第四章_废气能量的利用

1、Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 图4-1 涡轮增压系统的两种基本形式a) 恒压系统；b) 变压系统进气管 b) 123456123456排气管排气管进气管a）第四章 废气能量的利用4.1废气涡轮增压系统的两种基本型式Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 1.恒压系统。这种增压系统的特点是涡轮前排气管内压力基本恒定。它把柴油机所有气缸的排气管都连接于一根排气总管，而排气总管的截面积又尽可能做得粗。这样一来，排气管实际上就起了集气箱的作用，这时虽然各气缸的排气时间是岔开的，但是由于集气箱起

2、了稳压作用，因而在排气总管内的压力振荡是较小的；排气管进气管Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 2. 变压系统（脉冲系统）。这种方案的特点是使排气管中的压力造成尽可能大的压力变动。为此，把涡轮增压器尽量靠近气缸，把排气管做得短而细，并且几个气缸（通常2缸或3缸）连一根排气管。这样在每一根排气管中就形成几个连续的互不干扰的排气脉冲波（或称排气压力波）进入废气涡轮机中，同时把涡轮的喷嘴环，根据排气管的数目分组隔开，使它们互不干扰。图41b分别表示一发火次序为153624的六缸四冲程柴油机排气管分组。排气管进气管Wuhan University

3、of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 为了说明柴油机废气能量的利用情况及考虑了燃烧室扫气的条件，将恒压系统四冲程涡轮增压柴油机的理论示功图表示在图42上。4.2 恒压增压系统废气能量的利用Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 图4-2四冲程增压柴油机的理论示功图PCzzbea53410fV2vsvcp0pTpkefggivs(s-1)Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 iga0：压气机耗功 23a0 ：压缩进入柴油机气缸空气所需之能量 ig32：压缩扫气空气所需之能量（s

4、为扫气系数） aczb：柴油机气缸中的压缩、燃烧、膨胀过程 3a54 ：为充量更换正功，或柴油机泵吸正功 aczb 和3a54 两块为柴油机指示功 b1fb ：柴油机排气门打开时排气等熵膨胀到P0时所能做的功，Eb b5eb：排气经排气门节流和排气歧管中自由膨胀所损失的能量，E1 51fe：排气在涡轮中进一步膨胀所回收的能量，ET TbEEE1Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 ifegi：涡轮中排气的总能量，E2（1）i24g ：扫气空气进入涡轮后具有的能量，Es（2）2154：活塞推出排气使排气增加的能量，Ec（3）51fe：排气在涡轮

5、中进一步膨胀所回收的能量，ET（4）effe ：损失的能量E1中的一小部分，转变为热能，加热排气，使焓值增加而得的附加能量，Eq 2scTqEEEEEWuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 排气阀开始打开时，气缸中燃气状态b。如果让这些燃气在理想的内燃机或涡轮机中（所谓理想的内燃机或涡轮机系指燃气在其中能实现等熵膨胀而不出现任何损失的理想动力机）完全膨胀到大气压力时，燃气所具有的作出机械功的最大能力可在pV图上以三角形面积1bf表示之，即称此面积为废气拥有的可用能量。从物理概念上看，它实际上是代表了废气涡轮理论上有可能从废气中取得并用来作功的最

6、大能量。Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 恒压涡轮前的燃气参数以e点表示。这是由于气缸中的燃气经过排气阀节流和排气管中不可逆的自由膨胀到背压pT所产生的结果。这样恒压涡轮的功将以面积24ef表示。而面积ig42则为扫气空气在涡轮中所作的功，因此恒压涡轮的总功igef。 仔细分析一下涡轮所作功的能量来源，显然它是由三部分组成的：1.面积ig42系扫气空气所给予；2.面积2451系活塞推出废气所作之功，系发动机活塞所给予；3.真正自废气中取得的能量仅为面积15ef，而废气拥有的可用能量为1bf，因此，在恒压系统中面积5be5的可用能量是损失掉

7、了。 Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 这些能量是如何损失的？hFMDCVEEEEEEE气流-排气门-汽缸盖排气道-排气歧管-排气总管-涡轮（1）流经排气门处的节流损失，占总损失的60%70%（2）流经各种缩口处的节流损失（3）管道面积突扩时的流动损失（4）不同参数气流掺混和撞击形成的损失（5）其他的粘性而形成的摩擦损失（6）气流向外界散热所形成的能量损失Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 在恒压系统中排气管中维持着恒定的压力pT。在排气阀刚打开时，压力pb远高于pT。随着气体自气缸中

8、排出，气缸中的压力不断下降。在气缸压力下降至pT以前，气流通过排气阀将产生强烈的节流作用。这就是可用能量损失的主要原因。在图4-3上用TS图对此作了说明（比较A点和点A的作功能力）节流损失在大降低，大量的动能通过气体分子相互撞击、摩擦和形成涡流而损失。a) 恒压系统 b) 变压系统 图4-3关于排气阀处节流损失的说明TSSTAAB(Pb,Tb)BBAAP0P0a)b)B(Pb,Tb)P=constVT=constPt=VarWuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 此外，还包括流入排气总管时，所产生的不可逆膨胀损失。在亚临界阶段（包括排气冲程活塞

9、推出废气的阶段），主要表现也为动能损失，亦即流出排气阀时的摩擦损失。超临界阶段的节流损失是所有损失中的最主要部分，亚临界流动时的动能损失数值不大。此外还有气体在管道中的摩擦损失和通过排气管壁的散热损失，但是它们在数量上更是属于次要方面。 由于损失而产生热量，将用来加热气体。这样涡轮前的燃气温度将较等熵膨胀后e点的温度为高，以e点表示（图4-3）。这样涡轮功的面积将增加一个eeff，这就是损失5be中的复热回收部分。不过它仅是损失中的一小部分而已，今恒压系统中可用能量的损失为ebWK面积5Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 根据能量平衡 为涡

10、轮前废气温升，qmT为燃气流量。因此，涡轮作功能力的增加值为 面积eeff = 面积eeff=复热回收部分占损失能量5be的比例为 由上式可知，在恒压系统中，能量回收率随膨胀比的增加而增大。实际上，E1本身还随膨胀比的增大而减小，即回收更多 1mTpEqcTT1E101kkmTpTqcTpp10111kkTpEpE Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 在实际情况下，涡轮实际所作之功将等于面积igef乘以涡轮机有效效率T，而压气消耗的功却是面积iga0除以压气机效率K。因此在增压压力pk较低，而涡轮增压器的综合效率TKM又不很高时，恒压系统就

11、较难实现NK=NT的功率平衡要求。究其原因，就是在于面积b5e那块能量没有很好地加以利用。Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 4.3 脉冲增压系统废气能量的利用 设计变压系统的目的，就是在于尽量改善面积b5e那部分能量的利用情况。图4-4b上对变压系统中节流损失的情况作了示意性说明。为清楚起见，可用图4-5变压系统中压力变化的示意图结合起来讨论。 Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 图4-5 排气脉冲波a) 排气管容积小；b) 排气管容积大0a) b) 0排气门开扫气 扫气 排气门开排气

12、门关排气门关pTpbpTpbpWuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 图4-5a表示排气管容积相当小的情况。当排气阀开启后，随着气体流出，气缸中压力p从pb很快下降。开始是超临界流动，但由于变压系统排气管容积小，因此排气管中的压力pT也迅速提高，此后随着燃气流出涡轮，气缸压力p和排气管压力将一起下降。从图可以看到，在排气最初阶段，因为p和pT的压差也很大，因此节流损失就很快减少；同时由于排气管截面较细，排气管中气流速度也较高，因而部分气流的动能也可以在涡轮中加以利用，这样一来，就使涡轮机的拥有能量增加，增压压力p得以提高。反之如果排气管容积做得

13、大一些，这时排气管中压力pT的建立就慢一些，pT的数值也小一些，从而节流损失就大一些，可以达到的增压压力也就低一些。Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 l从以上分析中可以看到，变压系统比恒压系统可以较好的利用柴油机的废气能量。排气管容积较小，废气能量利用也就较好。一般当排气系统正确系统正确设计时，在恒压系统中损失的可用能量5be中大约有4050可以在变压系统中获得利用，因此涡轮的拥有能量就大，建立的pk就可高。反之，如果要求同样的pk，那么在变压系统就可以放大喷嘴环的截面积，使排气管排空更快，从而减少活塞推出废气所作之功，使充量更换正功更大

14、，改善柴油机机械效率，使柴油机比油耗ge进一步下降。Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 4.4 恒压系统及脉冲系统的比较l恒压系统及脉冲系统的优缺点比较如下所述1 由于脉冲系统部分利用了废气的脉冲能量，所以系统的可用能量比恒压系统大。如果按脉冲能量E1的50得到利用进行计算，则脉冲系统可用能与恒压系统可用能之比为212125 . 015 . 0EEEEEKE2125 . 0EEEKEWuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 显然，KE表示脉冲能量利用的程度，当废气温度tT=350时，系数KE与

15、增压压力pk的关系如图4-5所示。由图可知，从增加可利用能量的角度看，在低增压时，压比低于1.5时，采用脉冲系数效果比较显著：当压比大于2.5时，0.5E1E2的比值较小，采用脉冲增压的优点就不明显了 。图4-5 系数KE与p0的关系pk/p06KE0.5=1+0.5E1E2KE3.53.02.51.52.01.012345Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 2 脉冲增压系统对气缸中扫气有明显的好处由图4-6a可以看出，在柴油机扫气期间，脉冲系统的pt正处于波谷，因此即使在低增压和高增压的部分负荷工况，仍能保持足够的扫气压力差pkpT，保证

16、气缸内良好的扫气，而在恒压系统中，由于pT波动小，扫气压力差就大为减小(比较图4-6中两系统的阴影区)，所以不容易保证气缸的扫气 Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 缸 排 气 始 点缸 排 气 始 点缸 进 气 过 程扫 气 压 差app下止点扫 气上止点bp1pTpTPK六 缸 四 冲 程 增 压 柴 油 机 发 火 顺 序 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4涡 轮 增 压 器1 2 3 4 5 6P 1P TP 1P T3 421p1pTpTPK1 缸 排气 始 点缸 进 气 过 程5 6图4-6 涡轮增压柴油机的排气管连接和

17、压力曲线a) 恒压系统；b)脉冲系统Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 3 在脉冲系统中由于排气管容积较小，当柴油机负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递到涡轮机，引起增压器转速较快地变动，所以脉冲系统的加速性能较好。此外，在柴油机转速降低时，脉冲系统可用能与恒压系统可用能之比增大，有利于柴油机的扭矩特性。在排气管容积较大的恒压环境中，涡轮前压力变化比较缓慢，加速性就比较差，特别在低增压时排气能量的利用程度差，加速性能就更差。恒压系统的扭矩特性显然也不如脉冲系统Wuhan University of Technology内燃机增压

18、技术内燃机增压技术 4 从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低。这是因为在柴油机开始排气时，废气以很高的流速进入涡轮。流动损失很大，特别是，涡轮前的废气压力和温度都是周期性地变化着，进入工作轮叶片的废气方向也周期性地改变，而工作轮叶片的安装角都居固定的，所以气流和叶片不断发生冲击和气流分离，造成比较大的撞击损失。此外，在有些情况下，涡轮机还存在着部分进气损失。Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 5 脉冲系统的废气瞬时流量也是周期性变化的，其瞬时最大流量比恒压系统的流量(相当于脉冲系统的平均流量)大因此，脉冲涡轮的尺

19、寸较大，其排气管的结构也复杂，受每根排气管连接气缸数目的限制，在一台柴油机上有时不得不采用几个废气涡轮增压器，这就使得整个增压系统变得复杂，柴油机的轮廓尺寸加大。 Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 l 综上所述，在低增压时，采用脉冲涡轮增压较为有利，而在高增压时，则宜采用恒压涡轮增压。然而，考虑到车用柴油机大部分时间在部分负荷(此时增压压力较低)下工作，对其扭矩特性、加速性能要求比较高，所以即使是在高增压的车用柴油机上仍常采用脉冲增压系统。 Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 脉冲增压

20、优点：1.排气能量利用系数高，低工况性能好。2.扫气易于组织，对二冲程更有利。3.加速性能好。Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 脉冲增压缺点：1.在两缸一歧管时，排气管抽空。在增压压力高时，当排气门刚开启时节流损失大，使涡轮鼓风损失大，效率降低2.当排气管太长时，反射压力波对扫气会产生干扰。3.同功率柴油机，涡轮通流面积较定压系统的大，常常需要大一型号的涡轮增压器来配机，成本较高。4.缸数较多时，为了利用压力波谷进行燃烧室扫气，排气管要分支，从而使排气管结构较复杂Wuhan University of Technology内燃机增压技术内

21、燃机增压技术 恒压增压优点：1.可采用涡轮全进气，压力波动小，涡轮效率高。2.多缸时，排气管结构简单3.涡轮增压器布置较自由4.不会由于压力波的干扰而使柴油机的转速上限受到限止。5.对低增压相同功率的柴油机而言，涡轮通流面积较脉冲的小，可用小一型号涡轮增压器Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 脉冲增压缺点：1.加速性能差，低负荷性能差。2.扫气空气量较脉冲的少。3.部分负荷时，有时扫气倒流，弄污进气系统及增压器。4.在低转速、高转矩时，增压压力下降较大5.在缸数少时，显得排气管容积过大。Wuhan University of Technol

22、ogy内燃机增压技术内燃机增压技术 4.4 影响脉冲能量利用的因素l脉冲能量的利用主要取决于排气管中压力波形的合理组织。这与气缸内的压力，排气歧管的粗细、长短以及喷嘴环喉部面积大小等均有密切的关系。l要求：1）排气门打开后，排气歧管内的压力应尽快建立起来，以减少流动损失。2）排气自排气门流出应迅速，阻力尽可能小。3）柴油机扫气过程中，排气管中的压力要尽可能低，以利于扫气进行。Wuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 4.4.1 排气门开启定时当排气门开启较早时， 较大，缸内压力高，排气管压力尽力得快，标志着涡轮进口焓值高，涡轮作功能力大。但过早的打开排气门，也将使缸内的燃气在膨胀行程对活塞所做的功减少，无助于整机功率的提高和经济性的改善。0/ ppcppWuhan University of Technology内燃机增压技术内燃机增压技术 4.4.2 排气门通流面积0max/( /60)eversfcV nmaxvef流量系数，一般在0.750.80排气门最大有效通流截面积排气门开启时的气流声速一个气缸工作容积发动机转速ercsVn 当排气门流通面积增大，即排空率高，排气自排气门排出不仅阻力小，而且排出迅速，在排气歧管中能很快建立起较高的压力，有利于脉冲增压。Wuhan University of Technolo