491QE汽油机涡轮增压系统设计及模拟计算
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第5 2004
期< 总 年10
第153 月!
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车!用!发!动!机 VE HI CLE ENGI NE
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NO .5 <Seri al NO .153 ! !!!!Oct .2004
>
!设计与计算!
491 GE 汽油机涡轮增压系统设计及模拟计算
施 ! 新 !马 朝 臣 !王 ! 樵
图4 为 两 种 排 气 管 涡 轮 前 压 力 波 的 对 比9同 样 图中0 CA 为排气行程下止点O随着发动机转速的 增 加 9两 种 系 统 的 涡 轮 前 压 力 波 出 现 较 大 差 异 9脉 冲 转换系统的压力 波 幅 值 明 显 增 大9且 出 现 波 动O 这 使得排气初期的节 流 损 失 很 快 减 少9涡 轮 的 可 用 能 量增加;在气门重叠 期 出 现 的 涡 轮 前 低 压 可 以 形 成 良好的气缸扫气O
#."! 标 定 点 计 算 结 果 表3 列出4 600 r mi n 时 两 种 增 压 系 统 的 性 能
模拟计算结果 可以看出 脉冲转换增压系统在标 定点使发动机 P 提高 b 下降 高速时性能改进明 显 虽然由于涡轮前压力脉动 使脉冲转换增压系 统的涡轮效率要低一些 但其放走的废气多 说明脉 冲转换增压系统对废气的利用率要高一些
!!收稿日期"2004-03-15 ; 修回日期"2004-07-13 作者简介"施!新<1974 -> 9男9河南省洛阳市人9副教授9博士9主要从事内燃机增压技术的研究.
2004 年10 月!!!!!!!!!!!!!施!新 等 491 GE 汽油机涡轮增压系统设计及模拟计算!!!!!!!!9!!
图2 !带脉冲转换器的排气管内腔
#! 增 压 发 动 机 模 拟 计 算
为了考察增压系统的设计是否可满足设计目 标 并比较所设计的两种增压系统的性能 进行了 491 GE 增压发动机的模 拟 计 算 计 算 工 况 为 最 大 扭 矩点和标定点 #.!! 最 大 扭 矩 点 计 算 结 果
表2 为2 400 r mi n 时 两 种 增 压 系 统 的 性 能 模 拟计算结果 从表 中 可 看 出 在 2 400 r mi n 时 两 种增压系统的性能参数差别不大 但在相同压比情 况下 定压增压系统的放气阀关闭 而带脉冲转换器 的排气管的放气阀开启 放走了17 % 的废气 考虑 到两种增压系统选用的增压器相同 放气阀开启压 力也相同 显然带脉冲转换器的增压系统利用 废气
参考文献!
1 王延生9黄佑生. 车用发动机废气涡轮增压 M . 北京: 国防工业出版社91984 .
2 朱大鑫. 涡轮增压与涡轮增压器 M . 北京: 机械工业 出版社91992 .
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Desi gn and si mul ati on of tur bochargi ng syst e m f or 491 0 E gasoli ne Engi ne
表3 !4 600 r !mi n 时两种增压系统的模拟计算结果
增压 系统
功率 P kW
燃油消耗率 b
g k W h -1
涡轮 放气量
%
定压
101 .6
282 .8
42
系统
脉冲转
105 .4
279 .9
46
换系统
压气机 效率
涡轮 效率
0 .73 0 .65 0 .70 0 .60
!.!10!.!!!!!!!!!!!!!!!!!!!车!用!发!动!机!!!!!!!!!!!!!!!!2004 年第5 期
原机
91 86 74 4 600 185 2 400
262 .3
增压机型
91 86 100 4 600 250 2 400
255
!!对汽油机增压而言9一般采用放气阀调节的方 案9此时应以发动 机 最 大 扭 矩 点 作 为 增 压 器 的 设 计 点来确定增压参数; 由增压发动机的主要参数即可 进行压气机基本参数< 流量和压比> 的计算[1 ] o 压 气 机流量的计算公式为
".!! 定 压 排 气 管 在原发动机排气管的基础上 根据增压器的安
装要求 设计了定压排气管 其内腔的3D 图见图1
能量的能力强 图3 为两种排气管涡轮前压力波的 对比 图中0 CA 为排气行程下止点 由图3 可知 两种增压系统的涡轮前压力波形状基本相似 但脉 冲转换系统涡轮前压力波幅值较大 这一方面提高 了涡轮的做功能力 同时改善了发动机的扫气
欢迎订阅2005 年度《内燃机配件》杂志
< 内燃机配件> 系中国内燃机工业协会会刊9由协会与石家庄金刚内燃机零部件 集团有限公司共同主办 本刊以内燃机中的活塞 活塞环 活塞销 气缸套 气门和 轴瓦六大配件为主9是全国内燃机配件行业唯一一份专业技术刊物
本刊围绕六大配件的产品结构 材质 标准 质量 工艺 工装 设备 测试手段等 方面的先进技术和先进经验及国外引进技术资料9同时还增加了相关的政策信息和 行业报道
速o
压气机的基本参数确定后9则可进行压气机和
涡轮的热力计算9以确定压气机和涡轮的主要性能
参数o
"! 增 压 发 动 机 排 气 系 统 设 计
491 GE 汽油机 的 增 压 系 统 设 计 是 要 将 原 非 增 压机型改成增压机型9因此9在结构上受到原发动机 结构的很大限制9进行设计时首要考虑的是满足结 构上的要求o 本文设计了两种不同类型的排气管9 即定压排气管和脉冲转换排气管o
图4 ! 4 600 r mi n 时两种增压系统涡轮前压力波 !! !的对比
$! 结 论
根据发动机的安装要求设计了两种增压系统9 定压增压系统和脉冲转换增压系统的循环模拟计算 结果表明I
a )两种系统都能满足增压发动机的 设 计 要 求9 说明这两种增压系统的设计都是成功的;
b )相对于定压系统9脉冲转换系统能够更好地 利用发动机的废 气 能 量O 可 以 预 计9如 选 用 放 气 阀 开启压力不同于定 压 系 统 的 合 适 增 压 器9脉 冲 转 换 系统的优越性将得 到 发 挥9使 发 动 机 的 性 能 得 到 进 一步提高O
Abst ract : The t ur bOchar gi ng SySt e m f Or 491 GE gaSOli ne engi ne WaS undert aken i n Or der t O i mpr Ove t he engi ne* S perf Or mance .
Wit h t he r eCui r e ment f Or t he t ur bOchar ged engi ne 9t he par a met erS Of t he t ur bOchar ger WaS cO mput at ed . BaSed On t he engi ne 9 t WO exhauSt SySt e mS 9t he cOnSt ant pr eSSur e manif Ol d and t he pul Se cOnvert er manif Ol d 9 Wer e deSi nged . The Si mul ati On Of t he
读者对象为: 内燃机配件企业 内燃机主机企业和内燃机维修站的工程技术人 员和管理人员9也适合工科院校的师生 科研单位的技术人员阅读参考
< 内燃机 配 件> 为 双 月 刊9大 16 开 本948 页9国 内 统 一 刊 号 为 CN 13-1200/ TH 9 国际标准刊号I SSN 1006-9887 9每期定价为5 元9全年为36 元( 包含邮寄费>
Key wor ds : pul Se cOnvert er Байду номын сангаас gaSOli ne engi ne 3 exhauSt manif Ol d 3 Si mul ati ng cal cul ati On
编辑: 张玉花
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t ur bOchar ged gaSOli ne engi ne WaS carri ed Out and t he r eSultS ShO W t he pul Se cOnvert er SySt e m can utili e t he exhauSt ener gy bet-
t er t han t he cOnSt ant pr eSSur e SySt e m .
!! 增 压 参 数 的 确 定
491 GE 汽油机为直列4 缸水冷4 行程汽油机9增 压后的性能要求和原机型主要参数的对比见表1 o
表1 ! 491 GE 汽油机主要参数
参数
缸径d / mm 行程s / mm 标定功率P b / k W 标 定 转 速 b / r - mi n -1 最 大 扭 矩 TtC max / N - m 最 大 扭 矩 转 速 tC / r - mi n -1 最低燃油消耗率 b mi n / g - <k W- h > -1
图1 !定压排气管内腔
"."! 脉 冲 转 换 排 气 管 汽油机排气管内压力波动较大 为了尽可能地
利用发动机的废气能量 应采用脉冲增压系统 但由 于所选定的增压器涡轮进口为单通道 无法采用脉 冲增压系统 为此设计了脉冲转换排气管
脉冲转换系统的能量传递效率高于定压系统 在涡轮效率方面又优于脉冲系统 在实际使用中 由于受到发动机结构的限制 脉冲转换系统往往仅 保留喷嘴及混合管两部分 这样脉冲转换器就简化 为一个 Y 形管 使结构大为简化 2 根据增压器的 安装要求 设计了如图2 所示的脉冲转换排气管
S HI Xi n 9 MA ChaO-chen 9 WANG Gi aO
(SchOOl Of Mechani cal and Vehi cul ar Engi neeri ng 9 Bei i ng I nStit ut e Of TechnOl Ogy 9 Bei i ng !100081 9 Chi na >
表2 !2 400 r !mi n 时两种增压系统的模拟计算结果
增压 系统
燃油消耗率
功率
P kW g
b k W h -1
涡轮 放气量
%
定压
65 .4
257 .6
0
系统
脉冲转
66 .5
257 .8
17
换系统
压气机 效率
涡轮 效率
0 .73 0 .62 0 .74 0 .62
图3 ! 两种增压系统涡轮前压力波的对比 !!!!! 2 400 r mi n
!!20 世纪70 年代末9汽油机 增 压 技 术 取 得 突 破9 随即该技术在汽油机领域的应用有了突飞猛进的发 展; 特别是随着排放法规的日益严格9增压技术在降 低排放\ 增加功率\ 提高发动机功率密度及高原功率 恢复等方面发挥着非常重要的作用o 本文主要介绍 针对491 GE 汽油机进行增压系统开发的工作o
机多变效率9可选0 .76 ; Pa 为 经 空 气 滤 清 器 后 压 气
机进口处的空气密度; Pc 为 压 气 机 出 口 处 的 空 气 密
度9其计算公式为
!!!Pc =
Mc V
9
<3 >
c S : 60
式中9:为行程系数94 行程发动机: =2 ; c 为 发 动
机充量系数;V 为发动机总工作容积; 为发动机转
!!!!!! Mc
=
b
eP 3
l e a S 600
0
9
<1 >
式中9b e 为发动机有效燃油消耗 率; P e 为 发 动 机 有
效功率; a 为发动机过量空气系数; S 为发动机扫
气系数9l 0 为化学计量空燃比o
压气机压比的计算公式为
!!!! !c
=
<Pc
>1 1- x
9
<2 >
Pa
TpOl
式中9x= < -1 >/ 9 为气体定熵指数; TpOl 为压气
"北京理工大学机械与车辆工程学院!北京!100081 # !!摘要"为了提高491 GE 汽油机的性能!进行了增压系 统 的 开 发 工 作$通 过 计 算 确 定 了 增 压 参 数!并 在 原 发 动 机基础上设计了定压排气管和脉冲转换排气管两种增压系统$利 用 循 环 模 拟 程 序 计 算 了 491 GE 汽 油 机 增 压 以 后 的 性 能 $ 结 果 表 明 !脉 冲 转 换 系 统 在 发 动 机 废 气 能 量 的 利 用 方 面 优 于 定 压 系 统 $ 关键词"脉冲转换器; 汽油机; 排气管; 模拟计算 中图分类号"TK411 !!文献标识码"B !!文章编号"1001-2222 <2004 >05-0008-03
期< 总 年10
第153 月!
期> !!
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NO .5 <Seri al NO .153 ! !!!!Oct .2004
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!设计与计算!
491 GE 汽油机涡轮增压系统设计及模拟计算
施 ! 新 !马 朝 臣 !王 ! 樵
图4 为 两 种 排 气 管 涡 轮 前 压 力 波 的 对 比9同 样 图中0 CA 为排气行程下止点O随着发动机转速的 增 加 9两 种 系 统 的 涡 轮 前 压 力 波 出 现 较 大 差 异 9脉 冲 转换系统的压力 波 幅 值 明 显 增 大9且 出 现 波 动O 这 使得排气初期的节 流 损 失 很 快 减 少9涡 轮 的 可 用 能 量增加;在气门重叠 期 出 现 的 涡 轮 前 低 压 可 以 形 成 良好的气缸扫气O
#."! 标 定 点 计 算 结 果 表3 列出4 600 r mi n 时 两 种 增 压 系 统 的 性 能
模拟计算结果 可以看出 脉冲转换增压系统在标 定点使发动机 P 提高 b 下降 高速时性能改进明 显 虽然由于涡轮前压力脉动 使脉冲转换增压系 统的涡轮效率要低一些 但其放走的废气多 说明脉 冲转换增压系统对废气的利用率要高一些
!!收稿日期"2004-03-15 ; 修回日期"2004-07-13 作者简介"施!新<1974 -> 9男9河南省洛阳市人9副教授9博士9主要从事内燃机增压技术的研究.
2004 年10 月!!!!!!!!!!!!!施!新 等 491 GE 汽油机涡轮增压系统设计及模拟计算!!!!!!!!9!!
图2 !带脉冲转换器的排气管内腔
#! 增 压 发 动 机 模 拟 计 算
为了考察增压系统的设计是否可满足设计目 标 并比较所设计的两种增压系统的性能 进行了 491 GE 增压发动机的模 拟 计 算 计 算 工 况 为 最 大 扭 矩点和标定点 #.!! 最 大 扭 矩 点 计 算 结 果
表2 为2 400 r mi n 时 两 种 增 压 系 统 的 性 能 模 拟计算结果 从表 中 可 看 出 在 2 400 r mi n 时 两 种增压系统的性能参数差别不大 但在相同压比情 况下 定压增压系统的放气阀关闭 而带脉冲转换器 的排气管的放气阀开启 放走了17 % 的废气 考虑 到两种增压系统选用的增压器相同 放气阀开启压 力也相同 显然带脉冲转换器的增压系统利用 废气
参考文献!
1 王延生9黄佑生. 车用发动机废气涡轮增压 M . 北京: 国防工业出版社91984 .
2 朱大鑫. 涡轮增压与涡轮增压器 M . 北京: 机械工业 出版社91992 .
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Desi gn and si mul ati on of tur bochargi ng syst e m f or 491 0 E gasoli ne Engi ne
表3 !4 600 r !mi n 时两种增压系统的模拟计算结果
增压 系统
功率 P kW
燃油消耗率 b
g k W h -1
涡轮 放气量
%
定压
101 .6
282 .8
42
系统
脉冲转
105 .4
279 .9
46
换系统
压气机 效率
涡轮 效率
0 .73 0 .65 0 .70 0 .60
!.!10!.!!!!!!!!!!!!!!!!!!!车!用!发!动!机!!!!!!!!!!!!!!!!2004 年第5 期
原机
91 86 74 4 600 185 2 400
262 .3
增压机型
91 86 100 4 600 250 2 400
255
!!对汽油机增压而言9一般采用放气阀调节的方 案9此时应以发动 机 最 大 扭 矩 点 作 为 增 压 器 的 设 计 点来确定增压参数; 由增压发动机的主要参数即可 进行压气机基本参数< 流量和压比> 的计算[1 ] o 压 气 机流量的计算公式为
".!! 定 压 排 气 管 在原发动机排气管的基础上 根据增压器的安
装要求 设计了定压排气管 其内腔的3D 图见图1
能量的能力强 图3 为两种排气管涡轮前压力波的 对比 图中0 CA 为排气行程下止点 由图3 可知 两种增压系统的涡轮前压力波形状基本相似 但脉 冲转换系统涡轮前压力波幅值较大 这一方面提高 了涡轮的做功能力 同时改善了发动机的扫气
欢迎订阅2005 年度《内燃机配件》杂志
< 内燃机配件> 系中国内燃机工业协会会刊9由协会与石家庄金刚内燃机零部件 集团有限公司共同主办 本刊以内燃机中的活塞 活塞环 活塞销 气缸套 气门和 轴瓦六大配件为主9是全国内燃机配件行业唯一一份专业技术刊物
本刊围绕六大配件的产品结构 材质 标准 质量 工艺 工装 设备 测试手段等 方面的先进技术和先进经验及国外引进技术资料9同时还增加了相关的政策信息和 行业报道
速o
压气机的基本参数确定后9则可进行压气机和
涡轮的热力计算9以确定压气机和涡轮的主要性能
参数o
"! 增 压 发 动 机 排 气 系 统 设 计
491 GE 汽油机 的 增 压 系 统 设 计 是 要 将 原 非 增 压机型改成增压机型9因此9在结构上受到原发动机 结构的很大限制9进行设计时首要考虑的是满足结 构上的要求o 本文设计了两种不同类型的排气管9 即定压排气管和脉冲转换排气管o
图4 ! 4 600 r mi n 时两种增压系统涡轮前压力波 !! !的对比
$! 结 论
根据发动机的安装要求设计了两种增压系统9 定压增压系统和脉冲转换增压系统的循环模拟计算 结果表明I
a )两种系统都能满足增压发动机的 设 计 要 求9 说明这两种增压系统的设计都是成功的;
b )相对于定压系统9脉冲转换系统能够更好地 利用发动机的废 气 能 量O 可 以 预 计9如 选 用 放 气 阀 开启压力不同于定 压 系 统 的 合 适 增 压 器9脉 冲 转 换 系统的优越性将得 到 发 挥9使 发 动 机 的 性 能 得 到 进 一步提高O
Abst ract : The t ur bOchar gi ng SySt e m f Or 491 GE gaSOli ne engi ne WaS undert aken i n Or der t O i mpr Ove t he engi ne* S perf Or mance .
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读者对象为: 内燃机配件企业 内燃机主机企业和内燃机维修站的工程技术人 员和管理人员9也适合工科院校的师生 科研单位的技术人员阅读参考
< 内燃机 配 件> 为 双 月 刊9大 16 开 本948 页9国 内 统 一 刊 号 为 CN 13-1200/ TH 9 国际标准刊号I SSN 1006-9887 9每期定价为5 元9全年为36 元( 包含邮寄费>
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t er t han t he cOnSt ant pr eSSur e SySt e m .
!! 增 压 参 数 的 确 定
491 GE 汽油机为直列4 缸水冷4 行程汽油机9增 压后的性能要求和原机型主要参数的对比见表1 o
表1 ! 491 GE 汽油机主要参数
参数
缸径d / mm 行程s / mm 标定功率P b / k W 标 定 转 速 b / r - mi n -1 最 大 扭 矩 TtC max / N - m 最 大 扭 矩 转 速 tC / r - mi n -1 最低燃油消耗率 b mi n / g - <k W- h > -1
图1 !定压排气管内腔
"."! 脉 冲 转 换 排 气 管 汽油机排气管内压力波动较大 为了尽可能地
利用发动机的废气能量 应采用脉冲增压系统 但由 于所选定的增压器涡轮进口为单通道 无法采用脉 冲增压系统 为此设计了脉冲转换排气管
脉冲转换系统的能量传递效率高于定压系统 在涡轮效率方面又优于脉冲系统 在实际使用中 由于受到发动机结构的限制 脉冲转换系统往往仅 保留喷嘴及混合管两部分 这样脉冲转换器就简化 为一个 Y 形管 使结构大为简化 2 根据增压器的 安装要求 设计了如图2 所示的脉冲转换排气管
S HI Xi n 9 MA ChaO-chen 9 WANG Gi aO
(SchOOl Of Mechani cal and Vehi cul ar Engi neeri ng 9 Bei i ng I nStit ut e Of TechnOl Ogy 9 Bei i ng !100081 9 Chi na >
表2 !2 400 r !mi n 时两种增压系统的模拟计算结果
增压 系统
燃油消耗率
功率
P kW g
b k W h -1
涡轮 放气量
%
定压
65 .4
257 .6
0
系统
脉冲转
66 .5
257 .8
17
换系统
压气机 效率
涡轮 效率
0 .73 0 .62 0 .74 0 .62
图3 ! 两种增压系统涡轮前压力波的对比 !!!!! 2 400 r mi n
!!20 世纪70 年代末9汽油机 增 压 技 术 取 得 突 破9 随即该技术在汽油机领域的应用有了突飞猛进的发 展; 特别是随着排放法规的日益严格9增压技术在降 低排放\ 增加功率\ 提高发动机功率密度及高原功率 恢复等方面发挥着非常重要的作用o 本文主要介绍 针对491 GE 汽油机进行增压系统开发的工作o
机多变效率9可选0 .76 ; Pa 为 经 空 气 滤 清 器 后 压 气
机进口处的空气密度; Pc 为 压 气 机 出 口 处 的 空 气 密
度9其计算公式为
!!!Pc =
Mc V
9
<3 >
c S : 60
式中9:为行程系数94 行程发动机: =2 ; c 为 发 动
机充量系数;V 为发动机总工作容积; 为发动机转
!!!!!! Mc
=
b
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l e a S 600
0
9
<1 >
式中9b e 为发动机有效燃油消耗 率; P e 为 发 动 机 有
效功率; a 为发动机过量空气系数; S 为发动机扫
气系数9l 0 为化学计量空燃比o
压气机压比的计算公式为
!!!! !c
=
<Pc
>1 1- x
9
<2 >
Pa
TpOl
式中9x= < -1 >/ 9 为气体定熵指数; TpOl 为压气
"北京理工大学机械与车辆工程学院!北京!100081 # !!摘要"为了提高491 GE 汽油机的性能!进行了增压系 统 的 开 发 工 作$通 过 计 算 确 定 了 增 压 参 数!并 在 原 发 动 机基础上设计了定压排气管和脉冲转换排气管两种增压系统$利 用 循 环 模 拟 程 序 计 算 了 491 GE 汽 油 机 增 压 以 后 的 性 能 $ 结 果 表 明 !脉 冲 转 换 系 统 在 发 动 机 废 气 能 量 的 利 用 方 面 优 于 定 压 系 统 $ 关键词"脉冲转换器; 汽油机; 排气管; 模拟计算 中图分类号"TK411 !!文献标识码"B !!文章编号"1001-2222 <2004 >05-0008-03