CN203745203U - 一种内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，包括试验件、管路、风机、电机、调节阀、稳流流量计、传感器、稳压桶、过渡管和若干柔性管；试验件的三个端口还连接有三条过渡管，三条过渡管选择性地通过柔性管或直接与三个管路分别两两相互连接，实现多种三通管路的连接方式的切换。本实用新型通过选择性地控制调节阀的通断，调节管路内的气流方向，分别实现以第一端口为起点或终点的两种形式的气体流型，进而实现三通进排气管的全部六种流型，包括三种分支流和三种聚合流，以及六种流型的流动特征测量，结构简单、操作灵活，具有较高的通用性。

Description

一种内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置

技术领域

本实用新型涉及内燃机的试验装置，尤其涉及一种内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置。

背景技术

内燃机的进排气管路作为增压系统的重要组成部分，其流动性能特征直接影响到柴油机的性能水平。关键管路和阀件流通能力测试是发动机进排气管路设计优化的必经之路，也是发动机性能开发的重要一环。目前，大部分研究集中于车用发动机的进气岐管及缸盖进排气道，形成了一批成熟的产品，如天津大学内燃机国家重点实验室开发的气道吹风试验台即是一种已经广泛应用的成熟平台（中国专利02128945.X）。

但是，进排气管路与气道吹风试验的要求存在着差异。从结构来看，进排气管路的拓扑结构更复杂，一般可看作多个三通单元组成；而气道形状复杂但拓扑结构相对简单（单通结构）。从研究内容来看，气道吹风试验研究气道的流通能力以及其组织缸内气体涡流的能力，而进排气管路主要关注管路的流通能力，尤其是聚合及分支流动时气流间的相互影响，这一点在气道试验台上是无法展开研究的。

对于进排气管的三通单元，其流型可以分为六种，如图1-图6所示，分别给出了进排气管三通单元的六种流型示意图，箭头代表气流的流动方向。其中，图1-图3显示的流型为分支流，图4-图6显示的流型为聚合流。针对三通管路单元六种流型的流通特征测量已有报道。如，英国学者Bassett等在文献《Modeling Engineswith Pulse Converted Exhaust Manifolds Using One-Dimensional Techniques》中公开了一种用于船用柴油机的流动试验台，能够进行脉冲转换器、MPC排气管等三通管路的流动特征测量。中国华中科技大学的张小矛等在文献《发动机进排气系统稳流试验装置的设计与研制》中也公开了一种柴油机进排气管路测量的试验台设计方案。但这种试验台是针对某一种特定接口试验件的专门设计，而对于三通管，不但要考虑接口直径的变化，还要考虑三通空间结构的变化，因此这种结构的试验台存在接口不灵活、不具有通用性等缺点。

目前，现有的流动测量试验台存在以下问题：

1、技术成熟的缸盖稳流吹风试验台，只能同时进行单通（一进口一出口，不出现流动的聚合及分支现象）管路的流动特征测量。

2、针对三通类管路开发的流动测量试验台，一般系统庞大，管系复杂，不能够直接进行不同直径或不同接口空间位置的三通管流动特征测量。

3、针对某一流型下，不能实现支路不同流量比例下的流动测量。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种结构简单、操作灵活，可直接进行不同直径或不同接口空间位置的三通管流动特征研究的试验装置。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作灵活的内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，可实现不同通径、不同形状、不同空间角度的三通管件分别在六种流型下的流动特征测量，且在单一种流型下，能够实现两个支路不同流量比例下的流动特征测量。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，其包括试验件、主管系、电机和过渡管；试验件具有第一端口、第二端口和第三端口；主管系包括第一管路、第二管路和第三管路；过渡管包括第一过渡管、第二过渡管和第三过渡管。第一管路上设置了依次连接的第一稳流流量计、第一稳压桶、风机、第二稳压桶和第二稳流流量计，构成循环回路；第一稳压桶设置有通过第一调节阀通向外界环境的旁路，第二稳压桶设置有通过第二调节阀通向外界环境的旁路。第二管路包括第一支流及第二支流，第一支流上设置了依次连接的第三调节阀和第三稳流流量计，第三稳流流量计与外界环境连通；第二支流上设置了依次连接的第四调节阀和第四稳流流量计，第四稳流流量计与外界环境连通。第三管路上设置了第五调节阀，并与外界环境连通。风机与电机电连接，风机通过电机实现驱动，用于维持试验装置内的气体流动；试验件的第一端口、第二端口和第三端口分别通过第一过渡管、第二过渡管及第三过渡管选择性地与第一管路、第二管路和第三管路两两连接，从而实现多种连接方式的切换。

优选地，电机为变频电机。

进一步地，所述试验装置还包括测控系统，试验件的第一端口还设置有第一传感器，第二端口还设置有第二传感器，第三端口还设置有第三传感器；第一稳压桶还连接有第四传感器，第二稳压桶还连接有第五传感器，测控系统与第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀和第五调节阀相连接，并根据第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器及第五传感器的感测信号，控制第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀和第五调节阀。上述传感器包括温度传感器、压力传感器等，用于监测温度、压力、压差等信号。

优选地，调节阀包括手动阀和电动阀；第一调节阀、第二调节阀为手动阀；第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀为电动阀。

可选地，所述试验装置还包括柔性管，试验件的第一端口通过第一过渡管连接到第一管路；第二端口依次通过第二过渡管、柔性管连接到第二管路；第三端口依次通过第三过渡管、柔性管连接到第三管路。

可选地，试验件第一端口依次通过第一过渡管和柔性管连接到第三管路；第二端口依次通过第二过渡管和柔性管连接到第二管路；第三端口通过第三过渡管连接到第一管路。

可选地，试验件的第一端口依次通过第一过渡管和柔性管连接到第二管路；第二端口通过第二过渡管连接到第一管路；第三端口依次通过第三过渡管和柔性管连接到第三管路。

进一步地，柔性管为波形管或PVC钢丝管。

进一步地，电动阀和手动阀选择性地通断，用于调节管路内的气流方向；电动阀还可以选择性地调节开度，用于调节管路内的气流大小。

进一步地，试验件为MPC排气管或脉冲转换器。

MPC（Modular Pulse Converter）是指模件式脉冲转换器。

在本实用新型的较佳实施方式中，一种内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，包括具有三个端口的试验件、三条管路、风机、与风机电连接的变频电机、五个调节阀、四个稳流流量计、五个传感器、两个稳压桶、三条过渡管和若干柔性管；试验件的第一端口与第一管路的一端连接，第一管路还设置有依次连接的第一稳流流量计、第一稳压桶、风机、第二稳压桶、第二稳流流量计，构成循环回路；第一稳压桶、第二稳压桶分别设置有通过手动阀通向外界环境的旁路。试验件的第二端口与第二管路的一端连接，第二管路的另一端分为两条支流，第一支流依次通过电动阀、稳流流量计连接外界环境；第二支流依次通过电动阀、稳流流量计连接外界环境。试验件的第三端口与第三管路的一端连接，第三管路的另一端通过电动阀与外界环境连接；稳压桶和试验件的三个端口还分别设置有用于监测温度、压力、压差的传感器。试验件的端口与管路之间还设置有过渡管，过渡管选择性地通过柔性管或直接与三个管路分别两两相互连接，实现三种三通管路的连接方式的切换。手动阀可选择性地通断、或电动阀可选择性的通断或调节开度，用于调节管路内的气流方向和气流大小。

由此可见，本实用新型具有如下有益效果：

1、通过选择性地控制调节阀的通断，调节管路内的气流方向，分别实现以第一端口为起点或终点的两种形式的气体流型，结合三通管路的上述三种连接方式，实现三通进排气管的全部六种流型，包括三种分支流和三种聚合流，以及六种流型的流动特征测量。

2、通过过渡管的选配，可以解决管路的管路通径与试验件的端口界面大小、形状不匹配的问题，进而实现不同通径、不同形状的三通管件分别在六种流型下流动特征测量，结构简单、操作灵活，具有较高的通用性。

3、通过柔性管的采用，可以解决不同流型下管路的管路与试验件连接的空间角度温度；采用特殊材质的柔性管，包括波形管和PVC钢丝管等，可承受试验的高压力和高真空度。

4、本实用新型还可以选择性地控制调节阀的开度，调节三通管路中第二管路、第三管路的流量大小，实现三通管路中不同流型、不同流量比例下的流动特征测量。

5、本实用新型的试验件为MPC排气管或脉冲转换器等进排气管，适用于船用大功率柴油机三通管路流动性能特征的测量。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1、图2及图3是典型的进排气管三通单元的分支流的流型示意图；

图4、图5及图6是典型的进排气管三通单元的聚合流的流型示意图；

图7是本实用新型的较佳实施例中的内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置的结构示意图；

图8、图9及图10是本实用新型的试验件为MPC排气管时的连接方式示意图；

图11及图12是本实用新型的试验件为脉冲转换器时的连接方式示意图。

具体实施方式

如图7所示，本实用新型的较佳实施例中的一种内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，其包括试验件701、风机702、电机703、流动管系、调节阀、稳流流量计、传感器、稳压桶、过渡管和柔性管。其中，试验件701为三通管，具有三个端口，分别为第一端口704、第二端口705和第三端口706；流动管系包括三条管路，分别为第一管路707、第二管路714和第三管路721，这三条管路分别与试验件701的三个端口配合。

具体地，试验件701的第一端口704与第一管路707的一端连接，第一管路707由共有管路及分支管路组成，分支管路上设置了依次连接的第一稳流流量计708、第一稳压桶709、风机702、第二稳压桶710及第二稳流流量计711，构成了一条循环回路。共有管路连接在第一稳流流量计708和第二稳流流量计711之间，试验件701的第一端口704通过与共有管路连接而与第一管路707相连接。第一稳压桶709设置有通过第一调节阀712通向外界环境的旁路，第二稳压桶710设置有通过第二调节阀713通向外界环境的旁路。

试验件701的第二端口705与第二管路714的一端连接，第二管路714包括第一支流管路715及第二支流管路718。第一支流管路715上设置了依次连接的第三调节阀716及第三稳流流量计717，第三调节阀716与试验件701的第二端口705相连接，第三稳流流量计717与外界环境相连通；第二支流718上设置了依次连接的第四调节阀719及第四稳流流量计720，第四调节阀719与试验件701的第二端口705相连接，第四稳流流量计720与外界环境相连通。

试验件701的第三端口706与第三管路721的一端连接，第三管路721上设置了第五调节阀722，并通过第五调节阀722与外界环境连接。

上述外界环境均指大气环境。

风机702与电机703电连接，风机702的吸风口连接第一稳压桶709的出口，风机702的吹风口连接第二稳压桶710的入口，风机702通过电机703实现驱动，用于维持管系内的气体流动。

优选地，电机703为变频电机。

此外，试验件701的第一端口704还设置有第一传感器723，第二端口705还设置有第二传感器724，第三端口706还设置有第三传感器725；第一稳压桶709还连接有第四传感器726，第二稳压桶710还连接有第五传感器727。上述传感器包括温度传感器或压力传感器或压差传感器等，可以用于测量试验件端口或吹气稳压桶的温度、压力、压差等。

试验件的三个端口与三条管路之间还设置有过渡管，分别对应为第一过渡管728、第二过渡管729和第三过渡管730。过渡管的一端与试验件的相应端口连接，过渡管的另一端可以选择性地通过柔性管或直接与三条管路分别两两相互连接，实现多种三通管路的连接方式的切换。

在本实用新型涉及的内燃机进排气管路中，试验件可以为MPC管，可以为脉冲转换器，但不限于此。

当试验件为MPC管，图8给出了第一种进排气管的连接方式的示意图，MPC管801的三个端口分别连接第一过渡管728、第二过渡管729、第三过渡管730，第一端口802通过第一过渡管728连接到第一管路707；第二端口803依次通过第二过渡管729、第一柔性管804连接到第二管路714；第三端口805依次通过第三过渡管730、第二柔性管806连接到第三管路721。其中，第二过渡管729与第二管路714之间连接的第一柔性管804为PVC钢丝管；第三过渡管730与第三管路721之间连接的第二柔性管806为波纹管。

图9给出了第二种MPC进排气管的试验件的连接方式的示意图，MPC管801的三个端口分别连接第一过渡管728、第二过渡管729、第三过渡管730，第一端口802依次通过第一过渡管728、第三柔性管901连接到第三管路721；第二端口803依次通过第二过渡管729、第四柔性管902连接到第二管路714；第三端口805通过第三过渡管730连接到第一管路707。其中，第一过渡管728与第三管路721之间连接的第三柔性管901为PVC钢丝管；第二过渡管729与第二管路之714间连接的第四柔性管902为波纹管。

图10给出了第三种MPC进排气管的试验件的连接方式的示意图，MPC管801的三个端口分别连接第一过渡管728、第二过渡管729、第三过渡管730，第一端口802依次通过第一过渡管728、第五柔性管101连接到第二管路714；第二端口803通过第二过渡管729连接到第一管路707；第三端口805依次通过第三过渡管730、第六柔性管102连接到第三管路721。其中，第一过渡管728与第二管路714之间连接的第五柔性管101为PVC钢丝管；第三过渡管730与第三管路721之间连接的第六柔性管102为PVC钢丝管。

当然，上述柔性管可以均为PVC钢丝管或其他，在此不再限定，只要满足实际空间角度和距离连接需要即可。

对于上述三种MPC进排气管的试验件的连接方式，通过选择性地控制调节阀的通断，可调节管路系内的气流方向，分别实现以第一端口为起点、第二端口和第三端口为终点或者以第二端口和第三端口为起点、以第一端口为终点的两种类型的流动特征测量。

下面以图8的MPC进排气管的试验件的连接方式为例，结合图7，其具体工作过程如下：

当测量以第一端口为起点的流动时，调节阀控制策略为：第一调节阀712打开、第三调节阀716和第五调节阀722打开，第二调节阀713和第四调节阀719关闭。在风机702的作用下，气流的流动方向为：外界环境——第一调节阀712——第一稳压桶709——风机702——第二稳压桶710——吹气管路——第二稳流流量计711——吹气管路——第一管路707的共有管路——第一端口704——分支一（第二端口705——第二管路714——吹气管路——第三调节阀716——吹气管路——第三稳流流量计717——吹气管路）/分支二（第三端口706——第三管路721——第五调节阀722——吹气管路）——外界环境，从而实现图2中的分支流流型。

当测量以第一端口为终点的流动时，调节阀控制策略为：第一调节阀712和第三调节阀716关闭，第二调节阀713、第四调节阀719和第五调节阀722打开。在风机的作用下，气流流动方向为：外界环境——分支一（吸气管路——第四稳流流量计720——吸气管路——第四调节阀719——吸气管路——第二管路714——第二端口705）/分支二（吸气管路——第五调节阀722——第三管路721——第三端口706）——第一端口704——第一管路707——吸气管路——第一稳流流量计708——吸气管路——第一稳压桶709——风机702——第二稳压桶710——第二调节阀713——外界环境，从而实现图5中的聚合流流型。

类似地，图7结合图9的MPC进排气管的试验件的连接方式，可实现图3中的分支流流型和图6中的聚合流流型；图7结合图10的MPC进排气管的试验件的连接方式，可实现图1中的分支流流型和图4中的聚合流流型。

优选地，第一调节阀和第二调节阀为手动阀，可选择性地实现通断，用于调节第一管路内的气流方向。第三调节阀、第四调节阀和第五调节阀为电动阀，可选择性的实现通断或调节开度，用于调节第二管路和第三管路内的气流方向和气流大小。通过控制手动阀和电动阀的通断，产生以第一端口为起点或终点的两种形式的气体流型，结合三通管路的三种连接方式，实现三通进排气管的全部六种流型，包括三种分支流和三种聚合流。进一步，通过调节电动阀的开度，结合与稳流流量计的数据采集，可实现上述六种流型的不同流量的流动特征测量，适用于船用大功率柴油机三通管路流动性能特征的测量。

优选地，本实用新型采取了反馈半自动控制用于实现三通管路的两个支路不同流量比例下的流动特征测量，控制原理如下：测控系统与各流量计和电动阀连接，并通过流量计采集两路分支的流量并自动计算出流量比例作为反馈，通过测控系统界面可调节电动阀，直至使两路分支的流量比例符合测试要求，确认后测控系统会进行自动记录。此外，系统还具有保证流量较小的那一路的流量能始终大于测量精度要求的最小流量。测控软件还具有自动识别设计，软件能够根据手动阀门及试验件的位置，自动判别当前试验流型，并选择相应的电控阀进行调节与流动参数计算。

此外，本实用新型通过过渡管的选配，可以解决管路的管路通径与试验件的端口界面大小、形状不匹配的问题，进而实现不同通径、不同形状的三通管件分别在六种流型下流动特征测量，结构简单、操作灵活，具有较高的通用性。通过柔性管的采用，可以解决不同流型下管路的管路与试验件连接的空间角度温度；采用特殊材质的柔性管，包括波形管和PVC钢丝管，可承受实际实验的高压力和高真空度。

如图11所示，给出了将图8中的MPC进排气管替换为脉冲转换器111的试验件的连接方式的示意图。脉冲转换器111具有三个端口，分别为第一端口112、第二端口113、第三端口114。该三个端口与本实用新型的管路系的连接类似于图8中MPC进排气管的连接方法，在此不再赘述，用于实现两种三通管路的流动形式。

图12给出了将图10中的MPC进排气管替换为脉冲转换器121的试验件的连接方式的示意图。脉冲转换器的三个端口分别为第一端口122、第二端口123、第三端口124。该三个端口与本实用新型的管路系的连接类似于图9中MPC进排气管的连接方法，在此不再赘述。注意到脉冲转换器为对称结构，因此图12中的脉冲转换器的试验件的连接方式也可以理解为将图10中的MPC进排气管替换为脉冲转换器121的试验件的连接方式的示意图。从而可以实现四种不同的三通管路的流动形式。

本实用新型还考虑到不同试验件的切换，采用了积木式设计，管道弯头和三通接头可根据需要作转动或平移布置，从而解决不同试验件与管路系的空间连接距离和角度问题。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，其特征在于，包括试验件、主管系、电机、过渡管和测控系统； 

所述试验件具有第一端口、第二端口和第三端口； 

所述主管系包括第一管路、第二管路和第三管路； 

所述过渡管包括第一过渡管、第二过渡管和第三过渡管； 

所述第一管路上设置了依次连接的第一稳流流量计、第一稳压桶、风机、第二稳压桶和第二稳流流量计，构成循环回路；所述第一稳压桶设置有通过第一调节阀通向外界环境的旁路，所述第二稳压桶设置有通过第二调节阀通向外界环境的旁路； 

所述第二管路包括第一支流及第二支流，所述第一支流上设置了依次连接的第三调节阀和第三稳流流量计，所述第三稳流流量计与外界环境连通；所述第二支流上设置了依次连接的第四调节阀和第四稳流流量计，所述第四稳流流量计与外界环境连通； 

所述第三管路上设置了第五调节阀，并与外界环境连通； 

所述风机与所述电机电连接，所述风机通过电机实现驱动，用于维持所述试验装置内的气体流动； 

所述试验件的所述第一端口、所述第二端口和所述第三端口分别通过所述第一过渡管、所述第二过渡管及所述第三过渡管、再直接或通过柔性管选择性地与所述第一管路、所述第二管路和所述第三管路两两连接，从而实现多种连接方式的切换；所述柔性管为波形管或PVC钢丝管； 

所述试验件的所述第一端口还设置有第一传感器，所述第二端口还设置有第二传感器，所述第三端口还设置有第三传感器；所述第一稳压桶还连接有第四传感器，所述第二稳压桶还连接有第五传感器，所述测控系统与所述第一传感器、所述第二传感器、所述第三传感器、所述第四传感器、所述第五传感器、所述第一调节阀、所述第二调节阀、所述第三调节阀、所述第四调节阀和所述第五调节阀相连接，并根据所述第一传感器、所述第二传感器、所述第三传感器、所述第四传感器及所述第五传感器的感测信号，控制所述第一调节阀、所述第二调节阀、所述第三调节阀、所述第四调节阀和所述第五调节阀； 

所述传感器为温度传感器、压力传感器或压差传感器； 

所述第一调节阀、第二调节阀为手动阀；所述第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀为电动阀。 

2.如权利要求1所述的内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，其中，所述第一调节阀、所述第二调节阀、所述第三调节阀、所述第四调节阀和所述第五调节阀选择性地通断，用于调节管路内的气流方向；所述第三调节阀、所述第四调节阀和所述第五调节阀选择性地调节开度，用于调节管路内的气流大小。 

3.如权利要求1所述的内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，其中，还包括两条柔性管，所述第一端口通过所述第一过渡管连接到所述第一管路；所述第二端口依次通过所述第二过渡管和所述柔性管连接到所述第二管路；所述第三端口依次通过所述第三过渡管和所述柔性管连接到第三管路。 

4.如权利要求1所述的内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，其中，还包括两条柔性管，所述第一端口依次通过所述第一过渡管和所述柔性管连接到所述第三管路；所述第二端口依次通过所述第二过渡管和所述柔性管连接到所述第二管路；所述第三端口通过所述第三过渡管连接到所述第一管路。 

5.如权利要求1所述的内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，其中，还包括两条柔性管，所述第一端口依次通过所述第一过渡管和所述柔性管连接到所述第二管路；所述第二端口通过所述第二过渡管连接到所述第一管路；所述第三端口依次通过所述第三过渡管和所述柔性管连接到所述第三管路。 

6.如权利要求3～5中任一项所述的内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，其中，所述柔性管为波形管或PVC钢丝管。 

7.如权利要求1所述的内燃机三通进排气管的流动性能特征试验装置，其中，所述试验件为MPC排气管或脉冲转换器。