第四章 废气能量的利用

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内燃机增压ຫໍສະໝຸດ Baidu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b －5－e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。
0 . 5 E 1 E 2
KE
6
图4-5 系数KE与p0的关系
KE tT=350 增 1.5 0.5E1 E2的 系数 系数KE与增压压 的
的 pk的关系 压 增压的
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图4-5 增压 压 2.5
图
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2
脉冲增压系统对气缸中扫气有明显的好处．由图46a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pk－pT，保证气缸内良好 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．
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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T－S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。
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这些能量是如何损失的？
气流----排气门---汽缸盖排气道---排气歧管---排气总管----涡轮
∆E = ∆EV + ∆EC + ∆ED + ∆EM + ∆E F + ∆Eh
（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
P z' z
C
b
g' g pk pT
3 4 5
a
e
e' f' V
p0
i
2 vc vs
1
0
f
vs(φs-1)
图4-2四冲程增压柴油机的理论示功图
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i－g′－a－0：压气机耗功 2－3－a－0 ：压缩进入柴油机气缸空气所需之能量 i－g′－3－2：压缩扫气空气所需之能量（φs为扫气系数） a－c－z′－b：柴油机气缸中的压缩、燃烧、膨胀过程 3－a－5－4 ：为充量更换正功，或柴油机泵吸正功 a－c－z′－b 和3－a－5－4 两块为柴油机指示功 b－1－f－b ：柴油机排气门打开时排气等熵膨胀到P0时所能做的功，Eb b－5－e－b：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 5－1－f－e：排气在涡轮中进一步膨胀所回收的能量，ET
p0 pT
'
k −1 k

面积e－e′－f－f′=复热回收部分占损失能量5－b－e的比 1 ' k− k 例为
∆E1
E
1
= 1−
p p
T
0
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
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4.2 恒压增压系统废气能量的利用
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4－2上。
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排 气 门 开 排 排 气 门 关 开 排 气 门 关 门 气
p
pT
pT
pb pb
a)
b)
4-5 a) b)
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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。
Eb = E1 + ET
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i－f′－e′－g－i：涡轮中排气的总能量，E2 （1）i－2－4－g ：扫气空气进入涡轮后具有的能量，E′s （2）2－1－5－4：活塞推出排气使排气增加的能量，Ec （3）5－1－f－e：排气在涡轮中进一步膨胀所回收的能量，ET （4）e－f－f′－e′ ：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
W K = 面积b－5－e
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根据能量平衡 E1 = qmT c p ∆T ∆T 为涡轮前废气温升，qmT为燃气流量。因此，涡轮 作功能力的增加值为 ∆E1 = 面积e－e′－f－f
= q c ∆T 1 − mT p
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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
排气管 排气管
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
进气管 a） 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)
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排气管
进气管
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， 但是由于集气箱起了稳压作用，因而在排气总管内的压力振荡 是较小的；
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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2－4－e －f表示。而面积i－g－4－2则为扫气空气在涡轮中所作的 功，因此恒压涡轮的总功i－g－e－f。 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i－g－4－2系扫气空气所给予；2.面 积2－4－5－1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1－5－e－f， 而废气拥有的可用能量为1－b－f，因此，在恒压系统中 面积5－b－e－5的可用能量是损失掉了。
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4.4 恒压系统及脉冲系统的比较
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
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排气管
进气管
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4－1b分别表示一发火次序为1－5－3－6－2 －4的六缸四冲程柴油机排气管分组。
E2 = Es + Ec + ET + Eq
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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p－V图上以三角形面积1－ b－f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大能量。
T B(Pb,Tb) B' T B(Pb,Tb)
=V ar
B'
Pt
A
A'
A
A'
a) 恒压系统
st P= co n
b) 变压系统
P'
0
P'
0
图4-3关于排气阀处节流损 失的说明
VT
=c on
st
a)
S
b)
S
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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e－e′－f－f′，这就是损失5－b－e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
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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5－b－e中大约有 40～50％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，改善柴油机机械效率，使柴油机 比油耗ge进一步下降。
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p
p1 a pT
扫气压差
PK
P T
pT
1
P 1
2
3 4
5
6
涡轮增压器
1缸排 气始点
缸排气始点 ° ° 缸进气过程
缸排气始点 缸进气过程 六缸四冲程增压柴油机发火顺序 1-5-3-6-2-4 ° °
P T
p
下 止 点
p1 pT
E2 + 0.5 E1 KE = E2
KE =
E2 + 0.5 E1 0.5 E1 =1+ Wuhan UniversityE 2 Technology of E2
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3 . 5 3 . 0 2 . 5 2 . 0 1 . 5 1 . 0 1 2 3 4 5
pk/p0
KE0.5 = 1 +
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在实际情况下，涡轮实际所作之功将等于 面积i－g－e′－f′乘以涡轮机有效效率ηT，而压 气消耗的功却是面积i－g′－a－0除以压气机效 率ηK。因此在增压压力pk较低，而涡轮增压器 的综合效率ηTηKηM又不很高时，恒压系统就较 难实现NK=NT的功率平衡要求。究其原因，就 是在于面积b－5－e那块能量没有很好地加以 利用。
扫气 上 止 点
b
pT PK
1
2
P 1
3
4
5
6
°
图4-6 涡轮增压柴油机的排气管连接和压力曲线 a) 恒压系统；b)脉冲系统
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