第6章 排气能量的利用-2014
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（2）脉冲涡轮增压系统特点 涡轮前燃气的压力pT脉动
理想过程 Ⅰ—Vpip/Vs较小时 Ⅱ—V Vpip/Vs较大时 实际过程
(五)定压系统和脉冲系统
损失脉冲 能量
涡轮前压力 环境压力
上止点
下止点
(五)定压系统和脉冲系统
脉冲增压的优缺点： 有效利用脉冲能量； 有利于发动机扫气 增压比升高后效果减小 对叶片强度不利 结构复杂，布置困难 从柴油机的性能角度分析影响： 低速扭矩？ 燃油经济性？ 扫气质量？热负荷？ 可靠性？ 增 增压器效率？ 效率
脉冲转换器
FM=(0.5~0.7)∑FR
FD=(0.56~0.80)FR
脉冲转换器结构简图
各缸排气通过较长的支管与脉冲转换器相连接 脉冲转 各缸排气通过较长的支管与脉冲转换器相连接，脉冲转 换器再和涡轮进口连接。
3 5 模件式脉冲转换器MPC系统 3.5 MPC增压系统是由法国热机研究所提出的，已成功地 应用在PC、PA系列柴油机上。 MPC系统实际上是多脉冲系统的发展，目的在于兼顾 多脉冲系统和定压系统的优点而克服多脉冲变换系统中存 在的压力波的反射以及定压系统中燃气动能损失的缺点。
MPC系统的工作原理是： 当气缸排气门打开后，废气流入引射器，在其中被加 速，以较高的气流速度流向总管，压力明显下降，减少了 管中的压力波动 总管中的压力波动。 引射器本体的容积非常小，喷嘴对排气总管与引射器 本体之间起了动力隔离作用 本体之间起了动力隔离作用，一方面使气缸排气初期的脉 方面使气缸排气初期的脉 冲压力不会直接传到排气总管，干扰其他缸的扫气；另一 方面，可使引射器内的压力能迅速跟上气缸内压力的变化， 减少气流在排气门处的节流损失。 减少气流在排气门处的节流损失 MPC系统的能量传递效率与脉冲系统的相当。
(四)不同增压形式对排气可用能的利用
(五)定压系统和脉冲系统
定压涡轮增压
脉冲涡轮增压
两者的结构区别是什么？ 注意脉冲涡轮排气管的联接！
(五)定压系统和脉冲系统
（1）定压涡轮增压系统特点 涡轮前的燃气压力pT基本上保持一定。
柴油机的各缸排气都接到一根容积足够大，能起稳定 压力作用的排气总管上，然后和涡轮进口相连接，涡轮是 单进气口的。
由于一般四冲程柴油机排气门开启持续时间约 由于 般四冲程柴油机排气门开启持续时间约240℃A ~
280℃A，二冲程柴油机约120℃A。因此，一根排气管所连接
的气缸数目一般≤3，同时这3缸的排气相位必须相互均匀错 开。
6缸柴油机排气压力波示意图
(a) 6缸共一根排气管 (b)3缸共一根排气管
3.4
(五)定压系统和脉冲系统
（2）脉冲涡轮增压系统特点 涡轮前的燃气压力pT为脉动状态
把柴油机各缸的排气支管做得短而细，通常是2～3缸 连接 根排气管，每 根排气管均和涡轮 个进气口相连 连接一根排气管，每一根排气管均和涡轮一个进气口相连 接，整个排气管系的容积较小，排气管内的压力波动大。
wk.baidu.com五)定压系统和脉冲系统
kr 1 kr
] ( p p0' )dV
Vb
Va
Wg相当于示功图面积bf1a3b所表示的功。 所表示的功
2. 活塞推挤排气的能量WL WL=(p ( s－p0′)(V )( a－V3) WL相当于示功图面积a123a所表示的功。
3. 扫气过量空气的可用能Ws
1 p0' kk k Ws (s 1) RTs [1 ( ) ] k 1 ps
Ws相当于示功图面积32j3′3所表示的功。 所表示的功
(三) 能量传递效率ηE和涡轮进口排气可用能WT
排气的能量传递效率ηE定义为涡轮进口排气可用能 WT与排气最大可用能Wz之比，即：
WT WT E Wz Wg WL Ws
ηE的高低标志能量在排气系统传递过程中流动损失 的大小。ηE是 是一个统观的平均数量。 个统观的平均数量。 排气可用能约占排气最大可用能的60%~70%。
定压增压的优缺点： 定 增 的优缺点 涡轮效率较高； 结构简单，布置方便
选型原则 高增压时选定压式 低增压时选脉冲式 选型原则：高增压时选定压式，低增压时选脉冲式
(六)排气管结构布置
排气管分支 目的：在多缸机中，应避免相邻气缸排气的互相干扰，需 要对排气管进行分支。 要对排气管进行分支 原则：一根排气管所连各缸的排气相位必须互不重叠，或 者重叠很小。
四冲程内燃机的排气最大可用能Wz包括三部分： 冲 内燃机的排气最大 能 括 1. 燃气的可用能Wg：燃气由排气门(口)开启始点 压力等熵膨胀到涡轮出口背压所作之功； 压力等熵膨胀到涡轮出口背压所作之功 2 活塞推出功WL：活塞推挤排气所作之功； 2. 活塞推挤排气所作之功 3. 扫气过量空气的可用能 Ws ：扫气过量空气自 扫气压力等熵膨胀至涡轮出口背压所作之功。 扫气压力等熵膨胀至涡轮出口背压所作之功 注意 排气的组成 燃烧后的气体，扫气气体 注意：排气的组成：燃烧后的气体
MPC系统结构是一种串接 式排气管系统 每个气缸在其出 式排气管系统，每个气缸在其出 口处接一个模件（如图所示）。 各个气缸的MPC模件彼此 相连 其圆柱部分就组成了排气 相连，其圆柱部分就组成了排气 总管。一端封闭，另一端通向涡 轮进口 向涡轮定压供气 轮进口，向涡轮定压供气。 MPC模件 与相应的气缸排气口连接是 MPC的引射器，以角度θ与圆 柱部分相交。 MPC增压系统
排气压力波形态的影响因素：
1. 排气门开启定时； 2. 排气门流通面积； 3. 排气门开启规律； 4. 排气管流通面积； 5 排气管长度； 5. 排气管长度 6 涡轮喷嘴环流通面积； 6.
传递效率的计算
ηE 或WT的大小代表了从内燃机排气门至涡轮这一段 排气系统设计的良好程度。
E
WT WT Wz Wg WL Ws
如果能确定涡轮入口排气能WT，则可按式求得ηE。
传递效率的计算
涡轮入口排气能WT的确定 对于定压涡轮增压系统：
W WT E T Wz Wg WL Ws
朱P28
对于脉冲涡轮增压系统： 必须有涡轮前压力波pT=f(φ)和温度波TT=f(φ)曲线， 再按上式积分计算得出。 再按上式积分计算得出 一般可用试验方法测录压力波和温度波曲线，或用 般可用试验方法测录压力波和温度波曲线，或用 数学模拟计算得到。
排气最大 用能主要损失为 排气最大可用能主要损失为： ∆Ev： 排气门处节流损失； ∆ED：管道面积突扩时的流动损失； ∆EC：管道面积突缩时的流动损失； ∆EF： 摩擦损失； ∆Eh： 散热损失； ∆EM：不同参数气流掺混和撞击而产生的损失 不 参数气流掺 撞击 产生的损失 总能量损失为： ∆E=∆Ev+∆ED + ∆Ec + ∆EF + ∆Eh+ ∆EM
自由排气阶段排气口气流损失
扫气在排气口的气流损失
排气门开 进气门开
排气门关
自由排气阶段： 自由排气阶段 节流损失ΔEv很大，ηE将 最低； 强制排气阶段： 排气门开启较大 主要是 排气门开启较大，主要是 燃气流动的摩擦损失ΔEF 和局部阻力损失ΔEC+ΔED， 其值较小，ηE较高。
综合可知： 综合可知 节流损失ΔEv是能量传递 传 中的主要损失； 约占总损失的60％～70％。 减小节流损失ΔEv方法： 1）增大气门流通面积； 2）快速开启； 3）排气管细而短； 为什么？？？
1 p0' kk k Ws RTs [1 ( ) ](s 1)mrg k 1 ps
(二)
二冲程内燃机排气的最大可用能Wz
二冲程内燃机排气的最大 可用能如图 6 － 36 所示。它与 四冲程内燃机不同之处在于扫 气过程的能量Ws几乎占排气最 大可用能Wz的一半，而活塞对 排气所作之功WL却很小。 却很小
1. 燃气的可用能Wg 气缸内每循环燃气mrg从排气始点(点b)状态等熵膨胀至 涡轮出口背压p0(点f)所具有的可用能量Wg，相应于图上面 积bf1b所表示的功，即
Wg mrg [ pdV p0' (V f Vb )]
b
f
p0' (V f Vb ) RrTb [(
p0' pb
排气最大可用能Wz包括三部分能量，即 Wz=Wg+WL+Ws Wz相当于示功图面积bfj3′3b所表示的功。
1. . 燃气的可用能Wg 气缸内每循环燃气mrg g自排气始点(点b)状态等熵膨胀至 涡轮出口背压p0′(点f)所拥有的可用能：
p0' kr 1 Wg RrTb [ ( ) kr 1 kr 1 pb
)
kr 1 kr
(
p0' pb
)]
2. 活塞推挤排气的能量WL 活塞推挤排气所作之功WL ，相当于图上面积5124所 表 的功 表示的功，即 WL=(p (pT－p0′) )Vs
3. 扫气过量空气的可用能Ws 扫气过量空气的质量为(φs－1)mrg，自扫气空气压力ps等熵 膨胀至涡轮出口背压 p0′ 所作的功 ( 相应于图上对应面积 32gh3) 为:
MPC系统中对性能影响较大的主要结构参数为： ① 引射器的有效截面积F2及其形状 引射器喷嘴出口截面积F 引射器喷嘴出 截面积 2和进 和进口截面积F 截面积 1之比(即 之比(即F2/ /F1) 称为收缩系数f。一般可选取f=0.4~0.8。 ② 总管内径d 总管内径 d 比定压增压系统的要小，其目的是为了保存速度能。 ③ 引射器与总管的交角θ 一般θ角在30°左右，较小的θ角，可对其上游的气 般θ角在30°左右 较小的θ角 可对其上游的气 体起到较好的引射作用，有利于上游气缸的扫气。但θ角 过小，将引起引射器流道加长，甚至引起气流产生分离→ 流动损失↑。 流动损失↑
为什么排气管要设计的细而短？
目 的：
Ⅰ--Vpip较小； Ⅱ--Vpip较大
控制排气压力波形态； 减少排气能量损失。
排气能量利用好坏与排气压力波的形态密切相关：
理想的压力波 般应具备如下形态 理想的压力波一般应具备如下形态： ① 排气管内压力在气缸开始排气时应迅速上升，以减 排气管内压力在气缸开始排气时应迅速上升 以减 少排气门处的节流损失； ② 在强制排气行程，活塞上行推挤燃气时，排气管压 力应迅速降低，以减小泵气损失； ③ 在进、排气门重叠期内，排气压力波应出现波谷， 增大进、 排气之间的压差，以利清扫缸内残余燃气。
第六章
6 1 6.1
内燃机的排气能量的利用
排气可用能
30%
排气 热量
冷却散热 及其他
有用功
排气门打开时，缸内排气无损失地 排气最大可用能： 流到涡轮出口背压(背压即涡轮出 口的环境压力)所具有的作功能力。
排气过程
(一) ( ) 四冲程内燃机的排气最大可用能Wz
涡轮增压四冲 程柴油机的 程柴油机的理 想示功图
理想过程 Ⅰ—Vpip/Vs较小时 Ⅱ—V Vpip/Vs较大时 实际过程
(五)定压系统和脉冲系统
损失脉冲 能量
涡轮前压力 环境压力
上止点
下止点
(五)定压系统和脉冲系统
脉冲增压的优缺点： 有效利用脉冲能量； 有利于发动机扫气 增压比升高后效果减小 对叶片强度不利 结构复杂，布置困难 从柴油机的性能角度分析影响： 低速扭矩？ 燃油经济性？ 扫气质量？热负荷？ 可靠性？ 增 增压器效率？ 效率
脉冲转换器
FM=(0.5~0.7)∑FR
FD=(0.56~0.80)FR
脉冲转换器结构简图
各缸排气通过较长的支管与脉冲转换器相连接 脉冲转 各缸排气通过较长的支管与脉冲转换器相连接，脉冲转 换器再和涡轮进口连接。
3 5 模件式脉冲转换器MPC系统 3.5 MPC增压系统是由法国热机研究所提出的，已成功地 应用在PC、PA系列柴油机上。 MPC系统实际上是多脉冲系统的发展，目的在于兼顾 多脉冲系统和定压系统的优点而克服多脉冲变换系统中存 在的压力波的反射以及定压系统中燃气动能损失的缺点。
MPC系统的工作原理是： 当气缸排气门打开后，废气流入引射器，在其中被加 速，以较高的气流速度流向总管，压力明显下降，减少了 管中的压力波动 总管中的压力波动。 引射器本体的容积非常小，喷嘴对排气总管与引射器 本体之间起了动力隔离作用 本体之间起了动力隔离作用，一方面使气缸排气初期的脉 方面使气缸排气初期的脉 冲压力不会直接传到排气总管，干扰其他缸的扫气；另一 方面，可使引射器内的压力能迅速跟上气缸内压力的变化， 减少气流在排气门处的节流损失。 减少气流在排气门处的节流损失 MPC系统的能量传递效率与脉冲系统的相当。
(四)不同增压形式对排气可用能的利用
(五)定压系统和脉冲系统
定压涡轮增压
脉冲涡轮增压
两者的结构区别是什么？ 注意脉冲涡轮排气管的联接！
(五)定压系统和脉冲系统
（1）定压涡轮增压系统特点 涡轮前的燃气压力pT基本上保持一定。
柴油机的各缸排气都接到一根容积足够大，能起稳定 压力作用的排气总管上，然后和涡轮进口相连接，涡轮是 单进气口的。
由于一般四冲程柴油机排气门开启持续时间约 由于 般四冲程柴油机排气门开启持续时间约240℃A ~
280℃A，二冲程柴油机约120℃A。因此，一根排气管所连接
的气缸数目一般≤3，同时这3缸的排气相位必须相互均匀错 开。
6缸柴油机排气压力波示意图
(a) 6缸共一根排气管 (b)3缸共一根排气管
3.4
(五)定压系统和脉冲系统
（2）脉冲涡轮增压系统特点 涡轮前的燃气压力pT为脉动状态
把柴油机各缸的排气支管做得短而细，通常是2～3缸 连接 根排气管，每 根排气管均和涡轮 个进气口相连 连接一根排气管，每一根排气管均和涡轮一个进气口相连 接，整个排气管系的容积较小，排气管内的压力波动大。
wk.baidu.com五)定压系统和脉冲系统
kr 1 kr
] ( p p0' )dV
Vb
Va
Wg相当于示功图面积bf1a3b所表示的功。 所表示的功
2. 活塞推挤排气的能量WL WL=(p ( s－p0′)(V )( a－V3) WL相当于示功图面积a123a所表示的功。
3. 扫气过量空气的可用能Ws
1 p0' kk k Ws (s 1) RTs [1 ( ) ] k 1 ps
Ws相当于示功图面积32j3′3所表示的功。 所表示的功
(三) 能量传递效率ηE和涡轮进口排气可用能WT
排气的能量传递效率ηE定义为涡轮进口排气可用能 WT与排气最大可用能Wz之比，即：
WT WT E Wz Wg WL Ws
ηE的高低标志能量在排气系统传递过程中流动损失 的大小。ηE是 是一个统观的平均数量。 个统观的平均数量。 排气可用能约占排气最大可用能的60%~70%。
定压增压的优缺点： 定 增 的优缺点 涡轮效率较高； 结构简单，布置方便
选型原则 高增压时选定压式 低增压时选脉冲式 选型原则：高增压时选定压式，低增压时选脉冲式
(六)排气管结构布置
排气管分支 目的：在多缸机中，应避免相邻气缸排气的互相干扰，需 要对排气管进行分支。 要对排气管进行分支 原则：一根排气管所连各缸的排气相位必须互不重叠，或 者重叠很小。
四冲程内燃机的排气最大可用能Wz包括三部分： 冲 内燃机的排气最大 能 括 1. 燃气的可用能Wg：燃气由排气门(口)开启始点 压力等熵膨胀到涡轮出口背压所作之功； 压力等熵膨胀到涡轮出口背压所作之功 2 活塞推出功WL：活塞推挤排气所作之功； 2. 活塞推挤排气所作之功 3. 扫气过量空气的可用能 Ws ：扫气过量空气自 扫气压力等熵膨胀至涡轮出口背压所作之功。 扫气压力等熵膨胀至涡轮出口背压所作之功 注意 排气的组成 燃烧后的气体，扫气气体 注意：排气的组成：燃烧后的气体
MPC系统结构是一种串接 式排气管系统 每个气缸在其出 式排气管系统，每个气缸在其出 口处接一个模件（如图所示）。 各个气缸的MPC模件彼此 相连 其圆柱部分就组成了排气 相连，其圆柱部分就组成了排气 总管。一端封闭，另一端通向涡 轮进口 向涡轮定压供气 轮进口，向涡轮定压供气。 MPC模件 与相应的气缸排气口连接是 MPC的引射器，以角度θ与圆 柱部分相交。 MPC增压系统
排气压力波形态的影响因素：
1. 排气门开启定时； 2. 排气门流通面积； 3. 排气门开启规律； 4. 排气管流通面积； 5 排气管长度； 5. 排气管长度 6 涡轮喷嘴环流通面积； 6.
传递效率的计算
ηE 或WT的大小代表了从内燃机排气门至涡轮这一段 排气系统设计的良好程度。
E
WT WT Wz Wg WL Ws
如果能确定涡轮入口排气能WT，则可按式求得ηE。
传递效率的计算
涡轮入口排气能WT的确定 对于定压涡轮增压系统：
W WT E T Wz Wg WL Ws
朱P28
对于脉冲涡轮增压系统： 必须有涡轮前压力波pT=f(φ)和温度波TT=f(φ)曲线， 再按上式积分计算得出。 再按上式积分计算得出 一般可用试验方法测录压力波和温度波曲线，或用 般可用试验方法测录压力波和温度波曲线，或用 数学模拟计算得到。
排气最大 用能主要损失为 排气最大可用能主要损失为： ∆Ev： 排气门处节流损失； ∆ED：管道面积突扩时的流动损失； ∆EC：管道面积突缩时的流动损失； ∆EF： 摩擦损失； ∆Eh： 散热损失； ∆EM：不同参数气流掺混和撞击而产生的损失 不 参数气流掺 撞击 产生的损失 总能量损失为： ∆E=∆Ev+∆ED + ∆Ec + ∆EF + ∆Eh+ ∆EM
自由排气阶段排气口气流损失
扫气在排气口的气流损失
排气门开 进气门开
排气门关
自由排气阶段： 自由排气阶段 节流损失ΔEv很大，ηE将 最低； 强制排气阶段： 排气门开启较大 主要是 排气门开启较大，主要是 燃气流动的摩擦损失ΔEF 和局部阻力损失ΔEC+ΔED， 其值较小，ηE较高。
综合可知： 综合可知 节流损失ΔEv是能量传递 传 中的主要损失； 约占总损失的60％～70％。 减小节流损失ΔEv方法： 1）增大气门流通面积； 2）快速开启； 3）排气管细而短； 为什么？？？
1 p0' kk k Ws RTs [1 ( ) ](s 1)mrg k 1 ps
(二)
二冲程内燃机排气的最大可用能Wz
二冲程内燃机排气的最大 可用能如图 6 － 36 所示。它与 四冲程内燃机不同之处在于扫 气过程的能量Ws几乎占排气最 大可用能Wz的一半，而活塞对 排气所作之功WL却很小。 却很小
1. 燃气的可用能Wg 气缸内每循环燃气mrg从排气始点(点b)状态等熵膨胀至 涡轮出口背压p0(点f)所具有的可用能量Wg，相应于图上面 积bf1b所表示的功，即
Wg mrg [ pdV p0' (V f Vb )]
b
f
p0' (V f Vb ) RrTb [(
p0' pb
排气最大可用能Wz包括三部分能量，即 Wz=Wg+WL+Ws Wz相当于示功图面积bfj3′3b所表示的功。
1. . 燃气的可用能Wg 气缸内每循环燃气mrg g自排气始点(点b)状态等熵膨胀至 涡轮出口背压p0′(点f)所拥有的可用能：
p0' kr 1 Wg RrTb [ ( ) kr 1 kr 1 pb
)
kr 1 kr
(
p0' pb
)]
2. 活塞推挤排气的能量WL 活塞推挤排气所作之功WL ，相当于图上面积5124所 表 的功 表示的功，即 WL=(p (pT－p0′) )Vs
3. 扫气过量空气的可用能Ws 扫气过量空气的质量为(φs－1)mrg，自扫气空气压力ps等熵 膨胀至涡轮出口背压 p0′ 所作的功 ( 相应于图上对应面积 32gh3) 为:
MPC系统中对性能影响较大的主要结构参数为： ① 引射器的有效截面积F2及其形状 引射器喷嘴出口截面积F 引射器喷嘴出 截面积 2和进 和进口截面积F 截面积 1之比(即 之比(即F2/ /F1) 称为收缩系数f。一般可选取f=0.4~0.8。 ② 总管内径d 总管内径 d 比定压增压系统的要小，其目的是为了保存速度能。 ③ 引射器与总管的交角θ 一般θ角在30°左右，较小的θ角，可对其上游的气 般θ角在30°左右 较小的θ角 可对其上游的气 体起到较好的引射作用，有利于上游气缸的扫气。但θ角 过小，将引起引射器流道加长，甚至引起气流产生分离→ 流动损失↑。 流动损失↑
为什么排气管要设计的细而短？
目 的：
Ⅰ--Vpip较小； Ⅱ--Vpip较大
控制排气压力波形态； 减少排气能量损失。
排气能量利用好坏与排气压力波的形态密切相关：
理想的压力波 般应具备如下形态 理想的压力波一般应具备如下形态： ① 排气管内压力在气缸开始排气时应迅速上升，以减 排气管内压力在气缸开始排气时应迅速上升 以减 少排气门处的节流损失； ② 在强制排气行程，活塞上行推挤燃气时，排气管压 力应迅速降低，以减小泵气损失； ③ 在进、排气门重叠期内，排气压力波应出现波谷， 增大进、 排气之间的压差，以利清扫缸内残余燃气。
第六章
6 1 6.1
内燃机的排气能量的利用
排气可用能
30%
排气 热量
冷却散热 及其他
有用功
排气门打开时，缸内排气无损失地 排气最大可用能： 流到涡轮出口背压(背压即涡轮出 口的环境压力)所具有的作功能力。
排气过程
(一) ( ) 四冲程内燃机的排气最大可用能Wz
涡轮增压四冲 程柴油机的 程柴油机的理 想示功图