第四章_廢氣能量的利用

1、Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(jìn)氣管 b) 123456123456排氣管排氣管進(jìn)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 1.恒壓系統(tǒng)。這種增壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是渦輪前排氣管內(nèi)壓力基本恒定。它把柴油機(jī)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(shí)際上就起了集氣箱的作用，這時(shí)雖然各氣缸的排氣時(shí)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(jìn)氣管Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 2. 變壓系統(tǒng)（脈沖系統(tǒng)）。這種方案的特點(diǎn)是使排氣管中的壓力造成盡可能大的壓力變動(dòng)。為此，把渦輪增壓器盡量靠近氣缸，把排氣管做得短而細(xì)，并且?guī)讉€(gè)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(gè)連續(xù)的互不干擾的排氣脈沖波（或稱排氣壓力波）進(jìn)入廢氣渦輪機(jī)中，同時(shí)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?yàn)?53624的六缸四沖程柴油機(jī)排氣管分組。排氣管進(jìn)氣管Wuhan University

3、of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 為了說明柴油機(jī)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(jī)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 圖4-2四沖程增壓柴油機(jī)的理論示功圖PCzzbea53410fV2vsvcp0pTpkefggivs(s-1)Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) iga0：壓氣機(jī)耗功 23a0 ：壓縮進(jìn)入柴油機(jī)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(jī)氣缸中的壓縮、燃燒、膨脹過程 3a54 ：為充量更換正功，或柴油機(jī)泵吸正功 aczb 和3a54 兩塊為柴油機(jī)指示功 b1fb ：柴油機(jī)排氣門打開時(shí)排氣等熵膨脹到P0時(shí)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(jìn)一步膨脹所回收的能量，ET TbEEE1Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) ifegi：渦輪中排氣的總能量，E2（1）i24g ：掃氣空氣進(jìn)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(jìn)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 排氣閥開始打開時(shí)，氣缸中燃?xì)鉅顟B(tài)b。如果讓這些燃?xì)庠诶硐氲膬?nèi)燃機(jī)或渦輪機(jī)中（所謂理想的內(nèi)燃機(jī)或渦輪機(jī)系指燃?xì)庠谄渲心軐?shí)現(xiàn)等熵膨脹而不出現(xiàn)任何損失的理想動(dòng)力機(jī)）完全膨脹到大氣壓力時(shí)，燃?xì)馑哂械淖鞒鰴C(jī)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(shí)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 恒壓渦輪前的燃?xì)鈪?shù)以e點(diǎn)表示。這是由于氣缸中的燃?xì)饨?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(xì)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(dòng)機(jī)活塞所給予；3.真正自廢氣中取得的能量?jī)H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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(kuò)時(shí)的流動(dòng)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(shí)，壓力pb遠(yuǎn)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(qiáng)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(duì)此作了說明（比較A點(diǎn)和點(diǎn)A的作功能力）節(jié)流損失在大降低，大量的動(dòng)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 此外，還包括流入排氣總管時(shí)，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(dòng)能損失，亦即流出排氣閥時(shí)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(dòng)時(shí)的動(dòng)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?cè)跀?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?xì)鉁囟葘⑤^等熵膨脹后e點(diǎn)的溫度為高，以e點(diǎn)表示（圖4-3）。這樣渦輪功的面積將增加一個(gè)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 根據(jù)能量平衡 為渦

10、輪前廢氣溫升，qmT為燃?xì)饬髁俊Ｒ虼?，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(shí)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 在實(shí)際情況下，渦輪實(shí)際所作之功將等于面積igef乘以渦輪機(jī)有效效率T，而壓氣消耗的功卻是面積iga0除以壓氣機(jī)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(shí)，恒壓系統(tǒng)就

11、較難實(shí)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 4.3 脈沖增壓系統(tǒng)廢氣能量的利用 設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(dòng)，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?xì)饬鞒鰷u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?yàn)閜和pT的壓差也很大，因此節(jié)流損失就很快減少；同時(shí)由于排氣管截面較細(xì)，排氣管中氣流速度也較高，因而部分氣流的動(dòng)能也可以在渦輪中加以利用，這樣一來，就使渦輪機(jī)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(shí)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(dá)到的增壓壓力也就低一些。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(jì)時(shí)，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(jī)機(jī)械效率，使柴油機(jī)比油耗ge進(jìn)一步下降。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)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(jìn)行計(jì)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(shí)，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(shí)，壓比低于1.5時(shí)，采用脈沖系數(shù)效果比較顯著：當(dāng)壓比大于2.5時(shí)，0.5E1E2的比值較小，采用脈沖增壓的優(yōu)點(diǎn)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 2 脈沖增壓系統(tǒng)對(duì)氣缸中掃氣有明顯的好處由圖4-6a可以看出，在柴油機(jī)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(fù)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(dòng)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 缸排氣始點(diǎn)缸排氣始點(diǎn)缸進(jìn)氣過程掃氣壓差app下止點(diǎn)掃氣上止點(diǎn)bp1pTpTPK六缸四沖程增壓柴油機(jī)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(diǎn)缸進(jìn)氣過程5 6圖4-6 渦輪增壓柴油機(jī)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(jī)增壓技

17、術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(jī)負(fù)荷改變時(shí)，排氣的壓力波立刻發(fā)生變化，并迅速傳遞到渦輪機(jī)，引起增壓器轉(zhuǎn)速較快地變動(dòng)，所以脈沖系統(tǒng)的加速性能較好。此外，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，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(jī)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(shí)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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?yàn)樵诓裼蜋C(jī)開

18、始排氣時(shí)，廢氣以很高的流速進(jìn)入渦輪。流動(dòng)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(jìn)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(jī)還存在著部分進(jìn)氣損失。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 5 脈沖系統(tǒng)的廢氣瞬時(shí)流量也是周期性變化的，其瞬時(shí)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(tái)柴油機(jī)上有時(shí)不得不采用幾個(gè)廢氣渦輪增壓器

19、，這就使得整個(gè)增壓系統(tǒng)變得復(fù)雜，柴油機(jī)的輪廓尺寸加大。 Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) l 綜上所述，在低增壓時(shí)，采用脈沖渦輪增壓較為有利，而在高增壓時(shí)，則宜采用恒壓渦輪增壓。然而，考慮到車用柴油機(jī)大部分時(shí)間在部分負(fù)荷(此時(shí)增壓壓力較低)下工作，對(duì)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(jī)上仍常采用脈沖增壓系統(tǒng)。 Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 脈沖增壓優(yōu)點(diǎn)：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(duì)二沖程更有利。3.加速性能好。Wuhan U

20、niversity of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 脈沖增壓缺點(diǎn)：1.在兩缸一歧管時(shí)，排氣管抽空。在增壓壓力高時(shí)，當(dāng)排氣門剛開啟時(shí)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(zhǎng)時(shí)，反射壓力波對(duì)掃氣會(huì)產(chǎn)生干擾。3.同功率柴油機(jī)，渦輪通流面積較定壓系統(tǒng)的大，常常需要大一型號(hào)的渦輪增壓器來配機(jī)，成本較高。4.缸數(shù)較多時(shí)，為了利用壓力波谷進(jìn)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(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 恒壓增壓優(yōu)點(diǎn)：1.可采用渦輪全進(jìn)氣，壓力波動(dòng)小，渦輪效率高。2.多缸時(shí)，排氣管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單3.渦輪

21、增壓器布置較自由4.不會(huì)由于壓力波的干擾而使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速上限受到限止。5.對(duì)低增壓相同功率的柴油機(jī)而言，渦輪通流面積較脈沖的小，可用小一型號(hào)渦輪增壓器Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 脈沖增壓缺點(diǎn)：1.加速性能差，低負(fù)荷性能差。2.掃氣空氣量較脈沖的少。3.部分負(fù)荷時(shí)，有時(shí)掃氣倒流，弄污進(jìn)氣系統(tǒng)及增壓器。4.在低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩時(shí)，增壓壓力下降較大5.在缸數(shù)少時(shí)，顯得排氣管容積過大。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(xì)、長(zhǎng)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(dòng)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(jī)掃氣過程中，排氣管中的壓力要盡可能低，以利于掃氣進(jìn)行。Wuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù) 4.4.1 排氣門開啟定時(shí)當(dāng)排氣門開啟較早時(shí)， 較大，缸內(nèi)壓力高，排氣管壓力盡力得快，標(biāo)志著渦輪進(jìn)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?xì)庠谂蛎浶谐虒?duì)活塞所做的功減少，無助于整機(jī)功率的提高和經(jīng)濟(jì)性的改善。0/ ppcppWuhan University of Technology內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)內(nèi)燃機(jī)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(shí)的氣流聲速一個(gè)氣缸工作容積發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)