第四章_废气能量的利用介绍
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Wuhan University of Technology
内燃机增压技术
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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内燃机增压技术
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内燃机增压技术
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 EF Eh
（1）流经排气门处的节流损失，占总损失的60%—70%
P z' z
C
b
g' g
3 4 5
a
e
e' f' V
pk pT
p0
i
2 vc vs
1
0
f
vs(φ s-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）
（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
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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，
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
Pt
=V a
r
A
Hale Waihona Puke Baidu
A'
A
A'
a) 恒压系统
st P= co n
P'
0
b) 变压系统
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
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
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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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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。
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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。
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。
T B(Pb,Tb) B' T B(Pb,Tb) B'
（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
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。
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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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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 EF Eh
（1）流经排气门处的节流损失，占总损失的60%—70%
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e' f' V
pk pT
p0
i
2 vc vs
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vs(φ s-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）
（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
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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，
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
Pt
=V a
r
A
Hale Waihona Puke Baidu
A'
A
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a) 恒压系统
st P= co n
P'
0
b) 变压系统
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图 4-3 关于排气阀处节流损 失的说明
VT
=c on
st
a)
S
b)
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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
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
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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
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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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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。
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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。
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。
T B(Pb,Tb) B' T B(Pb,Tb) B'
（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
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。