CN115324701A - 多缸发动机排气管及其布置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多缸发动机排气管及其布置方法，该多缸发动机排气管的第一段排气管和第二段排气管之间设有对二者进行插装装配的接头衬套；排气管采用分段结构，通过接头衬套结构，实现第一段排气管和第二段排气管的装配，对于排气管入口，采用汇流的方式，将第一组排气管入口和第二组排气管入口采用排气汇流管的形式合并为一条进气管路，由其内的两个排气管支管连通不同的两个气缸，在排气汇流管的入口设置共用法兰盘，对两条排气管支管布置于同一排气汇流管内，通过对排气管入口结构调整，利用排气汇流管吸收热变形，并与接头衬套配合，可实现提高排气管在热应力下抗变形能力。

Description

多缸发动机排气管及其布置方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，更具体地说，涉及一种多缸发动机排气管及其布置方法。
背景技术
现有多缸发动机的排气管采用等间距结构，每个气缸对应一个排气口入口。这种结构使得相邻气缸间的排气管较长，当发动机排温较高时，较长的排气管热变形较大，导致热应力集中，排气管易出现热裂问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多缸发动机排气管及布置方法，以提高排气管在热应力下的抗变形能力。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多缸发动机排气管，包括第一段排气管，其上布置有排气管出口和第一组排气管入口，布置有第二组排气管入口的第二段排气管，所述第一段排气管和所述第二段排气管之间设有对二者进行插装装配的接头衬套；
所述第一组排气管入口和所述第二组排气管入口均具有排气汇流管，所述排气汇流管内分隔成连通不同气缸的两个排气管支管，所述排气汇流管的入口设置对其安装固定的共用法兰盘；
所述共用法兰盘上分布第一排气入口和第二排气入口，所述共用法兰盘位于所述第一排气入口和所述第二排气入口的交接位置的密封边设置有向内布置的凹陷夹角。
优选地，在上述多缸发动机排气管中，所述第二段排气管数量为两个，对称布置于所述第一排气管的两端。
优选地，在上述多缸发动机排气管中，所述第二段排气管具有两个排气管支管，二者靠近组成第二排气汇流管，所述第一段排气管具有两个排气管支管，二者靠近组成第一排气汇流管；
所述第一排气汇流管的布置位置位于所述第一段排气管的中部；
所述第二排气汇流管的布置位置位于所述第二段排气管远离所述第一段排气管的一端。
优选地，在上述多缸发动机排气管中，所述共用法兰盘上设置有对应不同气缸的第一排气入口和第二排气入口，所述排气汇流管内具有分隔两个所述排气管支管的分隔隔板。
优选地，在上述多缸发动机排气管中，所述分隔隔板的厚度为1cm~2cm。
优选地，在上述多缸发动机排气管中，所述第一排气入口和第二排气入口均为矩形入口，所述矩形入口的转角位置设置过渡圆角。
优选地，在上述多缸发动机排气管中，所述共用法兰盘的法兰密封宽度为1cm~3cm。
优选地，在上述多缸发动机排气管中，所述凹陷夹角的角度为135°~160°。
优选地，在上述多缸发动机排气管中，所述接头衬套的宽度不小于3cm，所述接头衬套内套装有对所述第一段排气管和所述第二段排气管进行密封的密封圈。
一种多缸发动机排气管的布置方法，应用于如上任一项所述的多缸发动机排气管，包括：
根据排气管入口平均马赫数，确定排气管入口高度和宽度；
根据排气管入口的拐角处热应力，确定排气管入口的过渡圆角半径，以及排气管入口到共用法兰盘边界的距离；
根据相邻两个排气管支管汇流过程中的压力损失，确定分隔隔板的厚度；
根据所述共用法兰盘热膨胀变形量和热应力，确定凹陷夹角的角度；
根据第一组排气管入口和第二组排气管在预定工况下的变形量，确定接头衬套的长度。
本发明提供的多缸发动机排气管，包括第一段排气管，其上布置有排气管出口和第一组排气管入口，布置有第二组排气管入口的第二段排气管，第一段排气管和第二段排气管之间设有对二者进行插装装配的接头衬套；第一组排气管入口和第二组排气管入口均具有排气汇流管，排气汇流管内分隔有连通不同气缸的两个排气管支管，排气汇流管的入口设置对其安装固定的共用法兰盘。
共用法兰盘上分布第一排气入口和第二排气入口，共用法兰盘位于第一排气入口和第二排气入口交接位置的密封边设置向内布置的凹陷夹角。排气管采用分段结构，通过接头衬套结构，实现第一段排气管和第二段排气管的装配，对于排气管入口，采用汇流的方式，将第一组排气管入口和第二组排气管入口采用排气汇流管的形式合并为一条进气管路，由其内的两个排气管支管连通不同的两个气缸，在排气汇流管的入口设置共用法兰盘，对两条排气管支管布置于同一排气汇流管内进行安装，在共用法兰盘的密封边设有凹陷夹角，通过对排气管入口结构调整，利用排气汇流管吸收热变形，并与接头衬套配合，可实现提高排气管在热应力下抗变形能力。
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为本发明提供的多缸发动机排气管共用法兰盘方向的主视图；
图2为图1中多缸发动机排气管的正面视图；
图3为图1中多缸发动机排气管的共用法兰盘结构的局部放大图。
具体实施方式
本发明公开了一种多缸发动机排气管及布置方法，提高排气管排气中的热应力下的抗变形能力。
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、完整的描述，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，图1为本发明提供的多缸发动机排气管共用法兰盘方向的主视图；图2为图1中多缸发动机排气管的正面视图；图3为图1中多缸发动机排气管的共用法兰盘结构的局部放大图。
本实施例提供了一种多缸发动机排气管，包括第一段排气管1，其上布置有排气管出口11和第一组排气管入口12，布置有第二组排气管入口21的第二段排气管2，第一段排气管1和第二段排气管2之间设有对二者进行插装装配的接头衬套3；第一组排气管入口12和第二组排气管入口21均具有排气汇流管22，排气汇流管22内分隔成连通不同气缸的两个排气管支管23，排气汇流管22的入口设置对其安装固定的共用法兰盘4。排气管采用分段结构，通过接头衬套3结构，实现第一段排气管1和第二段排气管2的装配，对于排气管入口，采用汇流的方式，将第一组排气管入口12和第二组排气管入口21采用排气汇流管22的形式合并为一条进气管路，由其内的两个排气管支管23连通不同的两个气缸，在排气汇流管22的入口设置共用法兰盘4，通过将两条排气管支管23布置于同一排气汇流管22内，通过将排气管入口设为共用法兰盘4结构，利用排气汇流管22吸收热变形，并与接头衬套3配合，可实现提高排气管在热应力下抗变形能力。
本实施例中，第二段排气管2包括对称布置的两组，其分别插装于第一段排气管1的两端；排气汇流管22包括分别布置于两个第二段排气管2两个，和位于第一段排气管1上的一个，三个排气汇流管采用相同的共用法兰盘4结构。
本实施例提供的排气管结构应用于6缸发动机，其具有6个排气出口。对应地，排气管分为三段，包括中间段的第一段排气管1，其上设置排气管出口和两个排气管入口，两个第二段排气管2分别位于第一段排气管1两端，均采用接头衬套3方式进行插装组装。
两个第二段排气管2上均设置两个排气管入口，则，排气管的6个排气管入口分隔为2个一组的排气结构。对于一组的两个排气管入口，均采用排气汇流管22的方式进行布置，两个排气管入口布置于同一个排气汇流管22内，通过同一共用法兰盘4进行与缸盖的连接。
本实施例中，第二段排气管2具有两个排气管支管23，二者靠近组成第二排气汇流管，第一段排气管1具有两个排气管支管，二者靠近组成第一排气汇流管；第一排气汇流管的布置位置位于第一段排气管1的中部；第二排气汇流管的布置位置位于第二段排气管2远离第一段排气管1的一端。
相较于现有的一个排气管入口对应一条排气管支管，本实施例将每段排气管上的两个排气管支管23均布置于一条排气汇流管22内，则，对于6缸发动机，可设置为中部的第一排气汇流管，以及排气管两端的两个第二排气汇流管，将两个第二排气汇流管均向远离第一排气汇流管的方向布置伸出，使得相邻两个排气汇流管距离最大化，增加排气管入口距离，降低热应力影响。
本实施例中，共用法兰盘4上分布设置对应不同气缸的两个排气管支管23的第一排气入口和第二排气入口，排气汇流管22内具有分隔两个排气管支管23的分隔隔板5。由于共用法兰盘4同时对两个气缸的排气入口连接，在排气汇流管22的入口设置设置为两条独立通道，对应为两条排气管支管23结构，采用分隔隔板5分开，避免缸内气体排出时，在排气汇流管22入口位置相互干扰，分隔隔板5延伸至第二段排气管2的主管位置，保证排气稳定性。两个排气管支管23在共用法兰盘4上形成两个独立的第一排气入口和第二排气入口，进一步避免排气干扰。
优选地，分隔隔板5的厚度为1cm~2cm。其作为两个气缸入口纵向间距，其作用在于隔绝两个气缸的排气，防止掺混，从而造成压力能损失。同时，相邻两个气缸间的排气管段缩减为一个分隔隔板5作为分割薄壁，并且该薄壁受热后可向两个排气管通道自由膨胀，从而消除了横向热应力。
本实施例中，第一排气入口和第二排气入口均为矩形入口，矩形入口的转角位置设置过渡圆角。
本实施例中，共用法兰盘4的法兰密封宽度为1cm~3cm。对共用法兰盘4的密封宽度进行控制，作用在于密封，防止排气泄漏。
在本实施例中，共用法兰盘4位于第一排气入口和第二排气入口交接位置的密封边设置向内布置的凹陷夹角a，凹陷夹角a的范围为135°~160°。排气汇流管22同时连通两个气缸，热量在共用法兰盘4中部集中，造成第一排气入口和第二排气入口交接位置的热量增大，设置在法兰密封边向内的凹陷夹角a，a值约小凹陷越深，法兰热变形能力越强。但是，a不能过小，要避免干涉密封宽度D1，通过将凹陷夹角控制在135°~160°，保证抗热变形能力。进一步的，共用法兰盘的边缘过渡位置设置第二过渡圆角R3，R3取值为共用法兰盘长边总长度的0.3倍。
在本案一具体实施例中，接头衬套3的宽度不小于3cm，接头衬套3内套装有对第一段排气管1和第二段排气管2进行密封的密封圈。接头衬套3长度过短密封效果会下降，过长会干涉排气管倒角，造成排气不畅。设置接头衬套3的宽度不小于3cm，保证密封，接头衬套3的宽度可根据排气管变形量进行调整。
本实施例还提供一种多缸发动机排气管的布置方法，应用于如上任一项所述的多缸发动机排气管。
如图所示，D2、L2分别为排气管入口高度和宽度，二者共同决定了排气管入口面积。
R1、R2、R3分别为排气管入口截面倒角R1，法兰外倒角R2和法兰横边倒角R3，其作用在于消除拐角处热应力。
L1、D1为排气管入口到法兰边界的距离。其作用在于密封，防止排气泄漏。
L3为两个气缸入口纵向间距，其作用在于隔绝两个气缸的排气，防止掺混，从而造成压力能损失。L5为多段排气管间接头衬套长度。L4为单段排气管的总长度。L6为相邻法兰间距离。
包括步骤，
S1：根据排气管入口平均马赫数，确定排气管入口高度和宽度。
排气管入口指共用法兰盘的排气入口，以一个排气管入口为例，确定排气管入口高度D2和宽度L2。其设计准则为：排气管入口平均马赫数Ma≤0.5。Ma计算公式如式（1）所示，排气管入口面积如式（2）所示。D2和L2的比值范围如式（3）所示：
Figure 436274DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure 662856DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 435639DEST_PATH_IMAGE003
（3）
上式中，c为排气管入口平均气流速度，单位m/s；a为当地音速，单位m/s；k为空气绝热指数，k=1.4；R为理想气体常数，R=287 J/(kgK)；T为排气管入口气流平均温度，单位K；m为排气管入口气体平均质量流量，单位kg/s；p为排气管入口平均压力，单位 Pa。
S2：根据排气管入口的拐角处热应力，确定排气管入口的过渡圆角半径R1。
R1判定原则如式（4）所示。
Figure 976342DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 682130DEST_PATH_IMAGE005
（4）
S3:确认排气管入口到共用法兰盘边界的距离，包括宽边的密封宽度L1，和窄边密封宽度D1。密封宽度L1和密封宽度D1均为1cm~3cm。
S4：根据相邻两个排气管支管汇流过程中的压力损失，确定分隔隔板的厚度L3，L3的厚度在1cm~2cm。
S5：根据所述共用法兰盘热膨胀变形量和热应力，确定凹陷夹角的角度a。
S6：根据第一组排气管入口和第二组排气管在预定工况下的变形量，确认接头衬套的长度L5。
则可最终确定各段排气管长度L4。
Figure 285805DEST_PATH_IMAGE006
(5)
通过将相邻两个气缸间的排气管段缩减为一个分割薄壁，并且该薄壁受热后可向两个排气管通道自由膨胀，从而消除了横向热应力。在排气共用法兰盘上下边框上采用预变性设计思路。预先将上下边界进行凹陷设计，使得法兰受热时可以在凹陷处向上下方向膨胀，从而释放了纵向热应力。最终解决了法兰接头处的热开裂问题。
最后，排气管采用多段设计形式，多段排气管间采用衬套密封连接。排气管受热变形时，排气管可以在衬套内延伸变形，从而进一步消除热应力。
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。

Claims (10)

1.一种多缸发动机排气管，其特征在于，包括第一段排气管，其上布置有排气管出口和第一组排气管入口，布置有第二组排气管入口的第二段排气管，所述第一段排气管和所述第二段排气管之间设有对二者进行插装装配的接头衬套；
所述第一组排气管入口和所述第二组排气管入口具有排气汇流管，所述排气汇流管内分隔成连通不同气缸的两个排气管支管，所述排气汇流管的入口设置对其安装固定的共用法兰盘；
所述共用法兰盘上分布第一排气入口和第二排气入口，所述共用法兰盘位于所述第一排气入口和所述第二排气入口的交接位置的密封边设置有向内布置的凹陷夹角。
2.根据权利要求1所述的多缸发动机排气管，其特征在于，所述第二段排气管数量为两个，对称布置于所述第一段排气管的两端。
3.根据权利要求2所述的多缸发动机排气管，其特征在于，所述第二段排气管具有两个排气管支管，二者靠近组成第二排气汇流管，所述第一段排气管具有两个排气管支管，二者靠近组成第一排气汇流管；
所述第一排气汇流管的布置位置位于所述第一段排气管的中部；
所述第二排气汇流管的布置位置位于所述第二段排气管远离所述第一段排气管的一端。
4.根据权利要求3所述的多缸发动机排气管，其特征在于，所述共用法兰盘上设置有对应不同气缸的第一排气入口和第二排气入口，所述排气汇流管内具有分隔两个所述排气管支管的分隔隔板。
5.根据权利要求4所述的多缸发动机排气管，其特征在于，所述分隔隔板的厚度为1cm~2cm。
6.根据权利要求4所述的多缸发动机排气管，其特征在于，所述第一排气入口和所述第二排气入口均为矩形入口，所述矩形入口的转角位置设置过渡圆角。
7.根据权利要求6所述的多缸发动机排气管，其特征在于，所述共用法兰盘的法兰密封宽度为1cm~3cm。
8.根据权利要求7所述的多缸发动机排气管，其特征在于，所述凹陷夹角的角度为135°~160°。
9.根据权利要求1所述的多缸发动机排气管，其特征在于，所述接头衬套的宽度不小于3cm，所述接头衬套内套装有对所述第一段排气管和所述第二段排气管进行密封的密封圈。
10.一种多缸发动机排气管的布置方法，应用于如权利要求1-9任一项所述的多缸发动机排气管，其特征在于，包括：
根据排气管入口平均马赫数，确定排气管入口高度和宽度；
根据排气管入口的拐角处热应力，确定排气管入口的过渡圆角半径，以及排气管入口到共用法兰盘边界的距离；
根据相邻两个排气管支管汇流过程中的压力损失，确定分隔隔板的厚度；
根据所述共用法兰盘热膨胀变形量和热应力，确定凹陷夹角的角度；
根据第一组排气管入口和第二组排气管在预定工况下的变形量，确定接头衬套的长度。
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