CN116446994A - 一种排气管以及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种排气管以及设计方法，属于发动机技术领域，该排气管包括汇流管及歧管，歧管第一端设置第一进气口，歧管第二端设置出气口，排气管还包括设置在歧管第一进气口内的第一导流板，第一导流板将歧管的第一端的内腔分隔为两条第一排气流道，第一导流板沿歧管走向从歧管的第一端向歧管的第二端延伸，以使两条第一排气流道的排气支口朝向出气口；在应用时上述第一导流板可各分支流道内的废气平顺地流动，避免与主管路的管壁垂直碰撞，有利于降低主管路的管壁的最高温度，第一导流板在接近出气口时终止，使两条第一排气流道二为一，避免截面积减小引起的流动阻力增加，尽可能减少泵气损失。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种排气管以及设计方法。
背景技术
发动机的排气管内充满燃烧后的高温废气，使排气管容易因热疲劳而破坏，造成排气管断裂的严重故障。
如图1所示，目前汇流管01的两侧分别连接歧管02，歧管02设置有多个流道021，其中一个流道021接近歧管02和汇流管01的连接部位，基本垂直于歧管02的主管路，因此该流道021内的废气直接冲击歧管02的主管路的管壁，造成该处温度高。
发明内容
有鉴于此，本发明第一个目的在于提供一种排气管，以避免其歧管的分支流道内的废气直接冲击歧管的主管路的管壁，从而降低歧管的主管路的管壁的温度，避免其因热疲劳而破坏所导致的排气管断裂的严重故障。
本发明的第二个目的在于提供一种上述排气管的设计方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种排气管，包括汇流管以及歧管，所述歧管的第一端设置有用于与气缸盖连接的第一进气口，所述歧管的第二端设置有与所述汇流管连接的出气口，所述排气管还包括设置在所述第一进气口内的第一导流板，所述第一导流板将所述歧管的第一端的内腔分隔为两条第一排气流道，所述第一导流板沿所述歧管的走向从所述歧管的第一端向所述歧管的第二端延伸，以使两条所述第一排气流道的排气支口朝向所述出气口。
可选地，所述第一导流板包括相互连接的第一板段以及第二板段，所述第一板段的第一端与所述歧管的第一端的端面齐平设置，所述第二板段的第一端连接于所述第一板段的第二端，所述第二板段的第二端向所述出气口方向延伸，所述第一板段与所述第二板段之间圆滑过渡连接，所述第二板段用于围成两条所述排气流道的两个表面为一段圆滑曲面或多段依次圆滑过渡相接的圆滑曲面。
可选地，所述第二板段用于围成两条所述排气流道的两个表面为圆弧面。
可选地，所述第一板段为直板段，且所述第一板段与所述歧管的第一端的端面满足垂直条件。
可选地，所述汇流管两侧对称地设置有用于与所述歧管的第二端连接的连接部，所述汇流管的第一端设置有用于与气缸盖连接的第二进气口，所述汇流管的第二端设置有用于与增压器连接的汇流出口。
可选地，所述汇流管的内腔中设置从第一端延伸至第二端的第二导流板，所述第二导流板将所述汇流管的内腔分隔为两条第二排气流道，两条所述第二排气流道分别与两个所述连接部连通。
可选地，所述汇流管的第二端还设置有分别与两条所述第二排气流道连通的EGR接口。
可选地，所述EGR接口偏向所述汇流管的一侧。
可选地，所述歧管与所述连接部插接配合。
一种基于如上任意一项所述的排气管的设计方法，包括步骤：
步骤1：按照歧管的走向在歧管内设计第一导流板的形状；
步骤2：制定排气管CFD试验方案，以第一导流板的参数坐标为因子，以歧管的壁面最高温度T和压降ΔP为目标，设计试验方案，建立响应面模型公式，根据歧管的尺寸，确定各因子的上下限，每次仿真计算中各因子的取值应在上下限范围以内；
步骤3：搭建排气管内气体流动的CFD模型并进行仿真，计算各试验方案下歧管的壁面最高温度T和压降ΔP，以360°曲轴转角为一个循环进行瞬态仿真计算，运行多个循环直至结果稳定；
步骤4：将各次试验的因子值带入上述响应面模型公式中，使响应面的预测值与步骤3的仿真值间误差的平方和为最小，求解得到响应面模型的待定系数β、ω；
步骤5：根据发动机的性能指标定义排气歧管压降ΔP的上限，然后进行优化计算，在满足各因子限值且歧管压降ΔP不超上限的前提下，使歧管的壁面最高温度T达到最小，记录歧管的壁面最高温度T达到最小时的各因子数值，即为第一导流板的最优设计方案；
步骤6：根据所述步骤5获得的最优设计方案进行歧管内第一导流板设计，然后进行排气管CFD仿真，得到排气管温度场和进出口压降；
步骤7：若排气管的进出口压降小于ΔP的上限，且歧管的最高温度满足材料的耐受温度限值，且比所述步骤3中尝试的各试验方案温度更低，则设计完成；否则返回所述步骤2。
可选地，所述步骤2中，以第一导流板的参数坐标以及纵向坐标为因子，以歧管的壁面最高温度T和压降ΔP为目标，建立如下一阶响应面模型公式并进行预设次数的计算：
上式中，Ki为第一导流板的各个因子，β、ω为待定系数，n为因子的数量。
可选地，所述步骤2中，以第一导流板的参数坐标以及纵向坐标为因子，以歧管的壁面最高温度T和压降ΔP为目标，建立如下二阶响应面模型公式并进行预设次数的计算：
上式中，Ki、Kj为第一导流板的各个因子，β、ω为待定系数，n为因子的数量。
由上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种排气管，该排气管包括汇流管以及歧管，其中，歧管的第一端设置有用于与气缸盖连接的第一进气口，即歧管的第一端设置有一个或多个分支流道，每个分支流道的进口即为第一进气口，歧管的第二端设置有与汇流管连接的出气口，各个分支流道在歧管的主管路汇合，上述出气口为歧管的主管路远离各个分支流道的一端的开口，排气管还包括设置在第一进气口内的第一导流板，第一导流板将歧管的第一端的内腔分隔为两条第一排气流道，第一导流板将第一进气口分隔为与两条第一排气流道分别连通的第一进气支口，第一导流板沿歧管的走向从歧管的第一端向歧管的第二端延伸，以使两条第一排气流道的排气支口朝向出气口；在应用时通过上述第一导流板的引导作用，使各分支流道内的废气平顺地流动，避免与主管路的管壁垂直碰撞，有利于降低主管路的管壁的最高温度，第一导流板在接近出气口时终止，使两条第一排气流道二为一，避免截面积减小引起的流动阻力增加，尽可能减少泵气损失。
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为现有技术中的排气管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的排气管的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的排气管的剖视图；
图4为本发明实施例提供的排气管的侧视图；
图5为本发明实施例提供的排气管设计方法的流程图。
图示中，
1为第一歧管；1-1、1-2为第一进气支口； 1-3为第一导流板；1-4为第一歧管插接口；
2为汇流管；2-1、2-2为第二进气支口；2-3为汇流出口；2-4为EGR接口；2-5、2-6为汇流管插接口；
3为第二歧管；3-1、3-2为第三进气支口；3-3为第三导流板；3-4为第二歧管插接口。
具体实施方式
本发明公开了一种排气管，该排气管的结构设计使其能够避免其歧管的分支流道内的废气直接冲击歧管的主管路的管壁，从而降低歧管的主管路的管壁的温度，避免其因热疲劳而破坏所导致的排气管断裂的严重故障。
本发明还公开了一种上述排气管的设计方法。
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。
具体请参阅图2至图4，图2为本发明实施例提供的排气管的结构示意图，图3为本发明实施例提供的排气管的剖视图，图4为本发明实施例提供的排气管的侧视图。
本发明实施例公开的一种排气管，该排气管包括汇流管以及歧管。
其中，歧管的第一端设置有用于与气缸盖连接的第一进气口，即歧管的第一端设置有一个或多个分支流道，图示实施例中，歧管的第一端设置有一个分支流道，每个分支流道的进口即为第一进气口，歧管的第二端设置有与汇流管连接的出气口，各个分支流道在歧管的主管路汇合，上述出气口为歧管的主管路远离各个分支流道的一端的开口，排气管还包括设置在第一进气口内的第一导流板，第一导流板将歧管的第一端的内腔分隔为两条第一排气流道，且第一导流板将第一进气口分隔为与两条第一排气流道分别连通的第一进气支口，第一导流板沿歧管的走向从歧管的第一端向歧管的第二端延伸，以使两条第一排气流道的排气支口朝向出气口。
如图2至图4所示，在本发明实施例中，汇流管2的两侧分别设置有第一歧管1以及第二歧管3，第一歧管1与第二歧管3对称设置，当然在其他实施例中，也可以根据需要将第一歧管1与第二歧管3采用非对称结构，其中，第一歧管1的第一端具有第一进气支口1-1、1-2，第一进气支口1-1、1-2由第一导流板1-3分隔，第一歧管1的第二端为第一歧管插接口1-4。第二歧管3的第一端具有第三进气支口3-1、3-2，第三进气支口3-1、3-2由第三导流板3-3分隔，第二歧管3的第二端为第二歧管插接口3-4。
与现有技术相比，本发明实施例提供的排气管在应用时通过上述第一导流板1-3的引导作用，使各分支流道内的废气平顺地流动，避免与主管路的管壁垂直碰撞，有利于降低主管路的管壁的最高温度，第一导流板1-3在接近出气口时终止，使两条第一排气流道二为一，避免截面积减小引起的流动阻力增加，尽可能减少泵气损失。
作为优选地，在本发明实施例中，如图2至图4所示，上述第一导流板1-3包括相互连接的第一板段以及第二板段，第一板段的第一端与歧管的第一端的端面齐平设置，第二板段的第一端连接于第一板段的第二端，第二板段的第二端向出气口方向延伸，第一板段与第二板段之间圆滑过渡连接，第二板段用于围成两条排气流道的两个表面为一段圆滑曲面或多段依次圆滑过渡相接的圆滑曲面。
作为优选地，上述第二板段用于围成两条排气流道的两个表面为圆弧面，第二板段的上述两个表面可以为同心的圆弧面，也可以为不同心的圆弧面，在此不做限定。
作为优选地，上述第一板段为直板段，且第一板段与第一歧管的第一端的端面满足垂直条件，即第一板段垂直或近似垂直于第一歧管的第一端的端面。
如图2至图4所示，汇流管2两侧对称地设置有用于与第一歧管1和第二歧管3的第二端连接的连接部，两个连接部分别设置有汇流管插接口2-5、2-6，汇流管2的第一端设置有用于与气缸盖连接的第二进气口，汇流管的第二端设置有用于与增压器连接的汇流出口2-3。
作为优选地，如图3所示，汇流管2的内腔中设置从第一端延伸至第二端的第二导流板，第二导流板将汇流管的内腔分隔为两条第二排气流道，两条第二排气流道的进口分别为第二进气支口2-1、2-2，两条第二排气流道分别与两个连接部连通。
进一步地，如图4所示，汇流管的第二端还设置有分别与两条第二排气流道连通的EGR接口2-4，EGR接口中的EGR为Exhaust Gas Re-circulation的缩写，即废气再循环的简称，上述EGR接口即为废气再循环接口。
如图4所示，EGR接口偏向汇流管的一侧。
作为优选地，如图3所示，在本发明实施例中，上述歧管与连接部插接配合。
本发明还提供了一种基于如上述实施例所述的排气管的设计方法，该设计方法包括步骤：
步骤1：按照歧管的走向在歧管内设计第一导流板的形状；
步骤2：制定排气管CFD试验方案，以第一导流板的参数坐标为因子，以歧管的壁面最高温度T和压降ΔP为目标，设计试验方案，建立响应面模型公式，根据歧管的尺寸，确定各因子的上下限，每次仿真计算中各因子的取值应在上下限范围以内；
由于本发明实施例中，上述第一导流板1-3包括相互连接的第一板段以及第二板段，其中第一板段为直段，第二板段为弧形段，因此上述第一导流板的参数坐标直段长度X1、圆弧段终点横向位置X2（圆弧段终点在第一进气口所在平面的投影与直段起点在第一进气口所在平面的投影之间的距离）、圆弧段终点纵向位置X3（圆弧段终点在垂直于第一进气口所在平面的投影面的投影与直段起点在垂直于第一进气口所在平面的投影面的投影之间的距离）、圆弧段半径R为因子，当第一导流板采用其他结构时，可以选取不同的参数作为因子，在此不做限定。
步骤3：搭建排气管内气体流动的CFD模型并进行仿真，CFD是英文ComputationalFluid Dynamics（计算流体动力学）的简称，计算各试验方案下歧管的壁面最高温度T和压降ΔP，以360°曲轴转角为一个循环进行瞬态仿真计算，运行多个循环直至结果稳定；
步骤4：将各次试验的因子值带入上述响应面模型公式中，使响应面的预测值与步骤3的仿真值间误差的平方和为最小，求解得到响应面模型的待定系数β、ω；
步骤5：根据发动机的性能指标定义排气歧管压降ΔP的上限，然后进行优化计算，在满足各因子限值且歧管压降ΔP不超上限的前提下，使歧管的壁面最高温度T达到最小，记录歧管的壁面最高温度T达到最小时的各因子数值，即为第一导流板的最优设计方案；
步骤6：根据步骤5获得的最优设计方案进行歧管内第一导流板设计，然后进行排气管CFD仿真，得到排气管温度场和进出口压降；
步骤7：若排气管的进出口压降小于ΔP的上限，且歧管的最高温度满足材料的耐受温度限值，且比步骤3中尝试的各试验方案温度更低，则设计完成；否则返回步骤2。
步骤2中，以第一导流板的参数坐标为因子，以歧管的壁面最高温度T和压降ΔP为目标，建立如下一阶响应面模型公式并进行预设次数的计算：
上式中，Ki为第一导流板的各个因子，β、ω为待定系数，n为因子的数量。当采用上述一阶响应面模型公式，最少需要进行n+1次计算，以图3所示第一导流板1-3为例，该第一导流板1-3包括相互连接的第一板段以及第二板段，其中第一板段为直段，第二板段为弧形段，因此上述第一导流板的参数坐标直段长度X1、圆弧段终点横向位置X2（圆弧段终点在第一进气口所在平面的投影与直段起点在第一进气口所在平面的投影之间的距离）、圆弧段终点纵向位置X3（圆弧段终点在垂直于第一进气口所在平面的投影面的投影与直段起点在垂直于第一进气口所在平面的投影面的投影之间的距离）、圆弧段半径R为因子，即该第一导流板1-3的参数因子的数量为4，则在使用上述一阶响应面模型公式时，需要进行至少5次计算。
若为进一步提高精度，比如在步骤7中未得到合理方案，则在返回步骤2时，以第一导流板的参数坐标为因子，以歧管的壁面最高温度T和压降ΔP为目标，建立如下二阶响应面模型公式并进行预设次数的计算：
上式中，Ki、Kj为第一导流板的各个因子，β、ω为待定系数，n为因子的数量。
当采用上述二阶响应面模型公式时，应当进行最少次计算，以图3所示的第一导流板1-3为例，其具有4个参数因子，因此在使用上述二阶响应面模型公式时需要进行至少15次试验。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。
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，而是要负荷与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (12)
1.一种排气管，包括汇流管以及歧管，所述歧管的第一端设置有用于与气缸盖连接的第一进气口，所述歧管的第二端设置有与所述汇流管连接的出气口，其特征在于，所述排气管还包括设置在所述第一进气口内的第一导流板，所述第一导流板将所述歧管的第一端的内腔分隔为两条第一排气流道，所述第一导流板沿所述歧管的走向从所述歧管的第一端向所述歧管的第二端延伸，以使两条所述第一排气流道的排气支口朝向所述出气口。
2.根据权利要求1所述的排气管，其特征在于，所述第一导流板包括相互连接的第一板段以及第二板段，所述第一板段的第一端与所述歧管的第一端的端面齐平设置，所述第二板段的第一端连接于所述第一板段的第二端，所述第二板段的第二端向所述出气口方向延伸，所述第一板段与所述第二板段之间圆滑过渡连接，所述第二板段用于围成两条所述排气流道的两个表面为一段圆滑曲面或多段依次圆滑过渡相接的圆滑曲面。
3.根据权利要求2所述的排气管，其特征在于，所述第二板段用于围成两条所述排气流道的两个表面为圆弧面。
4.根据权利要求2所述的排气管，其特征在于，所述第一板段为直板段，且所述第一板段与所述歧管的第一端的端面满足垂直条件。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的排气管，其特征在于，所述汇流管两侧对称地设置有用于与所述歧管的第二端连接的连接部，所述汇流管的第一端设置有用于与气缸盖连接的第二进气口，所述汇流管的第二端设置有用于与增压器连接的汇流出口。
6.根据权利要求5所述的排气管，其特征在于，所述汇流管的内腔中设置从第一端延伸至第二端的第二导流板，所述第二导流板将所述汇流管的内腔分隔为两条第二排气流道，两条所述第二排气流道分别与两个所述连接部连通。
7.根据权利要求6所述的排气管，其特征在于，所述汇流管的第二端还设置有分别与两条所述第二排气流道连通的EGR接口。
8.根据权利要求7所述的排气管，其特征在于，所述EGR接口偏向所述汇流管的一侧。
9.根据权利要求5所述的排气管，其特征在于，所述歧管与所述连接部插接配合。
10.一种基于权利要求1-9任意一项所述的排气管的设计方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1：按照歧管的走向在歧管内设计第一导流板的形状；
步骤2：制定排气管CFD试验方案，以第一导流板的参数坐标为因子，以歧管的壁面最高温度T和压降ΔP为目标，设计试验方案，建立响应面模型公式，根据歧管的尺寸，确定各因子的上下限，每次仿真计算中各因子的取值应在上下限范围以内；
步骤3：搭建排气管内气体流动的CFD模型并进行仿真，计算各试验方案下歧管的壁面最高温度T和压降ΔP，以360°曲轴转角为一个循环进行瞬态仿真计算，运行多个循环直至结果稳定；
步骤4：将各次试验的因子值带入上述响应面模型公式中，使响应面的预测值与步骤3的仿真值间误差的平方和为最小，求解得到响应面模型的待定系数β、ω；
步骤5：根据发动机的性能指标定义排气歧管压降ΔP的上限，然后进行优化计算，在满足各因子限值且歧管压降ΔP不超上限的前提下，使歧管的壁面最高温度T达到最小，记录歧管的壁面最高温度T达到最小时的各因子数值，即为第一导流板的最优设计方案；
步骤6：根据所述步骤5获得的最优设计方案进行歧管内第一导流板设计，然后进行排气管CFD仿真，得到排气管温度场和进出口压降；
步骤7：若排气管的进出口压降小于ΔP的上限，且歧管的最高温度满足材料的耐受温度限值，且比所述步骤3中尝试的各试验方案温度更低，则设计完成；否则返回所述步骤2。
11.根据权利要求10所述的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，以第一导流板的参数坐标为因子，以歧管的壁面最高温度T和压降ΔP为目标，建立如下一阶响应面模型公式并进行预设次数的计算：
上式中，Ki为第一导流板的各个因子，β、ω为待定系数，n为因子的数量。
12.根据权利要求10所述的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，以第一导流板的参数坐标为因子，以歧管的壁面最高温度T和压降ΔP为目标，建立如下二阶响应面模型公式并进行预设次数的计算：
上式中，Ki、Kj为第一导流板的各个因子，β、ω为待定系数，n为因子的数量。
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|---|---|---|---|---|
| CN117090675A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-11-21 | 潍柴动力股份有限公司 | 排气管、排气管的优化设计方法和发动机 |
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2023
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