔与所述第二流道连通的有效流通直径。

10.一种发动机，包括排气管结构，其特征在于，所述排气管结构为如权利要求1-9中任一项所述的排气管结构。

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