一种缩放型柴油机排气道及其排气方法技术

本发明专利技术提供一种缩放型柴油机排气道及其排气方法。该排气道包括由置于汽缸盖内的排气道内壁1和气门座圈2组成，其特征是：排气道由入口3至出口4的横截面积先减小后增大，形成一种横截面积渐缩再渐扩的排气道；随着气门升程的增大，排气道壁面1与气门表面5形成形状变化的流动通道；该缩放型排气道通过超临界排气增加整体流量，入口呈喇叭形，渐缩一段距离后再向出口扩张，渐缩部分与气门配合形成特殊形状的流动通道；在小气门升程下，呈拉瓦尔喷管形流通气道，气流以超临界状态加速流动；大气门升程下，气道与气门配合形成横截面积变化很小的流动通道，此时的亚临界气流流过此截面时流动损失小，消除了流动分离现象。

A scaling diesel exhaust duct and its exhaust method

The invention provides a scaling diesel engine exhaust passage and an exhaust method thereof. The exhaust channel consists of the exhaust duct inner wall 1 inside the cylinder cover and the valve seat 2, which is characterized by: the exhaust passage from the inlet 3 to the exit 4 is reduced first and then increased, forming a type of exhaust passage which is gradually shrinking and reexpanding the cross section area; with the increase of the valve lift, the exhaust channel wall 1 and the valve surface 5 form a shape change. The scale exhaust channel increases the overall flow through the supercritical exhaust, the inlet is trumpet shaped, and then expands to the outlet, and the gradually shrinking part is combined with the valve to form a special flow passage. In the small valve lift, the Lawal nozzle is flowing through the airway, and the air flow is accelerated by the supercritical state. Flow; under the air gate lift, the airways and valves are combined to form a flow channel with small change in cross section area. At this time, the flow loss is small when subcritical air flow passes through this section, and the flow separation phenomenon is eliminated.

【技术实现步骤摘要】
一种缩放型柴油机排气道及其排气方法
本专利技术属于柴油发动机
，具体涉及一种缩放型柴油机排气道及其排气方法。
技术介绍
柴油发动机与汽油发动机同为内燃机，两者的工作原理虽然类似，但燃料的燃烧方式却是迥然不同。柴油机主要通过燃烧室内喷油嘴喷出的柴油经高温高压实现持续的扩散燃烧对外做功，而汽油机则是混合气预先在进气道混合，在燃烧室里通过火花塞点燃，瞬间产生的爆炸能量对外做功。这种不同的热功转换特点造就了不同内燃机的不同输出特性。柴油机由于极短的混合气形成时间，极度不均匀混合气空间、时间分布，以及燃料喷射和燃料燃烧过程同时存在的特点，注定了其最高转速不能太高，而且在低转速区的扭矩特性会较好。在柴油机工作过程中，随着转速的提高，有大量的气体从进气系统进入缸内，同时也有大量的高温气体从排气系统排入大气当中。因此，柴油机内的气体流动相当复杂，其整机性能也因进排气系统特性的不同而有所影响。在发动机排气过程中，所排出的气体具有高温、高速和高压的特点，而且排气能量巨大，因此其产生的排气压力波具有很大的振幅，排气所造成的波动效应十分剧烈。对排气波动效应的充分利用，在气门叠开期间的排气门处产生负压，可加大排气量，尽量排清缸内废气，减少残余废气量，同时也能减少泵气损失，从而提高充气效率和发动机性能。当柴油机尤其是船用柴油机排气冲程中，排气道进出口压力波动特点为：小气门升程时压差大，大气门升程时压差小；在气门升程刚开启阶段超临界排气量可达60％以上，所以需要一种兼顾超临界排气和亚临界排气的排气方法，让更多的废气更早地排出。这种由缩放型排气道得到的排气方法分别考虑了各种气门升程下的流动情况，特别适用于排气歧管内压力波动特性为随着气门开启逐渐减小的一类柴油上。在这类排气道压差逐渐减小的机型上使用流通截面积渐缩再渐扩的排气道，增强超临界流动，而不会降低流量系数。在超临界流动阶段，适当缩小气道横截面积不会影响流量；所以将最小当量直径设计为小于气门座圈内径。由连续方程和气体流动的几何条件与力学条件，超音速气流在拉瓦尔型排气道内流动时，在膨胀阶段，速度增大，比体积增大，压力减小，有利于减弱压力堆积，提高排气道充气系数。现有的柴油机排气道入口的壁面与汽缸盖断面基本垂直，而气门座圈通常只有30°和45°两种，气流以此角度进入排气到后会发生流动分流现象，在入口段产生漩涡，这种形状尤其在超临界流动阶段造成流动分离使得有效流通面积减小。本专利通过设计气道模型给出的排气规律为，气流流经气门座圈后，继续以原来的角度沿着气门杆流动，这使得在不同气门升程时有不同的优化促进流动的作用。
技术实现思路
本专利技术针对柴油机排气管内压力波动特性设计了一种能够增强超临界流动、增大排气量、减小阻力的排气道结构。本专利技术的目的是：通过组织超临界排气，实现排气加速，提高排气道流通能力，消除流场内的流动分离现象，通透的排气有利于下一循环的燃烧，减小残余废气量，从而提升整机性能。本专利技术采用的技术方案是：缩放型排气道由置于汽缸盖内的排气道、平头气门和流动排气通道组成；排气通道横截面当量不均匀，整体上为一种横截面积渐缩再渐扩的结构；排气道由内壁1和气门座圈2组成，随着气门升程的增大，排气道壁面1与气门表面5形成形状变化的流动通道。所述的气门座圈具体包括：整体右侧气门座圈6位于排气道内壁7入口处，左侧气门座圈2位于和排气道外壁1的入口处，左侧气门圈和右侧气门圈对称放置。所述的排气道具体包括：排气道由入口3至出口4的横截面积先减小后增大，从气门座圈处的截面6到截面7，当量直径D逐渐缩小，截面7到出口4流通截面为标准排气道；所述的排气道整体上形成一种横截面积渐缩再渐扩的结构。所述的排气通道横截面当量不均匀具体包括：排气道横截面最小当量直径为Dmin，对小当量直径Dmin用如下公式约束：其中，D0为气门座圈内径，d为气门圆盘直径，Lmax为最大气门升程，d0为气门倒杆直径，a为气门座圈锥角，Dmin为气道最小当量直径；Dmin小于气门座圈内径D0，并且位于气门座圈2的下游。所述的流动排气通道具体包括：截面3至截面7排气道的壁面1设计成渐缩喇叭形，它与气门表面5形成一种利于超临界排气的流动通道，形状随着气门位置的变动而变化；当在小气门升程时，流动通道8呈拉瓦尔喷管形流通气道；大气门升程时，流动通道9截面积不发生突变；流动通道截面当量满足权利要求4中所述的公式约束。先进行小气门升程，在小气门升程下，流动通道8呈拉瓦尔喷管形流通气道进行排气；再进行大气门升程，在大气门升程下，流动通道9截面积不发生突变入口截面3至截面7，排气道的壁面呈渐缩喇叭形。附图说明图1是本专利的排气道示意图；图2是本专利的在小气门升程下流动通道示意图；图3是本专利技术的在大气门升程下流动通道示意图。具体实施方式本专利技术的具体实施方式如下：在小气门升程下行喉口形成拉瓦尔喷管的形状，可利于超临界排气，提高流动速度。在大气门升程下行通道9截面积不发生突变，且在保证正常流量情况下，消除流动分离现象。为此本专利技术采用一种缩放型柴油机排气道，由置于汽缸盖内的排气道内壁1和气门座圈2组成，排气道由入口3至出口4的横截面积先减小后增大，从气门座圈处的截面6到截面7，当量直径D逐渐缩小，截面7到出口4，流通截面为标准排气道结构。整体上形成一种横截面积渐缩再渐扩的排气道。对小当量直径Dmin用如下公式约束：式中：D0为气门座圈内径，d为气门圆盘直径，Lmax为最大气门升程，d0为气门倒杆直径，a为气门座圈锥角。其中气流流过截面7的有效流通截面积应为排气道与气门杆截面之差，此有效流通截面积应大于气门开启到Lmax/2位置时气流流过的周向截面πdLmax/2sina，可得上式中第一个不等号，针对超临界流动阶段，为了不让Dmin过小限制流量，这里以取Lmax/2位置时的流动入口面积为参考值。通过超临界排气增加流量，截面3至截面7排气道的壁面1设计成渐缩喇叭形，它与气门表面5形成一种利于超临界排气的流动通道，形状随着气门位置的变动而变化(典型的两种情况为流动通道8、9)。1、在小气门升程下，流动通道8呈拉瓦尔喷管形流通气道，气流以超临界状态在拉瓦尔喷管内加速流动，与现有的排气流场规律相比，此方法使气流加速，实际上消除了原有的流动分离区，抑制喉口出口漩涡的产生，可以增大有效流通面积，增大流速，使质量流量增加，充气系数增大。2.大气门升程下，流动通道9截面积不发生突变，保证气流10的正常流量情况下，消除流动分离现象，从而减小了流动损失。下面结合仿真实验举例对本专利技术做更详细地描述：实施例一：在TBD234型柴油机上应用缩放型柴油机排气道，其结构是排气道内壁1和气门座圈2组成渐缩的排气道，气门座锥角45°，截面3、6、7、4当量直径分别为54mm、46mm、40mm、64mm；从气门座圈处的入口3到截面7，当量直径D从54mm逐渐缩小到40mm；截面7到出口4，流通截面为标准排气道结构，当量直径D从40mm逐渐增大到60mm整体上形成一种横截面积渐缩再渐扩的排气道。此例小当量直径Dmin＝40mm满足约束公式,即：本专利设计的缩放型柴油机排气道的排气方法为：在小气门升程下，流动通道8呈拉瓦尔喷管形流通气道，气流以超临界状态在拉瓦尔喷管内加速流动；大气门升程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种缩放型柴油机排气道，其特征在于：所述的缩放型排气道由置于汽缸盖内的排气道、平头气门和流动排气通道组成；排气通道横截面当量不均匀，整体上为一种横截面积渐缩再渐扩的结构；排气道由内壁1和气门座圈2组成，随着气门升程的增大，排气道壁面1与气门表面5形成形状变化的流动通道。

【技术特征摘要】
1.一种缩放型柴油机排气道，其特征在于：所述的缩放型排气道由置于汽缸盖内的排气道、平头气门和流动排气通道组成；排气通道横截面当量不均匀，整体上为一种横截面积渐缩再渐扩的结构；排气道由内壁1和气门座圈2组成，随着气门升程的增大，排气道壁面1与气门表面5形成形状变化的流动通道。2.根据权利要求1所述的一种缩放型柴油机排气道，其特征在于，所述的气门座圈具体包括：整体右侧气门座圈6位于排气道内壁7入口处，左侧气门座圈2位于和排气道外壁1的入口处，左侧气门圈和右侧气门圈对称放置。3.根据权利要求1所述的缩放型柴油机排气道，其特征在于，所述的排气道具体包括：排气道由入口3至出口4的横截面积先减小后增大，从气门座圈处的截面6到截面7，当量直径D逐渐缩小，截面7到出口4流通截面为标准排气道；所述的排气道整体上形成一种横截面积渐缩再渐扩的结构。4.根据权利要求1所述的缩放型柴油机排气道，其特征在于，所述的排气通道横截面当量不均匀具体包括：排气道...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖友洪，李想，李全，赵辉，姜来旭，朱天宇，邵延忠，宋青青，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23