【文章內(nèi)容簡介】 的變化而變化：特征線法則認為每一瞬時排氣管內(nèi)的壓力和溫度沿排氣管長度方向是不均勻的，計算過程比較復雜。1．1．3渦輪增壓系統(tǒng)主要由壓氣機和廢氣渦輪組成。這個子系統(tǒng)是基于下列假設條件確立的：每一工作循環(huán)中廢氣渦輪輸出功正好等于壓氣機消耗功；流過廢氣渦輪的燃氣流量等于流過壓氣機的空氣流量與燃料流量之和；壓氣機和廢氣渦輪轉(zhuǎn)速相等。1．1．4廢氣渦輪增壓器的兩種增壓系統(tǒng)進氣渦輪增壓捧氣系統(tǒng)的兩種形式：恒壓增壓系統(tǒng)、脈沖增壓系統(tǒng)，把柴油機所有氣缸的排氣管都連接于一根排氣總管，而排氣總管的容積又盡可能做得大，這樣排氣管實際上起了集氣箱作用。這時雖然各氣缸的排氣時間是岔開的，但由于集氣箱的穩(wěn)壓作用，因而在排氣總管內(nèi)的壓力振蕩是較小的，可以認為渦輪前排氣管內(nèi)壓力基本上是恒定的，即工質(zhì)在恒定壓力狀態(tài)下進入渦輪。，兩缸共用一支管或三缸共有一支管，依據(jù)發(fā)火順序?qū)邭獠话l(fā)生干擾的兩個或三個氣缸連接在一個排氣支管，這樣既可以避免掃氣干擾又可以較好的利用排氣脈沖能量，而且掃氣量大，低工況性能好，對于缸數(shù)為3的倍數(shù)的發(fā)動機，3缸共用～根排氣支管正好合適，排氣支管內(nèi)能量供給連續(xù)，增壓系統(tǒng)效率較高。如果氣缸數(shù)不是3的倍數(shù)，就會出現(xiàn)一個氣缸用一根排氣支管或兩個氣缸用一根排氣支管的情況，這樣渦輪與該排氣支管相連的一段就會在發(fā)動機一個循環(huán)的某些時間段得不到排氣能量，影響增壓系統(tǒng)的效率。脈沖系統(tǒng)的渦輪是多進口的，渦輪增壓器的效率低，而且捧氣管系的結構復雜，布置體積大，制造成本較高。這種方案的特點是使排氣管中的壓力造成盡可能大的壓力波動，為此，把渦輪增壓器盡量靠近氣缸，把排氣管做得短而細，總之將排氣管的容積盡量減小。同時為了在一根排氣管中形成幾個互不干擾的排氣脈沖波(或稱排氣壓力波)進入廢氣渦輪機，因此要根據(jù)氣缸數(shù)按內(nèi)燃機的發(fā)火順序組成幾根排氣管，每根排氣管各自連接幾個氣缸(通常為2缸或3缸)。為此也必須把渦輪的噴嘴環(huán)(即渦輪進口)，根據(jù)排氣管的數(shù)目分組隔開，使它們互不干擾。兩種增壓系統(tǒng)各有優(yōu)缺點：恒壓系統(tǒng)的優(yōu)點是保證排氣穩(wěn)定而連續(xù)的流入渦輪，所以渦輪效率高，并且排氣不會干擾氣缸的掃氣。它的缺點是在排氣過程中出現(xiàn)強烈的節(jié)流現(xiàn)象，使排氣能量受到嚴重的損失。脈沖系統(tǒng)同恒壓系統(tǒng)的工作特點正好相反，氣缸排氣在排氣管內(nèi)產(chǎn)生了強烈的壓力波動——壓力波(或稱脈沖波)，具有較小的節(jié)流損失并能有效的利用廢氣的動能。所以，具有較大的廢氣能量利用能力。至于渦輪的效率，雖然脈沖氣流對渦輪性能是有害的，但實際上只要在葉柵設計方面采用一定措施(如選用適當?shù)姆磩佣?，那么渦輪效率仍能達到與恒壓系統(tǒng)中幾乎相等的水平，而且噴嘴環(huán)面積(即渦輪尺寸)在這兩種系統(tǒng)中幾乎相等，主要的問題是要使壓力波不影響氣缸的掃氣，而且若使波谷正好在氣門疊開時期，反而有促進作用。為此在排氣管的布置上應遵守下列基本原則：將排氣管按發(fā)火順序進行分組，將排氣期不重疊或重疊度很小的氣缸合用一根細的排氣管與渦輪連接。1．1．5兩種增壓排氣系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響研究在GT—Power建立的兩種增壓排氣系統(tǒng)，其中恒壓增壓系統(tǒng)脈沖增壓系統(tǒng)。恒壓增壓系統(tǒng)脈沖增壓系統(tǒng)。兩種增壓系統(tǒng)在GTPowcr中實現(xiàn)將以上兩種增壓方式分別放置在增壓柴油機GTPowcr仿真模型中，其他結構參數(shù)和運行參數(shù)均不改變，在發(fā)動機外特性條件下研究不同增壓系統(tǒng)對發(fā)動機功率、扭矩、燃油消耗率和渦前排氣溫度等的影響。主要工況如表表11為：表11 增壓數(shù)據(jù)工況2100r／min1900r／min1700r／min1500r／min1300r／min1200r／min1000r／min與恒壓系統(tǒng)相比，1900r／rain以下各工況，脈沖系統(tǒng)扭矩、功率明顯提高，1000r／rain由恒壓系統(tǒng)的825N/m提高到脈沖系統(tǒng)的1050N/m，對于改善發(fā)動機加速性能很有利；脈沖系統(tǒng)的燃油消耗率和渦前排氣溫度均低于恒壓系統(tǒng)；脈沖系統(tǒng)的增壓比和渦輪進口質(zhì)量流量均高于恒壓系統(tǒng)。在稍高轉(zhuǎn)速時，恒壓系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)各項參數(shù)沒有明顯差距。以上分析也驗證了在增壓比小于2．5時，采用脈沖系統(tǒng)對于捧氣能量的利用是比較有利的。這是因為當增壓比提高時，恒壓系統(tǒng)排氣管內(nèi)的壓力也相應提高，增壓器、中冷器與柴油機的匹配研究排氣損失有所下降，且脈沖能量在排氣能量中所占的比重也隨著增壓比增加而減小，所以兩種系統(tǒng)對排氣能量的利用效果將隨增壓比的提高而逐漸接近。因此，考慮到該增壓柴油機各工況增壓比大部分都小于2．5，所以選擇脈沖增壓系統(tǒng)作為該型柴油機的排氣增壓系統(tǒng)。1．1．6中冷器對于所研究的廢氣渦輪增壓柴油機，在熱力系統(tǒng)劃分時將中冷器劃分為一個子系統(tǒng)。中冷器從熱力過程看實際上是一個節(jié)流，降溫的換熱器件，主要是計算空氣流經(jīng)中冷器時的壓力損失和計算空氣流過中冷器后的散熱量。1．1．7小結通過分析增壓柴油機各物理子系統(tǒng)組成及其相互關系的基礎上對柴油機各物理子系統(tǒng)進行了數(shù)學描述。模型中采用了韋伯燃燒規(guī)律模型和Wosehni傳熱計算公式對缸內(nèi)工作過程進行描述，對進、排氣管路內(nèi)氣體采用一維非定常流動描述其流動特性，確定采用有限體積法為求解一維不定常流動的計算方法。在此基礎上，建立了廢氣渦輪增壓器和中冷器的數(shù)學模型。第二章 進氣管截面形狀對容積效率的影響2．1概述增壓柴油機進氣流動特性研究及管路優(yōu)化目前發(fā)動機工作過程及性能模擬程序常采用的是數(shù)學優(yōu)化方法，它具有較高的精度，很強的實用價值。數(shù)學優(yōu)化方法通常包括兩部分內(nèi)容：一是優(yōu)化任務分析，將優(yōu)化任務轉(zhuǎn)化成一個最優(yōu)化問題，建立數(shù)學模型；二是選用恰當?shù)淖顑?yōu)化方法，求解數(shù)學模型，尋求最優(yōu)解。前一部分工作的關鍵是要有一個計算精度能滿足要求的柴油機工作過程和性能模擬的計算程序，這是進行優(yōu)化設計的基礎；后一部分工作是對不同參數(shù)的優(yōu)化設計選擇收斂速度快，優(yōu)化結果比較理想的最優(yōu)化方法。本節(jié)主要是利用GT—POWER自帶的優(yōu)化工具(即采用的數(shù)學優(yōu)化方法)對原有的試驗數(shù)據(jù)，進行進一步校準并擴展計算所需的輸入數(shù)據(jù)，如進氣系統(tǒng)的結構形式和結構參數(shù)?？偟男阅軆?yōu)化目標是：根據(jù)提高功率、改進性能的技術要求，更為有效地組織整機的熱力過程、合理地選擇結構形式和結構參數(shù)，使增壓柴油機容積效率迸一步提高，標定工況的性能更加優(yōu)化。2．2柴油機進氣管流動特性仿真研究運用GTPOWER針對該增壓柴油機的標定工況(n=2100r／min)進行進氣管路流動特性的模擬。在四沖程柴油機的進氣管中，由于進氣門的周期性啟閉和活塞的往復運動，進氣管內(nèi)的氣體實際上呈現(xiàn)間歇性流動。因此，在進氣管內(nèi)存在強烈的氣體壓力波動現(xiàn)象。這種進氣管內(nèi)的氣體壓力波動，直接作用于進氣過程，對柴油機性能具有重要影響。分別為進氣歧管和進氣總管的壓力波動情況。進氣歧管和總管的壓力波波形和波峰都基本一樣，管內(nèi)壓力呈周期性的變化。但在進排氣重疊期間，進氣歧管的壓力波動要比迸氣總管的壓力波動劇烈，這主要是由于進氣歧管壓力測點離進氣門比較近，進氣門的啟閉運動對進氣支管內(nèi)的壓力有較大的影響。增壓柴油機進氣流動特性研究及管路優(yōu)化后分別為進氣歧管和進氣總管的空氣質(zhì)量流量曲線，可以看到進氣總管內(nèi)氣體的質(zhì)量流量呈周期性的變化，在進氣壓力波的作用下，有時還出現(xiàn)氣體倒流的現(xiàn)象。而進氣支管內(nèi)氣體的質(zhì)量流量在壓縮、膨脹作功和排氣階段基本為0，進氣門開啟后，流量迅速增加，隨著氣門升程達到最大位置后，流量又開始減小，直到進氣門關閉，管內(nèi)的空氣質(zhì)量流量下降為0。以上運用所建模型對柴油機進氣管流動特性進行了仿真研究，結果表明原模型各進氣歧管和進氣總管內(nèi)壓力波動較大，進氣不均勻。以下將通過調(diào)整進氣系統(tǒng)結構形式和結構參數(shù)來優(yōu)化進氣均勻性。2．3進氣管路布置形式對進氣流動特性的影響柴油機進氣系統(tǒng)的結構形式在一定程度上決定了氣體的進氣流動狀態(tài)，從而影響著柴油機混合氣的形成質(zhì)量及燃燒品質(zhì)。借助進氣過程中的氣流運動，是提高空氣利用率、改善燃燒的有效途徑。這不僅嚴重影響柴油機的動力性、經(jīng)濟性指標，而且也明顯影響其排放、噪聲及工作柔和性。下面將通過改變進氣管路的布置形式和截面形狀，來研究進氣系統(tǒng)結構形式對氣體流動特性的影響。2．3．1不同進氣管路流動模型的建立該增壓柴油機原型采用的是順序進氣，空氣由進氣總管流向進氣歧管1—2—3—4，這種進氣方式不可避免地會造成缸內(nèi)進氣的不均勻性，進氣總管離支管l較近，空氣質(zhì)量流量會較其他支管略大些。為了解決這個問題，并進一步改進柴油機的進氣性能，在原機的基礎上，建立了三種不同的進氣系統(tǒng)模型。模型之間只在進氣管路的布置上有所不同，而其他