第四章_廢氣能量的利用

1、Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 圖4-1 渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式a) 恒壓系統(tǒng)；b) 變壓系統(tǒng)進氣管 b) 123456123456排氣管排氣管進氣管a）第四章 廢氣能量的利用4.1廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本型式Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 1.恒壓系統(tǒng)。這種增壓系統(tǒng)的特點是渦輪前排氣管內(nèi)壓力基本恒定。它把柴油機所有氣缸的排氣管都連接于一根排氣總管，而排氣總管的截面積又盡可能做得粗。這樣一來，排氣管實際上就起了集氣箱的作用，這時雖然各氣缸的排氣時間是岔開的，但是由于集氣箱起

2、了穩(wěn)壓作用，因而在排氣總管內(nèi)的壓力振蕩是較小的；排氣管進氣管Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 2. 變壓系統(tǒng)（脈沖系統(tǒng)）。這種方案的特點是使排氣管中的壓力造成盡可能大的壓力變動。為此，把渦輪增壓器盡量靠近氣缸，把排氣管做得短而細，并且?guī)讉€氣缸（通常2缸或3缸）連一根排氣管。這樣在每一根排氣管中就形成幾個連續(xù)的互不干擾的排氣脈沖波（或稱排氣壓力波）進入廢氣渦輪機中，同時把渦輪的噴嘴環(huán)，根據(jù)排氣管的數(shù)目分組隔開，使它們互不干擾。圖41b分別表示一發(fā)火次序為153624的六缸四沖程柴油機排氣管分組。排氣管進氣管Wuhan University

3、of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 為了說明柴油機廢氣能量的利用情況及考慮了燃燒室掃氣的條件，將恒壓系統(tǒng)四沖程渦輪增壓柴油機的理論示功圖表示在圖42上。4.2 恒壓增壓系統(tǒng)廢氣能量的利用Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 圖4-2四沖程增壓柴油機的理論示功圖PCzzbea53410fV2vsvcp0pTpkefggivs(s-1)Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) iga0：壓氣機耗功 23a0 ：壓縮進入柴油機氣缸空氣所需之能量 ig32：壓縮掃氣空氣所需之能量（s

4、為掃氣系數(shù)） aczb：柴油機氣缸中的壓縮、燃燒、膨脹過程 3a54 ：為充量更換正功，或柴油機泵吸正功 aczb 和3a54 兩塊為柴油機指示功 b1fb ：柴油機排氣門打開時排氣等熵膨脹到P0時所能做的功，Eb b5eb：排氣經(jīng)排氣門節(jié)流和排氣歧管中自由膨脹所損失的能量，E1 51fe：排氣在渦輪中進一步膨脹所回收的能量，ET TbEEE1Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) ifegi：渦輪中排氣的總能量，E2（1）i24g ：掃氣空氣進入渦輪后具有的能量，Es（2）2154：活塞推出排氣使排氣增加的能量，Ec（3）51fe：排氣在渦輪

5、中進一步膨脹所回收的能量，ET（4）effe ：損失的能量E1中的一小部分，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱排氣，使焓值增加而得的附加能量，Eq 2scTqEEEEEWuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 排氣閥開始打開時，氣缸中燃氣狀態(tài)b。如果讓這些燃氣在理想的內(nèi)燃機或渦輪機中（所謂理想的內(nèi)燃機或渦輪機系指燃氣在其中能實現(xiàn)等熵膨脹而不出現(xiàn)任何損失的理想動力機）完全膨脹到大氣壓力時，燃氣所具有的作出機械功的最大能力可在pV圖上以三角形面積1bf表示之，即稱此面積為廢氣擁有的可用能量。從物理概念上看，它實際上是代表了廢氣渦輪理論上有可能從廢氣中取得并用來作功的最

6、大能量。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 恒壓渦輪前的燃氣參數(shù)以e點表示。這是由于氣缸中的燃氣經(jīng)過排氣閥節(jié)流和排氣管中不可逆的自由膨脹到背壓pT所產(chǎn)生的結(jié)果。這樣恒壓渦輪的功將以面積24ef表示。而面積ig42則為掃氣空氣在渦輪中所作的功，因此恒壓渦輪的總功igef。 仔細分析一下渦輪所作功的能量來源，顯然它是由三部分組成的：1.面積ig42系掃氣空氣所給予；2.面積2451系活塞推出廢氣所作之功，系發(fā)動機活塞所給予；3.真正自廢氣中取得的能量僅為面積15ef，而廢氣擁有的可用能量為1bf，因此，在恒壓系統(tǒng)中面積5be5的可用能量是損失掉

7、了。 Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 這些能量是如何損失的？hFMDCVEEEEEEE氣流-排氣門-汽缸蓋排氣道-排氣歧管-排氣總管-渦輪（1）流經(jīng)排氣門處的節(jié)流損失，占總損失的60%70%（2）流經(jīng)各種縮口處的節(jié)流損失（3）管道面積突擴時的流動損失（4）不同參數(shù)氣流摻混和撞擊形成的損失（5）其他的粘性而形成的摩擦損失（6）氣流向外界散熱所形成的能量損失Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 在恒壓系統(tǒng)中排氣管中維持著恒定的壓力pT。在排氣閥剛打開時，壓力pb遠高于pT。隨著氣體自氣缸中

8、排出，氣缸中的壓力不斷下降。在氣缸壓力下降至pT以前，氣流通過排氣閥將產(chǎn)生強烈的節(jié)流作用。這就是可用能量損失的主要原因。在圖4-3上用TS圖對此作了說明（比較A點和點A的作功能力）節(jié)流損失在大降低，大量的動能通過氣體分子相互撞擊、摩擦和形成渦流而損失。a) 恒壓系統(tǒng) b) 變壓系統(tǒng) 圖4-3關(guān)于排氣閥處節(jié)流損失的說明TSSTAAB(Pb,Tb)BBAAP0P0a)b)B(Pb,Tb)P=constVT=constPt=VarWuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 此外，還包括流入排氣總管時，所產(chǎn)生的不可逆膨脹損失。在亞臨界階段（包括排氣沖程活塞

9、推出廢氣的階段），主要表現(xiàn)也為動能損失，亦即流出排氣閥時的摩擦損失。超臨界階段的節(jié)流損失是所有損失中的最主要部分，亞臨界流動時的動能損失數(shù)值不大。此外還有氣體在管道中的摩擦損失和通過排氣管壁的散熱損失，但是它們在數(shù)量上更是屬于次要方面。 由于損失而產(chǎn)生熱量，將用來加熱氣體。這樣渦輪前的燃氣溫度將較等熵膨脹后e點的溫度為高，以e點表示（圖4-3）。這樣渦輪功的面積將增加一個eeff，這就是損失5be中的復(fù)熱回收部分。不過它僅是損失中的一小部分而已，今恒壓系統(tǒng)中可用能量的損失為ebWK面積5Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 根據(jù)能量平衡 為渦

10、輪前廢氣溫升，qmT為燃氣流量。因此，渦輪作功能力的增加值為 面積eeff = 面積eeff=復(fù)熱回收部分占損失能量5be的比例為 由上式可知，在恒壓系統(tǒng)中，能量回收率隨膨脹比的增加而增大。實際上，E1本身還隨膨脹比的增大而減小，即回收更多 1mTpEqcTT1E101kkmTpTqcTpp10111kkTpEpE Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 在實際情況下，渦輪實際所作之功將等于面積igef乘以渦輪機有效效率T，而壓氣消耗的功卻是面積iga0除以壓氣機效率K。因此在增壓壓力pk較低，而渦輪增壓器的綜合效率TKM又不很高時，恒壓系統(tǒng)就

11、較難實現(xiàn)NK=NT的功率平衡要求。究其原因，就是在于面積b5e那塊能量沒有很好地加以利用。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 4.3 脈沖增壓系統(tǒng)廢氣能量的利用 設(shè)計變壓系統(tǒng)的目的，就是在于盡量改善面積b5e那部分能量的利用情況。圖4-4b上對變壓系統(tǒng)中節(jié)流損失的情況作了示意性說明。為清楚起見，可用圖4-5變壓系統(tǒng)中壓力變化的示意圖結(jié)合起來討論。 Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 圖4-5 排氣脈沖波a) 排氣管容積??；b) 排氣管容積大0a) b) 0排氣門開掃氣 掃氣 排氣門開排氣

12、門關(guān)排氣門關(guān)pTpbpTpbpWuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 圖4-5a表示排氣管容積相當(dāng)小的情況。當(dāng)排氣閥開啟后，隨著氣體流出，氣缸中壓力p從pb很快下降。開始是超臨界流動，但由于變壓系統(tǒng)排氣管容積小，因此排氣管中的壓力pT也迅速提高，此后隨著燃氣流出渦輪，氣缸壓力p和排氣管壓力將一起下降。從圖可以看到，在排氣最初階段，因為p和pT的壓差也很大，因此節(jié)流損失就很快減少；同時由于排氣管截面較細，排氣管中氣流速度也較高，因而部分氣流的動能也可以在渦輪中加以利用，這樣一來，就使渦輪機的擁有能量增加，增壓壓力p得以提高。反之如果排氣管容積做得

13、大一些，這時排氣管中壓力pT的建立就慢一些，pT的數(shù)值也小一些，從而節(jié)流損失就大一些，可以達到的增壓壓力也就低一些。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) l 從以上分析中可以看到，變壓系統(tǒng)比恒壓系統(tǒng)可以較好的利用柴油機的廢氣能量。排氣管容積較小，廢氣能量利用也就較好。一般當(dāng)排氣系統(tǒng)正確系統(tǒng)正確設(shè)計時，在恒壓系統(tǒng)中損失的可用能量5be中大約有4050可以在變壓系統(tǒng)中獲得利用，因此渦輪的擁有能量就大，建立的pk就可高。反之，如果要求同樣的pk，那么在變壓系統(tǒng)就可以放大噴嘴環(huán)的截面積，使排氣管排空更快，從而減少活塞推出廢氣所作之功，使充量更換正功更

14、大，改善柴油機機械效率，使柴油機比油耗ge進一步下降。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 4.4 恒壓系統(tǒng)及脈沖系統(tǒng)的比較l恒壓系統(tǒng)及脈沖系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較如下所述1 由于脈沖系統(tǒng)部分利用了廢氣的脈沖能量，所以系統(tǒng)的可用能量比恒壓系統(tǒng)大。如果按脈沖能量E1的50得到利用進行計算，則脈沖系統(tǒng)可用能與恒壓系統(tǒng)可用能之比為212125 . 015 . 0EEEEEKE2125 . 0EEEKEWuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 顯然，KE表示脈沖能量利用的程度，當(dāng)廢氣溫度tT=350時，系數(shù)KE

15、與增壓壓力pk的關(guān)系如圖4-5所示。由圖可知，從增加可利用能量的角度看，在低增壓時，壓比低于1.5時，采用脈沖系數(shù)效果比較顯著：當(dāng)壓比大于2.5時，0.5E1E2的比值較小，采用脈沖增壓的優(yōu)點就不明顯了 。圖4-5 系數(shù)KE與p0的關(guān)系pk/p06KE0.5=1+0.5E1E2KE3.53.02.51.52.01.012345Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 2 脈沖增壓系統(tǒng)對氣缸中掃氣有明顯的好處由圖4-6a可以看出，在柴油機掃氣期間，脈沖系統(tǒng)的pt正處于波谷，因此即使在低增壓和高增壓的部分負荷工況，仍能保持足夠的掃氣壓力差pkpT，保

16、證氣缸內(nèi)良好的掃氣，而在恒壓系統(tǒng)中，由于pT波動小，掃氣壓力差就大為減小(比較圖4-6中兩系統(tǒng)的陰影區(qū))，所以不容易保證氣缸的掃氣 Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 缸排氣始點缸排氣始點缸進氣過程掃氣壓差app下止點掃氣上止點bp1pTpTPK六缸四沖程增壓柴油機發(fā)火順序 1-5-3-6-2-4渦輪增壓器1 2 3 4 5 6P1PTP1PT3 421p1pTpTPK1缸排氣始點缸進氣過程5 6圖4-6 渦輪增壓柴油機的排氣管連接和壓力曲線a) 恒壓系統(tǒng)；b)脈沖系統(tǒng)Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技

17、術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 3 在脈沖系統(tǒng)中由于排氣管容積較小，當(dāng)柴油機負荷改變時，排氣的壓力波立刻發(fā)生變化，并迅速傳遞到渦輪機，引起增壓器轉(zhuǎn)速較快地變動，所以脈沖系統(tǒng)的加速性能較好。此外，在柴油機轉(zhuǎn)速降低時，脈沖系統(tǒng)可用能與恒壓系統(tǒng)可用能之比增大，有利于柴油機的扭矩特性。在排氣管容積較大的恒壓環(huán)境中，渦輪前壓力變化比較緩慢，加速性就比較差，特別在低增壓時排氣能量的利用程度差，加速性能就更差。恒壓系統(tǒng)的扭矩特性顯然也不如脈沖系統(tǒng)Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 4 從廢氣渦輪的效率來看，脈沖系統(tǒng)的渦輪平均絕熱效率比恒壓系統(tǒng)的略低。這是因為在柴油機開

18、始排氣時，廢氣以很高的流速進入渦輪。流動損失很大，特別是，渦輪前的廢氣壓力和溫度都是周期性地變化著，進入工作輪葉片的廢氣方向也周期性地改變，而工作輪葉片的安裝角都居固定的，所以氣流和葉片不斷發(fā)生沖擊和氣流分離，造成比較大的撞擊損失。此外，在有些情況下，渦輪機還存在著部分進氣損失。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 5 脈沖系統(tǒng)的廢氣瞬時流量也是周期性變化的，其瞬時最大流量比恒壓系統(tǒng)的流量(相當(dāng)于脈沖系統(tǒng)的平均流量)大因此，脈沖渦輪的尺寸較大，其排氣管的結(jié)構(gòu)也復(fù)雜，受每根排氣管連接氣缸數(shù)目的限制，在一臺柴油機上有時不得不采用幾個廢氣渦輪增壓器

19、，這就使得整個增壓系統(tǒng)變得復(fù)雜，柴油機的輪廓尺寸加大。 Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) l 綜上所述，在低增壓時，采用脈沖渦輪增壓較為有利，而在高增壓時，則宜采用恒壓渦輪增壓。然而，考慮到車用柴油機大部分時間在部分負荷(此時增壓壓力較低)下工作，對其扭矩特性、加速性能要求比較高，所以即使是在高增壓的車用柴油機上仍常采用脈沖增壓系統(tǒng)。 Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 脈沖增壓優(yōu)點：1.排氣能量利用系數(shù)高，低工況性能好。2.掃氣易于組織，對二沖程更有利。3.加速性能好。Wuhan U

20、niversity of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 脈沖增壓缺點：1.在兩缸一歧管時，排氣管抽空。在增壓壓力高時，當(dāng)排氣門剛開啟時節(jié)流損失大，使渦輪鼓風(fēng)損失大，效率降低2.當(dāng)排氣管太長時，反射壓力波對掃氣會產(chǎn)生干擾。3.同功率柴油機，渦輪通流面積較定壓系統(tǒng)的大，常常需要大一型號的渦輪增壓器來配機，成本較高。4.缸數(shù)較多時，為了利用壓力波谷進行燃燒室掃氣，排氣管要分支，從而使排氣管結(jié)構(gòu)較復(fù)雜Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 恒壓增壓優(yōu)點：1.可采用渦輪全進氣，壓力波動小，渦輪效率高。2.多缸時，排氣管結(jié)構(gòu)簡單3.渦輪

21、增壓器布置較自由4.不會由于壓力波的干擾而使柴油機的轉(zhuǎn)速上限受到限止。5.對低增壓相同功率的柴油機而言，渦輪通流面積較脈沖的小，可用小一型號渦輪增壓器Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 脈沖增壓缺點：1.加速性能差，低負荷性能差。2.掃氣空氣量較脈沖的少。3.部分負荷時，有時掃氣倒流，弄污進氣系統(tǒng)及增壓器。4.在低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩時，增壓壓力下降較大5.在缸數(shù)少時，顯得排氣管容積過大。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 4.4 影響脈沖能量利用的因素l 脈沖能量的利用主要取決于排氣管中壓力波

22、形的合理組織。這與氣缸內(nèi)的壓力，排氣歧管的粗細、長短以及噴嘴環(huán)喉部面積大小等均有密切的關(guān)系。l 要求：1）排氣門打開后，排氣歧管內(nèi)的壓力應(yīng)盡快建立起來，以減少流動損失。2）排氣自排氣門流出應(yīng)迅速，阻力盡可能小。3）柴油機掃氣過程中，排氣管中的壓力要盡可能低，以利于掃氣進行。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 4.4.1 排氣門開啟定時當(dāng)排氣門開啟較早時， 較大，缸內(nèi)壓力高，排氣管壓力盡力得快，標(biāo)志著渦輪進口焓值高，渦輪作功能力大。但過早的打開排氣門，也將使缸內(nèi)的燃氣在膨脹行程對活塞所做的功減少，無助于整機功率的提高和經(jīng)濟性的改善。0/ ppcppWuhan University of Technology內(nèi)燃機增壓技術(shù)內(nèi)燃機增壓技術(shù) 4.4.2 排氣門通流面積0max/( /60)eversfcV nmaxvef流量系數(shù)，一般在0.750.80排氣門最大有效通流截面積排氣門開啟時的氣流聲速一個氣缸工作容積發(fā)動機轉(zhuǎn)速ercsVn 當(dāng)排氣門流通面積增大，即排空率高，排氣自排氣門排出不僅阻力小，而且排出迅速，在排氣歧管中能很快建立起較高的壓力，有利于脈沖增壓。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機