[发明专利]一种缩放型柴油机排气道及其排气方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于柴油发动机技术领域，具体涉及一种缩放型柴油机排气道及其排气方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。本发明的目的是：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。

本发明采用的技术方案是：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。