（动力机械及工程专业论文）螺旋流排气系统变型变结构参数研究.pdf

_ 、 冷 华中科技大学硕士学位论文 摘要 结合国家自然科学基金项目“螺旋流排气管高效增压系统的机理研究”，在螺旋 流排气增压系统已在一定范围内取得较好应用效果的基础上，进行了螺旋流排气系 统的变型变结构参数的研究。分析了变型变结构参数对螺旋流排气系统两个主要性 能参数平均总压头损失和旋流强度影响程度的原因。为探明其工作机理、发展并完 善这一新型增压系统提供理论依据，并为以后的设计工作打下基础。 本文进行了m p c 增压系统与螺旋流排气系统性能实验和数值模拟对比，结果 表明：螺旋流排气系统的平均总压头损失较小，其原因在于总管切向进气减小了气 流与总管管壁的撞击损失。 旧前对螺旋流排气系统的设计在很大程度上仍沿用m p c 系统的经验设计参数。 研究表明：螺旋流排气系统与m p c 增压系统的流动特性明显不同。m p c 系统的设 计经验是否仍适合于螺旋流排气系统的设计是值得探讨的问题，因而唪文对螺旋流 排气系统进行了变型变结构参数的多方案设计，并对以上方案进行了平均总压头损 失系数和旋流强度的计算和分析。( 计算结果表明：( 1 ) 支管截面收缩比的变化对平 均总压头损失最大；支管与总管的夹角对平均总压头损失的影响较小；支管出口截 面类型的改变对平均总压头损失的影响很小。( 2 ) 支管截面收缩比对旋流强度的影 响最大；支管与总管的夹角和支管出口类型的变化也对旋流强度有较大的影响。，一 利用变型变结构参数研究的结果对螺旋流排气系统进行了变型变结构设计和 流动特性分析。f 流动特性分析结果表明：变型变结构参数后的螺旋流排气系统的流 动损失较小而旋流强度较大，在设计上相对于m p c 方式在结构型式和结构参数上 应作适当调整，这样更有利于螺旋流排气增压系统性能的发挥。厂 “ 关键词；螺旋流排气系统、变蚕錾净结构参数 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h es a t i s f a c t o r ya p p l i c a t i o no f s w i r l i n g l o w e x h a u s ts y s t e m ，t h er e s e a r c h e s o ni n f l u e n c eo nt h es w i r l i n gi n t e n s i t ya n dt h ea v e r a g eg r o s sp r e s s u r el o s s e so f s w i r l i n g f l o we x h a u s ts y s t e mw i t hv a r i a b l es t r u c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o n s ，a r ed e e p l yi n v e s t i g a t e d u n d e rt h ef i n a n c i a l s u p p o r tb yn a t i o n a l n a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n ，s oa st o l a y t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o re x p l a i n i n gi t sm e c h a n i s m ，i m p r o v i n ga n dd e v e l o p i n gt h en e w t u r b o c h a r g i n gs y s t e m c o m p a r i s o n so fc a p a b i l i t ye x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb e t w e e nm p c ss y s t e ma n d s w i r l i n gf l o we x h a u s ts y s t e mr e v e a lt h a tt h ea v e r a g eg r o s sp r e s s u r el o s s e so f t h es w i r l i n ge x h a u s t s y s t e mi ss m a l l e r t h a nm p c s ，w h i c hi n d i c a t et h e t a n g e n t i a lf l o wr e d u c e st h eb o u n c i n g l o s s e s n l ep r e s e n td e s i g nt os w i r l i n gf l o w j u n c t i o ni ss t i l lc a r r i e do na st h eo l de m p i r i c a l d e s i g no fm p cj u n c t i o n i th a sb e e nf o u n d t h a tt h ef l o w f i e l di ns w i r l i n gf l o w j u n c t i o ni s q u i t ed i f f e r e n tf r o mm p c s ，d e s p i t eo f s o m es i m i l a rf e a t u r e si nb o t ho fe x h a u s ts y s t e m w h e t h e rm p c se m p i n c a ld e s i g ni ss t i l ls u i t a b l ef o rs w i r l i n gf l o ws y s t e mo rn o ti sw e l l w o r t hd i s c u s s i n g t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h e so nv a r i a b l es t r u c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o n so f s w i r l i n gf l o wj u n c t i o na l ec o n d u c t e di nt h i sp a p e r n l er e s e a r c ho n t h es w i r l i n gi n t e n s i t y a n dt h ea v e r a g eg r o s sp r e s s u r el o s s e sw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e v e a l st h a tv a r i e t yo f b r a n c h e d p i p e s s e c t i o nc o n t r a c t i v er a t eh a v et h eg r e a t e s ti n f l u e n c eo nt h es w i r l i n gi n t e n s i t ya n dt h e a v e r a g eg r o s sp r e s s u r el o s s e s ；t h ea n g l eb e t w e e nb r a n c h e dp i p ea n dm a i np i p eh a v e s m a l l e ri n f l u e n c eo nt h ea v e r a g eg r o s sp r e s s u r el o s s e st h ev a r i e t yo fb r a n c h e dp i p e ss e c t i o n c o n t r a c t i v er a t e ；t h ev a r i a b l eg e n r e so fb r a n c h e dp i p e se x i ts e c t i o nn e a r l yh a v en oi n f l u e n c eo n 也e a v e r a g eg r o s sp r e s s u r el o s s e s ；b u tv a r i e t yo ft h ea n g l eb e t w e e nb r a n c h e dp i p ea n dm a i n p i p ea n dg e n r e so f b r a n c h e dp i p e se x i ts e c t i o n h a v e g r e a ti n f l u e n c e o nt h es w i r l i n gi n t e n s i t y u s i n g t h ec o n c l u s i o no fr e s e a r c ho nt h ev a r i a b l es t r u c t u r ea n d c o n f i g u r a t i o n ，t h i s d i s s e r t a t i o nd e s i g nt h en e ws w i r l i n ge x h a u s ts y s t e ma n ds i m u l a t et h e3 df l o w f i e l do fi t t h e r e s e a r c hr e v e a l st h a tt h ea v e r a g eg r o s sp r e s s u r el o s s e so ft h en e w s w i r l i n ge x h a u s ts y s t e mi s s m a l l e ra n dt h es w i r l i n gi n t e n s i t yi sg r e a t e r i ti n d i c a t et h a tt h es t r i l c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o n s h o u l db ep r o p e r l yv a r i e d ，w h i c hc a ni m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h es w i r l i n ge x h a u s t s y s t e m k e y w o r d s ：s w i r l i n g e x h a u s ts y s t e m ，v a r i a b l ec o n f i g u r a t i o n ，v a r i a b l es t r u c t u r e 华中科技大学硕士学位论文 1 1 选题依据及研究目的 l 绪论 一 本文选题来自国家自然科学基金资助项目“螺旋流排气管高效增压系统的机理 研究”。项目编号：5 9 8 7 6 0 1 5 。 在活塞式内燃机上提出采用涡轮增压有八十多年的历史。经过无数研究者的努 力，涡轮增压技术不断完善，推动内燃机技术性能指标迅速提高，已经成为现代内 燃机技术的重要组成部分。它是提高发动机升功率的有效途径，能显著地提高发动 机的经济性，降低排放，对内燃机的发展起到了划时代的作用“。柴油机作为重要 的动力机械由于其良好的热效率而得到了更为广泛的应用。涡轮增压技术作为柴 油机发展中一个不可或缺的部分，在现代内燃机发展中也得到了广泛且深入的研 究。几十年来，国内外科技工作者对涡轮增压系统进行了大量的研究，现已发展了 定压系统、脉冲系统、脉冲转换系统、模件式单总管排气系统( m o d u l a rs i n g l ee x h a u s t m a n i f o l d 简称为m s e m 系统) 等。3 。涡轮增压系统有效性指标决定于排气能量传递 效率和增压器综合效率这二者的乘积“1 。如何充分利用内燃机的废气能量和提高涡 轮增压器效率是国内外学者追求的重要目标。模件式脉冲转换系统( m o d u l a rp u l s e c o n v e n e r , 简称为m p c 系统) 由于其主要优点：排气管采用模件式元件，制造、安 装、维修均方便，可靠性好，增压系统的效率高，兼有定压和脉冲两种系统的优点， 且不受发动机缸数的限制，是一种有发展前途的增压方式。”。 本文所研究的螺旋流排气管增压系统是基于m p c 方式的模件式单总管排气系 量统的一种新发展。这种排气系统在m p c 方式的基础上将引射支管与总管由正向相 交改为切向相交“1 。螺旋流排气系统与m p c 系统的结构简图分别如图1 1 、1 2 所示。 目前螺旋流排气系统已经在一定范围内进行了试验及应用。试验表明：在除低 速低工况以外的大部分工况下，螺旋流系统较m p c 系统显示出良好的经济性和低 的热负荷性能“”。但是，将引射支管与总管由正向相交改为切向相交后，在排气 总管内产生了明显的有组织的绕轴线的旋转气流，其工作机理有别于m p c 方式。 根据m p c 方式进行优化的排气管系统结构参数是否仍能适用于螺旋流排气管系统 值得探讨”、“。 华中科技大学硕士学位论文 圈1 1螺旋流排气系统结构简图 。一1 j 了，多二i 羔 。 ，7 十 ? ， ! b j ，l_ j l 0 - 丑 韭 一f o 图1 - - 2m p c 系统结构简图 m p c 方式设计思想在于：为了利用定压系统中几乎全部损失的排气动能，减小 排气总管的截面积。但这样又会使排气总管内的压力波动太大而干扰下游气缸的扫 气，于是贴近每一气缸安装一缩口的脉冲转换器，将排气支管内气流的压力能转换 为动能，由排气支管进入排气总管的高速气流还会对下游气缸产生引射效果，从而 达到既能保持脉冲动能又防止压力波对下游缸扫气的干扰o 、“。实验表明，m p c 增 压系统是可行的。1 。从上叙的mpc 方式的设计思想可以看出：m p c 排气系统的支 管采用缩口的目的主要是为了减小总管压力波动对扫气的干扰。但排气支管出口 截面积减小，排气不畅，泵气损失增加。对于螺旋流排气系统而言，由于在其排气 总管内产生了有组织的绕轴线的旋流，使排气总管内的压力波动减小，对下游缸的 排气干扰减小“。因而，可以考虑增加按照m p c 方式设计的排气支管出口截面积， 改变排气支管与排气总管的夹角，改变排气支管出口截面尺寸结构，以期望减小泵 华中科技大学硕士学位论文 i i i i i 气损失，获得更好的流动特性。增加涡轮前的可利用能，从而获得更好的增压效果 陆6 、 、5 、们 作为一种新型的m s e m 增压系统，螺旋流排气管系统已经取得了良好的试验 效果。并且在实际应用中取得了令人满意的结果“7 。但是，目前螺旋流排气管系 统设计是基于m _ p c 方式的结果眠“”。有鉴于螺旋流排气管系统工作机理有别于 m p c 系统“3 ，因此，有必要找到更适合于螺旋流系统的螺旋流排气管结构参数及结 构尺寸，为以后的设计提供设计数据及依据“1 。对螺旋流排气管系统的理论研究及 实际应用都有着重要的意义。 1 2 涡轮增压排气系统发展概述 在涡轮增压内燃机中，按利用排气能量的基本方式分为定压涡轮增压系统和脉 冲涡轮增压系统，以及由此而演变和发展的其他多种涡轮增压系统“。定压排气系 统的主要优点是涡轮在定压条件下全周进气，效率较高，气流引起的激振小，不易 引起叶片断裂，排气结构简单，成本低，易于布置和维修。其缺点是脉冲能量的利 用效率低，发动机的低速扭矩和加速性能差。“。多用于高增压的四冲程柴油机和 二冲程柴油机。脉冲排气系统的主要优点是排气能量利用率高，发动机在低速、低 负荷运行时有较好的性能，起动迅速可靠，加速性能好。其缺点是对非三倍数气缸 的发动机适应性差，且结构复杂，涡轮效率低“。主要用于中、低增压度发动机。 由以上两种增压系统的特点对比可知：两种系统都有各自的适用范围及局限性“”。 为了综合两者的优点，消除两者的缺点或降低两者缺点的影响，人们采取了各种措 施，相继发展了脉冲转换系统“”、多脉冲系统“”以及模件式单总管排气系统。 图1 3 给出了直列九缸机( 发火次序为：1 3 5 798 642 1 ) 的各种增压系统 的布置方案。 脉冲转换器的概念最早是由b i r m a n n 在1 9 4 6 年提出的”。脉冲转换器主要是 针对4 、8 、1 6 缸设计的，它要求把发火间隔为3 6 0 。c a 的两个气缸连接到同一根 排气支管，并与另一根排气支管通过脉冲转换器连接到涡轮个进口。因此，丽根 排气支管与排气总管成“v 型连接“。其工作原理是：各缸废气排出时，其脉冲 排气的压力能先转化为动能，来自各缸的排气在高速和低压的情况下，在混合管中 混合，混合管使来自支管的气流速度实现平衡，较快的气流加速较慢的气流，这时， 在混合管中会产生膨胀波，当这个波传到先期排气的支管中，会产生较大的压力降 而产生引射作用，可以避免正在排气的气缸对先排气的气缸的扫气干扰：在扩压区 华中科技大学硕士学位论文 中流动的动能又转化为压力能，经过稳压室进入涡轮，使涡轮效率得到提高。这样 就结合了定压系统与脉冲系统二者的优点。使脉冲转换器的涡轮效率高于脉冲系 统，能量传递效率高于定压系统“”。 ( b ) 脉冲转换增压系统 ( d ) m s e m 增压系统 图l 一3 直列九缸发动机排气增压系统的多种布置方案 ( d ) 螺旋流排气系统( e ) 组合长支管排气系统 图1 4 多种型式m s e m 的增压系统 霞嚣 霹嚣嚼 华中科技大学硕士学位论文 多脉冲系统是脉冲系统的发展“”。在结构上，多脉冲系统把发火间隔为2 7 0 、 4 5 0 、或3 6 0 的二个气缸连在同一排气管上，然后通过多脉冲转换器连接到排气总 管，经稳压箱( 有时无稳压箱) 进入涡轮。其基本原理与脉冲转换器相同，都是利 用压力波传递能量，减少传递损失，连续稳定的向涡轮供气。该排气系统的能量利 用率高，在高负荷时其性能接近定压系统，低负荷时接近脉冲系统。多脉冲系统的 应用较为广泛，但其结构复杂“”。 尽管脉冲转换系统和多脉冲转换系统也都兼有定压系统和脉冲系统的优点，但 它们都需采用一个经特殊设计、形状复杂的管接头来连接分支的排气总管，无疑使 得结构复杂，难于系列化生产“”。与脉冲转换系统和度脉冲转换系统相比，模件式 单排气总管增压系统具有结构简单、模件式适合于系列化生产的优点，今后会得到 更加广泛的应用。四冲程柴油机进入高增压后，模件式单总管排气系统得到不断发 展。因为对于高增压柴油机来说，满足高工况与低工况的矛盾更加突出，另外由于 涡轮增压器总效率不断提高，这为采用m s e m 增压系统创造了条件”。到目前为止， m s e m 增压系统己相继发展了5 种不同型式的增压系统，分别为模件式脉冲转换系 统( m o d u l a rp u l s ec o n v e r t e rs y s t e m ) 、扩压长支管摊气系统、长支管排气系统、螺 旋流排气系统、组合长支管排气系统“、“。如图1 - 4 所示。下面分别简述这几种 最具代表性的m s e m 增压系统。 1 模件式脉冲转换系统( m o d u l a rp u l s ec o n v e r t e rs y s t e m ) 1 9 7 8 年法国热机研究所的r c u r t i l 等人“”首次提出了一种兼有脉冲系统和定 压系统的优点，且结构简单的模件式脉冲转换系统，结构形式如图卜4 ( a ) 所示。模 件式脉冲转换系统，简称m p c 系统，是 f s e m 增压系统中最早出现，并且也是应用 最为普遍的一种增压系统。它由渐缩引射喷管、排气总管和定压涡轮组合而成。m p c 系统在形式上初看起来像定压系统，但实质上是多脉冲系统的进一步发展，其设计 意图是在保留脉冲系统和定压系统的优点的同时，克服在脉冲增压系统中存在的压 力波和反射以及在定压系统中气流脉冲能的损失“”3 。其基本的工作原理为：由 于采用了容积较小的引射喷管，在排气初始阶段管内压力容易迅速地建立，使得气 门处的排气节流损失减小；排气脉冲能在引射喷管中转化为动能并在排气总管内部 分保留下来，提高排气能量的利用率；引射喷管出口处的加速气流对总管中的气体 起引射加速作用，以及较小的总管管径( 相对定压系统而言) ，使得m p c 系统既充， 分利用了排气动能，又降低了总管内的压力波动，从而减少相邻缸之间的排气干扰 现象“”3 。因此，m p c 系统得到了广泛的应用和研究啪“2 2 2 “。 一一 5 华中科技大学硕士学位论文 2 m s 踟中的长支管捧气系统 m p c 系统采用收缩喷口是为了防止反射波和总管内的压力波动引起扫气干扰， 以及避免气流在喉口中出现倒流现象。但若缩口面积过小，引射管内产生的压力波 动将增大排气阀前的压力，虽能减少排气阀处的节流损失，但在缩口处又产生新的 节流损失，结果可能增大泵气损失。既然缩口的主要目的是为了减少泵气功和防止 扫气干扰，那么完全可以采用其它措施，如加长支管等来取代支管缩口方式。这样 既可以满足扫气不受干扰的要求，同时又能满足泵气损失小的要求。于是发展了长 排气支管系统和扩压单排气总管系统。”，其结构形式见图卜4 ( b ) 和( c ) 。如在 。 z a 4 0 s 和$ 2 0 等柴油机上就采用了长排气支管系统0 3 。在一些扫气重叠很小的高速 柴油机上，甚至采用了扩压型长排气支管系统，以进一步减少泵气损失，如8 l 3 0 0 型柴油机采用了带扩压管的长支管单排气总管系统。1 。图卜4 ( e ) 为7 f d l 、1 6 v 2 4 0 z j e 等柴油机上采用的组合式长支管排气系统。文献 2 7 对扩压长支管排气系统的性能 进行过研究，并对低增压柴油机6 1 3 5 z l c a 和中度增压柴油机8 3 0 0 d g - 3 上分别使用 扩压长支管排气系统进行多方案模拟计算和实验研究，研究结果表明：柴油机的增 压度高，该系统的长处能够得到体现，而增压度低，该系统的优点体现不明显，甚 至劣于m p c 系统和脉冲系统。此外，长支管系统也增加了发动机的总体尺寸和布黄 上的困难，应用受到限制。总的来说，长支管系统对低速大型船用柴油机较为适宜。 3 螺旋流排气增压系统 长排气支管和带扩压长支管的单排气总管系统由于加长或加粗了排气支管，排 气管的总容积也随之增加，因而其性能更接近于定压系统，响应特性和部分负荷特 性受到影响，为克服这一缺点，同时仍然要保证泵气损失小和扫气不干扰的要求， 近年来我校发展了螺旋流排气增压系统。 螺旋流排气增压系统，最早与m p c 系统同时由法国热机研究所推出，当时称为 组合脉冲转换器b 方案( m p c 系统为a 方案) ，以后一直未见到其有关的报道。直到 八十年代中期，w a r t s i l a 公司1 才正式在v a s a 4 6 中速柴油机上使用类似于方案b 的螺旋流排气系统，见图卜2 ( d ) 所示。该系统采取总管内装套管的措施来防止扫 气干扰，因而排气总管的直径较大，实际上这是一种旋流定压增压系统“。由于 这种特殊的排气管设计，气体从气缸的两个排气门流进一个螺旋支管，切向进入排 气总管，排气总管内嵌一个套管，使气体在进入涡轮前产生轴向螺旋气流，这样既 可以避免扫气干扰，排气支管不用缩口，减少泵气功损失，又可以较好地利用气体 的动能，使发动机具有较好的加速性和部分负荷特性。 旋流定压系统显然对柴油机的瞬态特性不是很有利，此外，带有套管结构的旋 _ _ _ _ _ 一 6 华中科技大学硕士学位论文 流排气管也难以应用在小缸径的柴油机上。为此，文献 5 在基于m p c 系统的基本 工作原理的基础上，提出了一种新型的无套管螺旋流增压系统，结构形式见图卜l 。 其设计构思是在保留m p c 系统原有优点的基础之上，进一步削弱总管内的压力波动 和扫气干扰，同时又可有效地保留引射动能“。在6 1 3 5 a z d 柴油机上采用无套 管的螺旋流排气系统，与原机的三脉冲系统相比取得了令人满意的效果。除此之外， 文献 6 采用数学规划的方法对n 8 1 6 0 z c 柴油机螺旋流排气系统结构参数进行优化 设计，并进行了螺旋流系统与m p c 系统的对比试验，试验研究显示：在大部分运行 工况下，螺旋流系统较m p c 系统具有良好的经济性和低的热负荷：在低速低负荷的 工况下，则较m p c 系统稍差。对比试验证实了螺旋流系统较m p c 系统具有更好的增 压效果。由此可见，螺旋流排气系统是一种很有发展潜力的增压系统哪“川。目前国 内外对其进行的研究还很不够，在设计这种排气系统时主要依赖与m p c 系统的结构 参数。找出更适合与螺旋流排气系统的结构参数会推动使它得到更为广泛的应用， 对推动螺旋流排气系统的发展具有深远的意义。 对于k i s e m 增压系统，尽管其排气支管的结构型式各不相同，但都具有以下几方 面的特点“”1 ： ( 1 ) 在结构上比较简单，不论缸数的多少，只有一根单一的排气总管。 ( 2 ) 相对与定压系统排气总管直径较小，使排气管系的总体尺寸和重量较小， 因此在布置上较为方便。 ( 3 ) 制造成本低，由于分支管可做成模件式，适用于系列化生产。 ( 4 ) 总管容积介于脉冲系统和定压系统之间，支管形式的不同，主要是解决扫 气干扰和泵气功的问题。 ( 5 ) 稳态性能兼有脉冲系统和定压系统的优点。低工况性能近于脉冲系统而大 大优于定压系统；高工况性能优于脉冲系统，瞬态响应特性接近于脉冲系统。 ( 6 ) 涡轮前压力波动小，近于定压系统，因此涡轮效率高，也不需要如用于脉 冲系统时带有叶片防震措施。 ( 7 ) 对同一台柴油机，模件式单排气总管系统的扫气过程在各缸之间稍有差别， 不同缸数的柴油机相互之间也略有差别，但这不影响整机性能。 对模件式单排气总管系统而言，影响因素主要是泵气功和排气干扰，当采取一 定措施，如根据整机性能参数不同，通过优化设计选择适当的排气支管截面积，排 气支管与排气总管采取不同的连接形式，获选择适当的排气正时，或改变发火顺序 等，可使其影响减小到最小。通过以上说明和分析表明模件式单排气总管系统系统 的优点是突出的，因此近年来，使用模件式单排气总管系统增压系统的发动机逐渐 一一 7 华中科技大学硕士学位论文 增多。不过每一种增压系统有各自的适用范围，根据各种排气系统的特点，其应用 范围如表l 一1 所示”1 。从表卜2 中给出的各种增压系统的性能对比中可看出，没有 一种增压系统是十全十美的，每种增压系统都有各自的特点和适用范围，且各种增 压系统之间有相互融合和补充的发展趋势汹1 。因此，本文将通过对螺旋流排气增压 系统进行更为深入的研究，对基于mpc 方式设计的螺旋流排气管进行变型、变结 构参数研究，为螺旋流排气系统的设计工作提供依据。 表l 一1 各种排气系统的应用范围 增压方式适用缸数p e ( m p a ) 的适用范围适用柴油机的种类 脉冲6 ，1 2p e 2 o ( 三脉冲) 低、中、高速( 4 、5 、7 缸不适用) 系统8 ，1 6p e 1 4 ( 双脉冲)较适合车用机 脉冲转换系统 8 ，1 6p e 1 4 中速、中高速，非三倍数缸 定压 6 ，1 2p e 2 o 较适合与船用机 系统5 ，7p e 1 5 多脉冲系统p e 1 4 单总管排气系统( u p c )任意p e 2o 中速，中高速( 转速范围不宜太大 双脉冲三脉冲脉冲转换多脉冲定压m p c长支管螺旋流 全负荷扫气 + + + + + + 部分负荷扫气 + + + + + 部分负荷进气压力温度 + + +4 - + + 加载能力 + + + + + + 部分负荷燃油消耗率 + + 全负荷燃油消耗率 + + + + + + + + + 增压器高压比的匹配性能 + + + + + + + + 涡轮叶片振动 + + + + + + + 对任意缸数的适应性 + + + + + 结构简单和可靠性 + + + + + ( 注：“+ ”“一”的多少分别表示改善或恶化的程度) 1 3 本文的工作 本文是在螺旋流排气增压系统已经在多种机型上取得成功应用的基础上进行 的。这些设计都是按照m p c 系统经验设计数据选取结构参数的，结构型式也未作 华中科技大学硕士学位论文 变动，仅只是将支管与总管由正向相交改为切向相交。从管内流动的结果显示，螺 旋流排气系统的流场特性相对于m p c 系统有了很大的变化，整机性能有所提高。 由此，使我们思考这样一个问题：m p c 方式的结构型式与结构参数是否仍然适用于 螺旋流系统? 在结构型式和结构参数上是否应有所改变? 结果会如何? 这就是本 文立题的出发点，由此开展本文的工作。限于条件和本文作者的能力，作为一篇硕 士论文主要进行了以下几项工作，并与曹立博士的论文工作相配合： 1 对n 8 1 6 0 z c 柴油机m p c 系统和螺旋流排气增压系统进行了平均总压头损 失计算，对这两者的流场进行了数值模拟与分析。 。 2 对螺旋流排气系统进行了变型、变结构参数的设计，并对这些方案进行了 旋流强度和平均总压头损失的计算和对比，找出了不同结构参数的变化对旋流强度 和平均总压头损失的影响程度及状况。找到螺旋流排气系统的旋流强度和平均总压 头损失变化的联系。为螺旋流排气系统的设计提供了理论依据。 3 根据结构参数的变化对旋流强度和平均总压头损失的影响状况，找出适合 于螺旋流排气系统的结构参数。对螺旋流排气系统进行了变型、变结构参数设计， 并与基于m p c 方式的螺旋流排气系统进行了性能对比计算，分析了这两者的流动 特性。 华中科技大学硕士学位论文 2 螺旋流排气系统与m p c 系统性能对比分析 2 1 引言 螺旋流排气系统是基于m p c 系统的种新发展。目前已用于n 8 1 6 0 z c 、 c a t 6 1 2 1 、6 1 3 5 a z d 等不同的机型上，并取得了较好的应用效果。以上机型有的缸 数为3 的倍数，一般而言适合采用脉冲增压系统。但采用螺旋流排气系统后发动机 仍具有较好的性能。螺旋流排气系统作为新型的增压系统，对它研究得并不够。由 于螺旋流排气系统是从m p c 增压系统发展而来的，将两者进行性能对比实验和数 值模拟分析对认识螺旋流排气系统的工作机理是非常必要的。 2 2 螺旋流排气系统设计与性能实验 对模件式单总管排气系统来讲，其设计的基本要求是：气体在排气系统中流动 损失尽可能小，以获得较高的废气能量传递效率：尽可能减小气体在总管中的压力 波动，并避免对下游缸的扫气干扰，以便尽可能降低涡轮前的压力波动，以获得较 高的涡轮效率 3 2 j 。1 9 9 3 年，万本华博士在进行螺旋流排气管系统设计时：( 1 ) 首先 进行m p c 模件参数的优化设计，在其最优结构参数的条件下进行排气管系统结构 的改进设计；( 2 ) 在m p c 模件设计时以加工工艺条件许可为前提，将m p c 系统的 引射喷管尽可能与总管管壁切向相接，这样使得引射喷管出口处的高速气体进入总 管时，气体沿着总管管壁流向涡轮的同时产生螺旋运动。mpc 排气管系统与螺旋 流排气管系统的结构参数简图分别如图2 一l 、2 2 所示。螺旋流排气系统只是在 mpc 增压系统的基础上，将排气支管沿排气总管径向平移，m p c 系统中的排气支 管与排气总管正向相交改为切向相交。而结构参数未加任何改动。 m p c 增压系统的结构参数有如下四个【2 4 3 3 3 4 、3 5 】：1 排气支管与总管的夹角a ；2 支管截面收缩比( p ；3 排气总管直径d ；4 支管曲率半径r 。在进行m p c 系统设计 时，从分支接头处的压力损失方面考虑，0 越小，压力损失就越小，排气能量传递 效率就越高。1 2 越小，对柴油机性能越有利。但是，a 过小会给加工带来许多困难。 因此，仪也不宣过小，对一般的柴油机以不小于2 5 。为宜。支管截面收缩比( p 是影响 m p c 系统性能的重要参数。当中减小时，支管内的压力能更多的转换成动能，使气 华中科技大学硕士学位论文 体进入总管前压力下降而速度上升。但在与总管内气体汇合时，碰撞损失增加，能 量传递效率下降。当q 较小时，支管与总管间的动力隔离作用较好，它一方面使气 缸排气初期气流的脉动压力不直接传到排气总管去。同时也缩短了排气支管内气体 的充气时间，使气阀出口节流损失减小。但由于排气支管内压力较高会使排气推出 功增加，降低发动机的性能。因此，对肇的选取应从发动机的总体性能考虑。一般 而言，( p 的最佳范围为0 5 5 0 7 5 。要想有效的利用自由排气能量，就要求尽可能小 的总管直径。但管径越小，排气总管内压力幅度和波动就越大，气流速度也越高， 使得流动损失增加。因此，为减小沿排气管的压力降，有加大总管直径的发展趋势。 所以对排气总管直径的选取必须综合考虑发动机的各方面因素。就一般情况而言， 总管直径应相当于气缸直径的o 5 o 6 。在a 一定的前提下，增大r 会使排气支管 变长，使沿程损失增加。但弯管内气体的流动损失主要是由于内壁形成的涡流引起 的，r 越大，由于涡流引起的压力损失就越小。因此，在结构允许的前提下，r 越 大对柴油机性能越有利。 图2 2螺旋流排气系统结构简图 l l 华中科技大学硕士学位论文 万本华博士于1 9 9 2 年设计了适合于6 1 3 5 a z d 的基于m p c 方式的适合于 6 1 3 5 a z d 的螺旋流排气系统。他首先对m p c 系统的结构参数进行了优化，优化的 结果为：排气支管与排气总管夹角a = 3 0 0 、排气支管截面收缩比伞= o 6 4 、排气总管 的直径取为发动机缸径的0 5 5 ，即r = 7 4 r a m 、在发动机结构允许的前提下，取排 气支管曲率半径为6 1 m m 。然后将排气支管与总管在加工条件允许情况下切向相交。 在6 1 3 5 a z d 柴油机上与脉冲系统进行了性能对比试验，试验结果如表2 1 所 - i r i ： 表2 1性能对比试验结果 发动机 标定工况1 1 0 标定工况5 0 标定工况 标定转速 n = 1 5 0 0 r m i n 螺旋流三脉冲螺旋流 三脉冲螺旋流三脉冲 功率n e ( k w ) 1 6 1 71 6 1 81 7 7 91 7 8 18 0 98 0 5 油耗率 2 2 0 4 72 3 0 9 02 2 2 6 82 3 8 5 62 3 9 0 52 3 7 8 2 b ( g l k w h 、 增压比“k 1 6 61 5 31 7 5 1 5 91 2 5 1 2 6 涡轮转速 5 5 0 0 05 7 3 0 0 3 5 2 0 0 n r m i n ) 排气温度 5 5 06 0 06 0 06 4 03 7 03 7 0 t k 、 实验结果表明：螺旋流排气系统具有更好的增压效果。在标定工况下柴油机燃 油消耗率由原机的2 3 0 9 0 ( g k w h ) ，下降了1 0 4 3 ( g k w h ) 之多，增压比由原机的 1 5 3 增加到1 6 6 ，压气机流量由原机的o 2 7 5 增加到0 2 8 7 ：在全负荷工况下燃油消 耗率由2 3 8 5 6 ( e f k w h ) 下降到2 2 2 6 8 ( g k w h ) ，下降了1 5 8 8 ( g ，k w h ) ；在5 0 标 定工况下，螺旋流排气系统的性能比三脉冲系统略差，但是两排气系统的排温基本 相同。尽管一般认为三脉冲系统更适合六缸机，但以上的实验结果表明采用螺旋流 排气系统后的发动机较原机具有更好的性能。万本华博士还利用成熟的工作过程软 件进行了数值模拟计算，对m p c 系统与三脉冲系统性能参数进行对比计算。计算 结果与实测值如表2 2 所示。由图中可以看出三脉冲系统的性能参数计算值与实 测值是吻合的，因此由理由认为m p c 的计算值与实测值相比较是准确的。从表中 可以看出：6 1 3 5 a z d 柴油机由三脉冲系统改为m p c 系统后，在标定工况下，油耗 率下降了4 7 6 9 k w h ，增压比由1 5 3 增加到1 6 1 ，涡轮绝热效率由o 6 0 增加到o 6 3 。 总的来说，采用m p c 系统后，发动机性能虽有提高，但改善较螺旋流系统并不明 显。在此不久之前，上海交通大学也进行过6 1 3 5 a z d 的排气系统性能改进工作， 采用m p c 系统代替三脉冲系统，但效果并不显著。这也间接证明了采用螺旋流排 一_ 一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 气系统的6 1 3 5 a z d 的性能强于m p c 系统，即可说明：与mpc 系统相比，螺旋流 排气系统具有较高的废气能量利用率。 表2 - - 26 1 3 5 a z d 柴油机性能参数计算结果 变量名称脉冲( 计算)脉冲( 实测) m p c ( 计算) 发动机功率n e ( k w )1 6 1 7 l1 6 0 8 01 6 1 7 1 发动机转速n ( r m i n )1 5 0 01 5 0 01 5 0 0 燃油消耗率g e ( g k w h ) 2 3 0 5 42 3 0 9 0 2 2 5 7 8 增压比( nk )1 5 41 5 3 1 6 l 压气机出口温度t k ( c ) 9 09 5 9 3 空气流量g s ( k g s )0 2 8 30 2 7 50 2 9 l 涡轮进口温度t t ( )5 8 56 0 05 6 0 涡轮进口压力p t ( m p a ) 1 4 4 51 4 5 l1 4 8 2 最高爆发压力p z ( m p a ) 8 9 6 49 0 2 391 2 涡轮绝热效率e t s06 0o 6 3 压与加纰孰曲蛊f k 0 7 407 4 1 9 9 9 年，甘在见硕士结合上海柴油机股份有限公司的c a t 6 1 2 1 型柴油机性能改 进项目，进行了c a t 6 1 2 1 型柴油机增压排气系统的改造工作。在万本华博士和帅石 金博士等人工作的基础上及已有的成熟的工作过程数值模拟软件【3 9 】，首先进行了 m p c 系统的计算工作，并在基于m p c 方式增压系统的基础上，设计了螺旋流排气 系统。然后在上海柴油机股份有限公司的c a t 6 1 2 1 型柴油机上进行了螺旋流排气增 压系统与脉冲系统性能对比实验。外特性和负荷特性( n = 2 1 0 0 r r a i n ) 实验结果分别 如表2 3 和2 4 所示。 表2 - - 3 螺旋流排气增压系统于脉冲增压系统外特性对比试验结果 转运g e ( g k w h ) 功率k w ) 增压比“kt r ( 1 流燕 k g s ) r l m i n 脉冲螺旋流脉冲螺旋流脉冲螺旋流脉冲螺旋藏辣冲螺旋流 2 1 0 02 3 782 3 652 1 0 5 2 1 7 023 52 3 9 86 7 36 6 10 2 8 602 8 4 2 0 0 02 3 3 92 3 1 42 1 3 52 1 7 52 3 4 32 3 6 66 7 96 7 70 2 5 l02 6 4 1 9 0 02 3 2 02 3 052 1 0 5 2 1 502 2 2 82 3 3 36 9 16 9 50 2 3 l0 2 4 2 1 8 0 02 2 9 22 2 962 0 80 2 1 2 02 2 2 02 2 8 67 0 17 1 50 2 1 10 2 2 5 1 7 0 02 2 9 82 3 1i2 0 3 02 0 3 52 2 0 42 2 1 07 1 27 3 00 1 8 60 1 8 5 1 6 0 02 3 0 32 3 2 61 9 60 1 9 802 1 1 52 1 4 57 2 67 4 60 1 5 60 1 5 7 1 3 华中科技大学硕士学位论文 表2 - - 4 螺旋流排气增压系统与脉冲增压系统负荷特性( n = 2 1 0 0 r m i n ) 对比实验结果 负荷璋 g e ( g k w 。h ) p t ( m p a ) 增压比“kt r ( 、 流量( k g s ) ( ) 脉冲螺旋蠢脉冲螺旋流脉冲螺旋流脉冲螺旋浦脉冲螺旋涌 1 0 02 3 7 82 3 6 56 7 26 6 l2 3 4 92 3 9 90 2 0 30 2 3 80 2 8 60 2 8 4 9 02 3 5 62 3 4 96 5 96 4 82 2 4 02 2 9 50 1 9 l0 2 3 1 0 2 5 80 2 7 0 8 02 3 7 72 3 6 26 3 56 2 52 0 6 02 1 4 20 1 7 80 2 2 00 2 2 5o 2 3 9 7 02 4 1 52 4 0 46 0 85 9 5 1 8 9 92 0 1 80 1 6 8o 2 1 50 1 9 0o 2 1 6 6 02 4 8 72 4 7 75 8 l5 5 31 7 4 91 8 5 0o 15 70 2 1 l0 1 6 3o 1 9 4 5 02 5 9 82 5 5 75 4 24 9 8l