【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 掃氣過量空氣的體積為 (V3－ V3′)，質(zhì)量為 (φs－ 1)mrg，自掃氣空氣壓力 ps等熵膨脹至渦輪出口背壓 p0′所作的功 (相應(yīng)于圖上對(duì)應(yīng)面積 32j3′3)為 四沖程內(nèi)燃機(jī)排氣最大可用能為 : Wz=Wg+WL+Ws 二沖程內(nèi)燃機(jī)排氣的最大可用能如圖 6－ 36所示。它與四沖程內(nèi)燃機(jī)不同之處在于掃氣過程的能量 Ws幾乎占排氣最大可用能 Wz的一半，而活塞對(duì)排氣所作之功 WL卻很小。 排氣門 (口 )在點(diǎn) b開啟而在點(diǎn) a關(guān)閉。排氣的最大可用能Wz包括三部分能量，即Wz=Wg+WL+Ws Wz相當(dāng)于示功圖面積 bfj3′3b所表示的功。 (二 ) 二沖程內(nèi)燃機(jī)排氣的最大可用能 Wz 1. 燃?xì)獾目捎媚?Wg氣缸內(nèi)每循環(huán)燃?xì)?mrg自排氣始點(diǎn) (點(diǎn) b)狀態(tài)等熵膨脹至渦輪出口背壓 p0′(點(diǎn) f)所擁有的可用能：Wg相當(dāng)于示功圖面積 bf1a3b所表示的功。2.活塞推擠排氣的能量 WLWL=(ps－ p0′)(Va－ V3)WL相當(dāng)于示功圖面積 a123a所表示的功。3.掃氣過量空氣的可用能 WsWs相當(dāng)于示功圖面積 32j3′3所表示的功。 (三 ) 能量傳遞效率和渦輪進(jìn)口排氣可用能 WT 排氣的能量傳遞效率定義為渦輪進(jìn)口排氣可用能 WT與排氣最大可用能 Wz之比，即：ηE的高低標(biāo)志能量在排氣系統(tǒng)傳遞過程中流動(dòng)損失的大小。 ηE是一個(gè)統(tǒng)觀的平均數(shù)量。總能量損失為：ΔE=ΔEv+ΔEc+ΔED+ΔEM+ΔEF+ΔEh 若深入分析排氣過程的各個(gè)階段就可知， ΔEv是能量傳遞中的主要損失，約占總損失的 60％～ 70％， 排氣可用能的損失主要發(fā)生在自由排氣階段，此時(shí)節(jié)流損失很大， η E將最低；在以后的強(qiáng)制排氣階段，由于排氣門開啟已很大，主要是燃?xì)饬鲃?dòng)的摩擦損失和局部阻力損失，其值一般較小，故此時(shí) η E較高。排氣過程中 η E的變化情況 由于渦輪進(jìn)口排氣可用能 WT與渦輪前壓力波的形態(tài)相關(guān)，而該壓力波主要受到排氣道形狀、排氣門開啟規(guī)律、排氣管形狀、尺寸和分支情況，以及渦輪流通截面大小的影響。因此 WT或 ηE的大小代表了從內(nèi)燃機(jī)排氣門至渦輪這一段排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的良好程度。換言之，良好設(shè)計(jì)的排氣系統(tǒng)，能獲得較理想的壓力波形態(tài)，從而獲得較高的 ηE。 理想的壓力波一般應(yīng)具備如下形態(tài)： ① 排氣管內(nèi)壓力在氣缸開始排氣時(shí)應(yīng)迅速上升，以減少排氣門處的節(jié)流損失；② 在排氣行程，活塞上行推擠燃?xì)鈺r(shí)，排氣管壓力應(yīng)迅速降低，以減小泵氣損失； ③ 在進(jìn)、排氣門重疊期內(nèi)，排氣壓力波應(yīng)出現(xiàn)波谷，增大進(jìn)、 排氣之間的壓差，以利清掃缸內(nèi)殘余燃?xì)狻? 如果能確定 WT，則可按式求得 η E。為了計(jì)算 WT，對(duì)于脈沖渦輪增壓系統(tǒng)，必須有渦輪前壓力波 pT=f(φ) 和溫度波 TT=f(φ) 曲線。一般可用試驗(yàn)方法測(cè)錄壓力波和溫度波曲線，或用數(shù)學(xué)模擬計(jì)算得到。 第七章 現(xiàn)代渦輪增壓系統(tǒng) 一、渦輪增壓系統(tǒng)的基本型式按利用排氣能量的基本方式分為定壓渦輪增壓系統(tǒng)和脈沖渦輪增壓系統(tǒng)，以及由此而演變和發(fā)展的其他多種渦輪增壓系統(tǒng)。 1. 定壓渦輪增壓系統(tǒng)渦輪增壓系統(tǒng)示意圖 (a) 定壓式； (b) 脈沖式 ?1— 氣缸； 2— 排氣管； 3— 渦輪； 4— 壓氣機(jī)； 5— 進(jìn)氣總管 （ 1）定壓渦輪增壓系統(tǒng)特點(diǎn) 此系統(tǒng)的特點(diǎn)是渦輪前的燃?xì)鈮毫?pT基本上保持一定。為此，柴油機(jī)的各缸排氣都接到一根容積足夠大，能起穩(wěn)定壓力作用的排氣總管上，然后和渦輪進(jìn)口相連接，渦輪是單進(jìn)氣口的。 （ 1）定壓系統(tǒng)中排氣能被利用的情況： ① 氣缸排氣所具有的可用能 Wg為：bf1b＝ b5eb（ Wg1） ＋ ef15e（ Wg2） 定壓系統(tǒng)中只能用 ef15e。 ② 活塞對(duì)排氣所作的功 WL： 45124； ③ 掃氣空氣所具有的功 Ws： ig24i； ④ 脈沖能量轉(zhuǎn)化為熱能，使廢氣溫度升高而獲得附加功： ee′ f′ fe。 定壓渦輪增壓四沖程柴油機(jī)的理想示功圖 （ 2）定壓渦輪增壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) ： ① 在定壓條件下，全周進(jìn)氣，效率較高； ② 排氣管系統(tǒng)簡(jiǎn)單成本低。增壓器布置較自由；③ 不會(huì)由于壓力波的干擾而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上限受到 限制；（ 3）主要缺點(diǎn)： ① 脈沖能量利用率低； ② 發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩特性和加速性能差。 2. 脈沖渦輪增壓系統(tǒng)為了更好地利用內(nèi)燃機(jī)排氣的脈沖能量 E1，可采用脈沖渦輪增壓系統(tǒng)，圖所示。 （ 1）特點(diǎn)① 把柴油機(jī)各缸的排氣支管做得短而細(xì)，通常是 2～ 3缸連接一根排氣管，每一根排氣管均和渦輪一個(gè)進(jìn)氣口相連接，整個(gè)排氣管系的容積較小，排氣管內(nèi)的壓力波動(dòng)大。② 脈沖增壓系統(tǒng)中排氣管內(nèi)壓力波動(dòng)情況如圖所示。a理想情況下排氣無損失，排氣管被瞬時(shí)充滿，壓力瞬時(shí)升高，缸內(nèi)壓力 p等于管內(nèi)壓力 pr；b實(shí)際上氣門不可能瞬時(shí)開啟，排氣管內(nèi)也不可能瞬時(shí)充滿，氣門喉口處存在節(jié)流損失，所以排氣門打開后，要經(jīng)過一段時(shí)間 t后，排氣管內(nèi)壓力 pr才能接近 p。 c由于該系統(tǒng)排氣管容積設(shè)計(jì)的較小，通?？衫门艢饷}沖能量的 30～ 50％。 ③ 在小容積的排氣管中，管內(nèi)氣體通過渦輪的排空也快，壓力迅速下降，產(chǎn)生的壓力波谷可促進(jìn)氣缸掃氣，并減少活塞推擠排氣所作的泵氣功。3. 脈沖式和定壓式渦輪增壓系統(tǒng)的比較 （ 1）排氣能量利用的效果 ① 排氣能量傳遞效率 ηE。在增壓度較低時(shí)，脈沖渦輪增壓的 ηE較高，當(dāng)隨著增壓度的增加，脈沖與定壓逐漸接近。② 渦輪效率 ηT定壓增壓系統(tǒng)，在渦輪中的能量轉(zhuǎn)換過程是穩(wěn)定的，而脈沖增壓系統(tǒng)能量變化很大， ∴ ηT定壓 ≥ ηT脈沖 。 ③ 渦輪增壓系統(tǒng)的有效性指標(biāo) (排氣總效率 )KE。KE定義為壓氣機(jī)的等熵壓縮功 Wks與氣缸排氣最大可用能 Wz的比值，也是排氣能量傳遞效率 ηE和渦輪增壓器效率 ηTk的乘積，當(dāng) pk，采用脈沖增壓系統(tǒng)，對(duì)排氣能量的利用較為有利 ,這時(shí) KE較高。當(dāng) pk，采用定壓增壓系統(tǒng)，對(duì)排氣能量的利用較為有利 ,這時(shí) KE較高。 （ 2）對(duì)柴油機(jī)性能的影響 ① 柴油機(jī)的加速性脈沖系統(tǒng)的響應(yīng)較快，加速性能比定壓系統(tǒng)好。 ② 柴油機(jī)的低速扭矩特性由于脈沖增壓系統(tǒng)對(duì)排氣能量的節(jié)流損失相對(duì)較小，可以較好地利用脈沖能量，因此，脈沖增壓柴油機(jī)的低速扭矩特性比定壓渦輪增壓柴油機(jī)的好。 ③ 柴油機(jī)的油耗率脈沖增壓系統(tǒng)在 pk較低并處于部分負(fù)荷時(shí)，具有較好的油耗率 ge；采用定壓增壓系統(tǒng)時(shí)，在高增壓滿負(fù)荷時(shí)才有較好的油耗率。 ④ 柴油機(jī)掃氣質(zhì)量 脈沖增壓系統(tǒng)可利用排氣壓力波的波谷加強(qiáng)氣缸掃氣。定壓增壓系統(tǒng)在高增壓滿負(fù)荷時(shí)有較好的掃氣質(zhì)量，但在低負(fù)荷時(shí)掃氣效果較差。 （ 3）增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)定壓增壓系統(tǒng)的排氣管結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，布置比較方便。脈沖增壓系統(tǒng)的排氣管結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。3. 2 影響脈沖能量利用的因素（ 1）排氣門開啟定時(shí)（ 2）排氣門開啟規(guī)律（ 3）排氣門流通面積（ 4）排氣管流通面積（ 5）排氣管長(zhǎng)度（ 6）渦輪流通面積 排氣管分支 在多缸機(jī)中，應(yīng)避免相鄰氣缸排氣的互相干擾，需要對(duì)排氣管進(jìn)行分支。分支的原則是，一根排氣管所連各缸的排氣相位必須互不重疊，或者重疊很小。由于一般四沖程柴油機(jī)排氣門開啟持續(xù)時(shí)間約 240℃ A~280℃ A，二沖程柴油機(jī)約 120℃ A。因此，一根排氣管所連接的氣缸數(shù)目一般 ≤ 3，同時(shí)這 3缸的排氣相位必須相互均勻錯(cuò)開。 如發(fā)火順序?yàn)?1— 5— 3— 6— 2— 4的直列 6缸四沖程柴油機(jī)，可將 3缸排氣支管連接在一根排氣管上，而 6缸排氣支管連接在另一根排氣管上。對(duì)發(fā)火順序?yàn)?1— 3— 4— 2的直列 4缸柴油機(jī)，則應(yīng)將 4缸和 3缸各連接一根排氣管。6缸柴油機(jī)排氣壓力波示意圖 (a)6缸共一根排氣管 (b)3缸共一根排氣管 脈沖轉(zhuǎn)換器脈沖轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖各缸排氣通過較長(zhǎng)的支管與脈沖轉(zhuǎn)換器相連接，脈沖轉(zhuǎn)換器再和渦輪進(jìn)口連接。 脈沖轉(zhuǎn)換器的基本原理是：來自各缸的廢氣在收縮段加速，其壓力能先轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，然后在高速低壓下在混合管中混合，較快的氣流加速較慢的氣流，實(shí)現(xiàn)氣流速度平衡。在混合管中會(huì)產(chǎn)生膨脹波，傳到先期排氣 (即速度較慢 )的支管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的壓力降而產(chǎn)生引射作用，從而避免了相鄰 2個(gè)氣缸的排氣過程有一部分重疊，而造成先排氣的氣缸的掃氣干擾。在擴(kuò)壓段中氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，然后進(jìn)入渦輪。 由于脈沖轉(zhuǎn)換器要有一個(gè)容積較大的穩(wěn)壓，且要進(jìn)行兩次能量轉(zhuǎn)換 (壓力能 → 動(dòng)能，動(dòng)能 → 壓力能 )，伴隨很大的流動(dòng)損失?；诖?，將脈沖轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化為一個(gè) Y形管，省去穩(wěn)壓室，縮減混合管，使結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，這種簡(jiǎn)單的脈沖轉(zhuǎn)換器可使 4缸、 8缸和 16缸柴油機(jī)獲得與 3脈沖增壓系統(tǒng)大致相當(dāng)?shù)男Ч? 模件式脈沖轉(zhuǎn)換器 MPC系統(tǒng) MPC增壓系統(tǒng)是由法國(guó)熱機(jī)研究所提出的，已成功地應(yīng)用在 PC、 PA系列柴油機(jī)上。 MPC系統(tǒng)實(shí)際上是多脈沖系統(tǒng)的發(fā)展，目的在于兼顧多脈沖系統(tǒng)和定壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)而克服多脈沖變換系統(tǒng)中存在的壓力波的反射以及定壓系統(tǒng)中燃?xì)鈩?dòng)能損失的缺點(diǎn)。MPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種串接式排氣管系統(tǒng)，每個(gè)氣缸在其出口處接一個(gè)模件（如圖所示）。各個(gè)氣缸的 MPC模件彼此相連，其圓柱部分就組成了排氣總管。一端封閉，另一端通向渦輪進(jìn)口，向渦輪定壓供氣。與相應(yīng)的氣缸排氣口連接是 MPC的引射器，以角度 α 與圓柱部分相交。MPC模件MPC增壓系統(tǒng) MPC系統(tǒng)的工作原理是： 當(dāng)氣缸排氣門打開后，廢氣即流入引射器，并在其中被加速，以較高的氣流速度流向總管，壓力明顯下降，減少了總管中的壓力波動(dòng)。引射器噴嘴出口的氣流速度能傳遞給總管內(nèi)具有一定速度的氣體，再一起流向渦輪進(jìn)口。由于引射器本體的容積非常小，噴嘴對(duì)排氣總管與引射器本體之間起了動(dòng)力隔離作用，一方面使氣缸排氣初期的脈沖壓力不會(huì)直接傳到排氣總管，干擾其他缸的掃氣；另一方面，可使引射器內(nèi)的壓力能迅速跟上氣缸內(nèi)壓力的變化，減少氣流在排氣門處的節(jié)流損失。還可消除多脈沖增壓時(shí)遇到的壓力波反射問題。 MPC系統(tǒng)的能量傳遞效率與脈沖系統(tǒng)的相當(dāng)。 MPC系統(tǒng)中對(duì)性能影響較大的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：① 引射器的有效截面積 F2及其形狀 引射器噴嘴出口截面積 F2和進(jìn)口截面積 F1之比 (即F2/F1)稱為收縮系數(shù) f。一般可選取 f=~。② 總管內(nèi)徑 d d 比定壓增壓系統(tǒng)的要小，其目的是為了保存速度能。 ③ 引射器與總管的交角 θ 一般 θ 角在 30176。 左右，較小的 θ 角，可對(duì)其上游的氣體起到較好的引射作用，有利于上游氣缸的掃氣。但 θ 角過小，將引起引射器流道加長(zhǎng)，甚至引起氣流產(chǎn)生分離 →流動(dòng)損失 ↑ 。增壓對(duì)柴油機(jī)工作過程主要參數(shù)的影響（ 1） 對(duì)機(jī)械應(yīng)力有關(guān)參數(shù)的影響；（ 2） 對(duì)熱應(yīng)力有關(guān)參數(shù)的影響；（ 3） 對(duì)動(dòng)力性的影響；（ 4） 對(duì)掃氣系數(shù)的影響；（ 5） 對(duì)充量系數(shù)的影響；（ 6） 對(duì)過量空氣系數(shù)的影響；（ 7） 對(duì)機(jī)械效率的影響增壓系統(tǒng)熱力參數(shù)的確定主要的增壓參數(shù)有：增壓比 πk或增壓壓力 pk(MPa)?？諝饬髁?mk(kg/s)或容積流量 Vα(m3/s)。渦輪前燃?xì)馄骄鶞囟?TT(K)。確定增壓參數(shù)的合理順序應(yīng)該是：先從考慮柴油機(jī)可靠性和壽命（熱負(fù)荷）出發(fā)，定下渦輪前的排氣溫度 TT，根據(jù)定出空氣流量 mk，再根據(jù)柴油機(jī)的通流特性確定增壓壓力 pk，然后根據(jù)渦輪增壓器的總效率確定渦輪前的平均排氣壓力，并初步確定渦輪的通流面積。 （ 1）空氣流量 mk 渦輪增壓柴油機(jī)所需的空氣流量 mL可按下列公式計(jì)算： (5－ 1)壓氣機(jī)的空氣流量 : mk=mL/Z (kg/s) 式中， Z—— 一臺(tái)柴油機(jī)所用的增壓器臺(tái)數(shù)。 αφ s是總過量空氣系數(shù)，一般通過能量平衡方程式來 估算。 (2) 增壓壓力 pkpk=ps+Δpzk16