（热能工程专业论文）气波增压柴油机排气系统设计与研究.pdf

摘要 本文针对涡轮增压柴油机存在低速性能、瞬态响应性能和排放性能较麓的问 题开震了气渡瑶压蘩溜撬爨疆究。主要内容是：s o f i m 8 1 4 0 4 7 浜轮增压綮潼撬 改装为气波增压柴油机；多方案排气系统计算与设计；不同设计方案气演增压匹 配对比实验。 接气系统豹设诗魏括兹步设谤巍谯毯设计。袋用一维定鬻瀛理论、拉伐尔喷 管理论和激波理论对排气管进幸亍初步参数设计。根据设计结果，利用f l u e n t 流体计算软件进行优化设计。f l u 烈t 模拟计辫直观显示了激波的存在位鬣及管 蠹流体豹压力、速度特性。优化设计提高了撵气管的结构紧凑性，减小了 j 气管 中流体流动阻力。 气波增压匹配对比实验表明，中间出口排气管气波增压柴油机低速动力性能 和排放憔能显著提高；中、高速动力性能有所黪低，n o x 、h c 排放仍有较大提 高。一翻出口莽 气管气渡灌压紫漓辘低、牵逮动力淫髓帮攥放经麓显著稳蠢；裹 速动力性能略有降低，n o x 、h c 排放仍有较大提高。最终确定一种满足既能满 足气体流动顺畅性，又能满足安装结构紧凑性的s o f i m 8 1 4 0 ，4 7 气波增压柴油机， 蓬毫繁涵穰翡羝透瞧麓衣趱速瞧簸，改善燃涵经济毪l 霸蓑 放瞧能，其中，n o x 、 h c 、 a c ( 烟度) 排放低于原机水平。 目前仍然存在的问题是，气波增压柴油机的高速性能较麓，原因之一是受原 规遂臻气管毒置位嚣瓣疆割，撼气餐对遴气严麓麓热，镬荣濑凝毫速薅邀气羹不 足。可邋过增大排气管容积，减小排气管对避气的加热，进步优优速比簿方法 改善气波增压柴油机的高速性能。 馒煺f l u e n t 摸拟计算的方法优化设计撼气系统，不仅节省经费玎支，还 可以节省时闻，缩短设计周期。撵气系统内气体流动模掇计算与分丰厅方法缝予国 内先避水平。 关继谲；气渡增压；澎扩式簿气管；最佳速魄；激渡 a b s t r a c t t oi m p r o v et h ep o o rl o ws p e e dp e r f o r m a n c e ，t r a n s i e n tr e s p o n s ep e r f o r m a n c ea n d e x h a u s te m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e ，t h ep e r f o r m a n c eo f p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n ei ss t u d i e di nt h i sp a p e rt h em a i nr e s e a r c h c o n s e n t sa r et h er e t r o f i to ft u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n et op r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e d d i e s e le n g i n e ，t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fe x h a u s ts y s t e ma n dt h ee x p e r i m e n to nt h e p e r f o r m a n c eo fp r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n em a t c h i n gw i t hd i f f e r e n t r e d e s i g n e de x h a u s tp i p e t h ed e s i g no fe x h a u s ts y s t e mi n c l u d e sp r e l i m i n a r ya n do p t i m u md e s i g no nt h e b a s i so f1 ds t e a d yf l o wt h e o r y , l a v a ln o z z l et h e o r ya n ds h o c kw a v et h e o r y ，t h e p r e l i m i n a r yd e s i g ni sc a r r i e do u t 1 1 1 eo p t i m u md e s i g ni sm a d eb yu s eo ff l u e n t ( c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i cs o f t w a r e ) w ec a ne a s i l yg e tt h es h o c kw a v ea r e aa n d t h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yo ft h ef l u i dt h r o u g ht h ec o n c l u s i o n so fs i m u l a t i o n t h e f i n d i n gf r o mt h eo p t i m u md e s i g ni s t h eo u t l e ta r e ao fe x h a u s tp i p es h o u l db e d e c r e a s e d t h ef l o wr e s i s t a n c ei sr e d u c e da l s o s o m ec o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t so nt h ep e r f o r m a n c eo f p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n e i nt h el o ws p e e dr a n g e ，t h ep o w e ra n d e m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h ee x h a u s tp i p ew i mc e n t r a lo u t l e tt y p ep r e s s u r ew a v e s u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n ei ss u p e r i o rt ot h a to ft u r b o c h a r g e d i nt h em e d i u m - t o h i g h s p e e dr a n g e ，t h ep o w e rp e r f o r m a n c eo ft h ee x h a u s tp i p ew i t hc e n t r a lo u t l e tt y p e p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n ei si n f e r i o rt ot h a to ft u r b o c h a r g e d ，n o xa n d h ce m i s s i o n sp e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt ot u r b o c h a r g e d i nt h el o w t o m e d i u ms p e e d r a n g e ，t h ep o w e ra n de m i s s i o np e r f o r m a n c eo fp r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e dd i e s e l e n g i n ew i t ht h ee x h a u s tp i p ew i t hl a t e r a lo u t l e tt y p ei ss u p e r i o rt ot h a to ft u r b o c h a r g e d i nt h eh i g hs p e e dr a n g e ，t h ep o w e rp e r f o r m a n c eo fp r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e dd i e s e l e n g i n ew i t ht h ee x h a u s tp i p ew i t hl a t e r a lo u t l e tt y p ei si n f e r i o rt ot h a to ft u r b o c h a r g e d ， n o xa n dh ce m i s s i o n sp e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt 0t u r b o c h a r g e d i nt h ee n d o nt h e b a s i so ft h e o r ya n di n s t a l l a t i o nr e q u i r e m e n t ，w ef i n dt h ef i n a lk i n do fs o f l m 814 0 4 7 p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n et h a tc a ni m p r o v e s t h el o ws p e e d p e r f o r m a n c e ，a c c e l e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n d e x h a u s te m i s s i o np e r f o r m a n c e o n er e a s o nt h a tt h ep r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n eh a sp o o rh i g hs p e e d p e r f o r m a n c ei st h eh e a t i n go ft h ee x h a u s tp i p et ot h ei n l e tp i p et oi m p r o v et h eh i g h s p e e dp e r f o r m a n c eo fp r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e dd i e s e le n g i n e ，s o m es u g g e s t i o n s a r er e c o m m e n d e d t h ef i r s tm e t h o di st oi n c r e a s ee x h a u s tp i p ev o l u m e ，t h es e c o n di s t od e c r e a s et h eh e a t i n go ft h ee x h a u s tp i p et ot h ei n l e tp i p ea n dt h el a s ti st oo p t i m i z e t h eo p t i m a lp u l l e yr a t i o b yu s i n go ff l u e n tt od e s i g ne x h a u s tp i p e f u n da n dt i m ec a nb es a v e da n d d e s i g nc y c l ec a nb es h o r t e n e d i ti sa na d v a n c et e c h n o l o g yt oo p t i m i z et h ee x h a u s t p i p ew i t hf l u e n t k e yw o r d s ：p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e r ；d i v e r g e n te x h a u s tp i p e o p t i m a lp u l l e yr a t i o ；s h o c kw a v e ； i i 独创性声溺 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究或蘩。器我须懿，羧了文孛特疑秀羹淤蠡注寂致谢戆建方终，论文中不爨食其照 人已经发表或撰写邀的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位戚证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文串终了赘确懿说黉莠表承了瀣意。 撩名：墨塑嚣期：塑堂：! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了鳃北窳工业大学裔关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 僳蟹送交论文静复帮俘，竞诲论文被查阅和偻藏；学校胃酸公布论文豹全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或艇他复制手段保存论文。 憝名：薹鍪导师熬名：鲢叠墅 日期：垫竺6 ：璺 第1 章绪论 1 1 概述 近年来，随着汽车工业及交通运输业的迅速发展，全球汽车保有量的不断增 加，社会对汽车排放要求日趋严格，要求汽车不仅要有好的动力和经济性能，还 要有好的排放性能；对发动机的要求也越来越高，过度工况的响应性能和排放性 能希望能够得到改善。排放指标主要包括仉、h c 、颗粒排放等。为满足发展 需求，目前生产的柴油机一般都采用了增压技术，与非增压发动机相比，增压发 动机有更好的动力性能，经济性能和排放性能川。 柴油机采用的增压方法主要有四种：机械增压、废气涡轮增压、气波增压、 复合增压拉j 。目前，柴油机采用的是废气涡轮增压，因为废气涡轮增压有它的优 越性，但这种增压方式也受其自身结构及性能的限制。废气涡轮增压的主要缺陷 是低速响应性能和加速性能差，主要表现为加速时冒黑烟和n o x 排放偏高，这 是由于其本身存在“涡轮滞后”所导致的。气波增压技术在这些方面具有较大优 势，所以气波增压发动机的研究受到广泛关注。 与涡轮增压相比，气波增压具有结构简单、制造方便、不需昂贵的耐热合金 材料等优点。当然，气波增压也有它自身的缺点，主要表现为体积大、噪声大等。 气波增压( p w s ) 利用废气直接作用新鲜空气，把能量传递给新鲜空气， 并压缩新鲜空气【3 1 ，实现对进气的增压。由于进气与废气直接接触，不会存在 “涡轮滞后”现象。因此，根据气波增器的工作原理原理可知，气波增压具有良 好的瞬时响应性能和加速性能5 1 。由于废气与进气直接接触，具有一定的废气 再循环( e g r ) 效应，使得气波增压发动机的n o x 排放【4 j f 氐于涡轮增压发动机。 气波增压发动机要求进入增压器的排气压力尽可能稳定1 ，以免破坏增压器 转子槽道内的压力波系，因此需要重新设计排气管。气门刚刚打丌时，气流是超 声速流动，流出气缸的超l 临界气流在新设计的排气支管中应能进一步膨胀，在进 入气波增压器前以激波的形式实现动能到势能的转换，使气流由超声速流动变为 亚声速流动。 前人做过较多内燃机中气体的流动分析 7 1 ，但使用c f d ( c o m p u t a t i o nf l u i d d y n a m i c ) 软件模拟排气管中气体流动的研究基本没有，本文使_ e = if l u e n t 流体 计算软件模拟计算排气管中气体流动，增加了气体流动可视性，优化了排气管的 设计。考虑气体流动顺畅性和安装结构紧凑性两种要求，设计了渐扩式中央出口 排气管和渐扩式一侧出口排气管。 发动机曲轴通过皮带驱动气波增压器转子，转子转速与曲轴转速之比为气波 增压器的速比，为了使发动机在各个工况下均能实现较高的增压比，需通过实验 北京工业太掌工学硕士学位论文 i i 确定最建璞鹾速毙秽j ，为了速比调夔方便，采曩交频电规调整转予转速，实缆不 同的速眈，通过实验测鬣发动机综合特性，确定嚣个转速下的鬣佳增压速比，遴 一步综合得到整个运行工况的最佳增腿速比。采用煅终确定的最佳增压速比和改 进的排气镣与气波增压器匹配成气波增压柴油机，避行台架实验，得出气波增压 柒涵凝与滋轮缮压柒滚瓿动力、经漭、捺款整麓熬麓筹。 1 2 课题经费来源 课题经费来源：北京市黩然基金，南裘跃进汽车集豳公司 1 3 课鞑研究目的及意义 研究豳的及意义：随着社会的发展，节能与环保倍受关注。汽车数量增加， 大气污染热副，其中汽车尾气是造成大气污染的主矮骧困之一。此辨，能源危机 的发生，更馁人们认识剐节能的重要瞧。困诧，改避汽车酶燃濑经济性髓和擗放 性能被提上日程。 根据前人的研究，谯柴油机上使用气波增压器对改善柴油机性能比较有效。 遂过镬震气渡增压发动棱，改善发动獍低速住襞移麴速淫麓，克凝涡轮增悉发动 机的“涡轮滞后”现象。改善柴油机的低速瞬时响应性能、燃油经济性能和排放 性能，其中n o x ，h c 、烟度排放达到欧洲i i 号排放标准，瞬时响应性能和加速 性能撂到改善，低速涵裁蹲低。通过焱柴油辊上搜惩气渡增压器，可以改善汽车 的排放性能，对环保事业有重要意义：还可鞋改藩燃油经济性熊，节约麓源t 。 我国环境污染比较严重。据统计，我国一辆汽车的尾气对大气造成的污染相 当于只本十辆汽车的尾气对大气造成豹污染 i o l 。j e 窳是世界污染媛严重的城市之 一，萁中汽车簿教污染蠢缀大跑重。溺我，蟊露鬻德发魂掇羲 救性能，成为j e 京 市科学研究的重点之。南京跃进汽车集团公司也把降低汽车排放作为一项麓要 任务i9 1 。 4 国内乡| 、耢究现状 1 9 4 3 年，瑞士人s e i p p l ec 提出利用气波传递能量的概念。2 0 世纪5 0 年代 b b c ( b r o w n b o v e r ic o ) 公司研制出样机。1 9 5 6 年，气波增压器成功应用到农 曩撬控掇上。1 9 6 9 年b b c 公司薅一螽c x l s 0 型气波增压器与璃量s a u r e r 公司 的5 d f 型发动机配套厝袈在汽车上谶行了试验，结果证明气波增j e 器具有良好 的扭矩特性和加速性能，非常适用予汽车。之后，气波增压器不断发展，荚圈凯 特匹勒公镯，德国戴姆勒。奔驰公司，德国丈众汽车公司，欢宝汽车公司等帮喾 在汽车上安装了气渡增压器进行道路试验，并取褥了良荮的彀粜“。 我国七十年代初期开始进行气波增压的研究，其中上海内燃机研究所，中科 院广州能源所等都曾研制过不同型号的气波增压器，且与柴油机进行了匹溅试 第1 苹绪论 验，取得了良好的效果i l 。 b b c 公司根据不同的发动机特性研究出了适合各种发动机的气波增压器， 具体选用时可根据发动机的功率确定所要使用的气波增压器的型号。b b c 公司 还做了根据发动机缸数不同，确定排气管容积应占发动机排量的百分比实验。实 验结果是，4 缸发动机的排气管容积应是发动机排量的9 0 左右，6 缸发动机的 排气管容积应是发动机排量的7 0 左右【i4 1 。实验结果还说明，气波增压器对低 频噪声有较好的抑制作用。也就是说，气波增压柴油机的消声器只需抑制高频噪 声。 根据气波增压器的工作原理及前人研究经验，与其匹配的柴油机缸数以多于 4 缸为益【l5 1 。因为对单缸或双缸柴油机，排气门出口处的废气脉动度和不连续性 很大，而气波增压器需要一个比较稳定的高压废气流。其中江苏工学院的冯德生 同志对6 1 3 5 z g 型6 缸柴油机与气波增压器的匹配做过实验研究| 2 “。北京工业人 学的叶霭云等同志对4 9 3 z q 型4 缸柴油机与气波增压器的匹配做过实验研究【4 j 。 气波增压器与柴油机的匹配研究中，进、排气系统与气波增压器的匹配是其 中的关键问题。根据前人研究总结，对于进气管，主要是加大容积，可以通过加 大进气管直径或增加稳压腔两种方案l l “。匹配研究中排气管的影响要比进气管 的影响大的多。前人研究中，匹配排气管采用渐扩管，原因是从汽缸排出的气体 是超声速流动，而超声速在渐扩管中会继续增速、降压。在排气管相当长的区段 内，气体处于较低的压力状态，会有利于汽缸的扫气。最后在气流进入气波增压 器莳，使其通过一个突跃面( 激波面) ，完成从超声速到亚声速的转变，速度降 低，压力升高。 在以前的研究中，匹配气波增压器的柴油机进、排气管都在发动机两侧。而 本文所要匹配的s o f i m 8 1 4 0 4 7 型柴油机的进、排气管在发动机机同侧，这使匹 配工作难度增大，一方面是匹配空间受限较大，另一方面是排气管温度较高，进、 排气管同侧使排气管加热进气管，导致进气量降低。另外，以前的研究也都未曾 涉及实际装车问题。本文从气体流动顺畅性和安装结构紧凑性两种角度出发，设 计了中央出口和一侧出口两种排气管。 关于增压速比问题，以前也曾有过相关的研究【8 】。速比计算主要用到气体流 动速度、转子槽道长度、发动机额定功率等条件。要计算气波增压器中气体的传 播速度，需要首先知道气体的温度，但没有具体的实验数据，以前的计算都是经 验估计，因此计算结果可能产生较大的偏差。在本文增压速比的研究中，首先测 量进入气波增压器气体的温度，根据速比计算公式，计算出理论最佳增压速比， 再以理论最佳增压速比为依据，通过实验测出实际最佳增压速比。 确定最佳增压速比后，匹配新设计的排气管，实验测定气波增压柴油机的优 越性。 1 5 课题主要研究内容及预期目标 研究内容： 课题主要是解决气波增压器与s o f i m 8 1 4 0 4 7 型柴油机的匹配问题。包括以 下几个部分： ( 1 ) 根据一维定常流、拉伐尔喷管和激波原理，初步设计排气管 ( 2 ) 使用流动分析计算软件f l u e n t 对排气管内流体进行模拟计算，进行排气 管的优化设计 ( 3 ) 使用c a t i a 三维绘图软件绘制排气管的三维图形，计算排气管容积 ( 4 ) 把原s o f i m 8 1 4 0 4 7 型涡轮增压柴油机改装为气波增压柴油机，测试气波增 压柴油机的动力、经济及排放性能 预期目标： 通过排气管的初步设计和f l u e n t 模拟计算优化设计，设计出合理的排气 管。然后匹配安装排气管与气波增压柴油机，达到成功改装s o f i m 8 1 4 0 4 7 型涡 轮增压柴油机为气波增压柴油机的目的。通过增压速比实验，确定气波增压柴油 机最佳增压速比。通过发动机性能实验，证明了采用气波增压是提高增压发动机 低速性能和加速性能，降低柴油机汽车排放的重要途径。 第2 章气波增压器 2 1 气波增压器的结构与优越性 气波增压器的体积比涡轮 增压器大一些，但气波增压器的 总体结构并不复杂，制造工艺比 涡轮增压器的制造工艺简单，制 造成本也比涡轮增压器的制造 成本低。 图2 1 是气波增压器结构 图1 7 1 。如图，气波增压器主要 由转子2 、空气端定子3 和燃气 端定子1 组成。转子由轮壳、叶 片及轮箍组成，这些零件构成两 端开口的轴向槽道，转子外壳将 气波增压器的空气端定子3 和 燃气定子l 连接起来。转子由曲 轴通过皮带4 驱动。 图2 2 是气波增压器剖面 图【1 8 j ，由图可知，气波增压器 共有四个接口，分别为低压空气 入口、高压燃气入口、增压空气 图2 - 1 气波增压器的结构 f i g2 - 1s t r u c t u r eo fp r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e r 新鲜空气 0 高压燃气 0 压缩空气 低压燃气 f r e s ha i r g ) h i g hp r e s s u r ef u e lg a s ( 蛰c o m p r e s s e da i r l o wp r e s s u r ef u e lg a s 入口、低压废气出口。低压空气入口与空气滤清器相连，高压燃气入口与发动机 排气歧管相连，增压空气入口与发动机进气管相连，低压废气出口与和大气相通 的排气管相连。发动机排出的高压废气通过高压燃气入口进入转子槽道，和从低 压空气入口进入的新鲜的低压空气接触并交换能量，形成增压空气和低压废气。 由图2 2 b 向示图，新鲜空气由空气端定子上两个分隔的进气道经过两个对 称的低压空气入口e 进入转子槽道，压缩后的空气经过空气端定子上的两个对称 的高压空气出口e 经进气管进入发动机。发动机排出的高压废气由燃气端定子上 两个分隔的进气道经过两个对称的高压燃气入口a 进入转子，压力降低后的废气 经过燃气端定子上的两个对称的低压燃气出口a 由轴向排出。 ，。，些塑些垄兰箜彗笪些奎。：，。一 空气端定于向示圉) 图2 - 2 气波增压器剖面图 f i g2 - 2s e c t i o np l a no f p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e r 气波增压的优点 1 9 1 ： ( 1 ) 中、低速大扭矩特性 使用气波增压，即使在发动机转速较低的情况下，也可以产生较高的增压压 力，使发动机有较高的扭矩储备，改善发动机低、中速扭矩特性。 ( 2 ) 降低n o x 、h c 排放 气波增压器在工作过程中主要是通过废气和新鲜空气直接接触，利用高温、 高压废气压缩新鲜空气，增大发动机进气密度，达到增大进气压力的目的。气波 增压器自身的结构和工作特点使它具有废气再循环的能力，从而能够有效降低 n o x 排放。 ( 3 ) 降低o p e c ( 烟度) 排放 通过使用气波增压技术，增大进气压力、密度，从而使进气量增大，使过量 空气系数增大，柴油燃烧充分，降低排气烟度。 2 2 气波增压器的工作原理和工作过程 气波增压器是利用气波传递能量的一种能量交换器。通过能量交换图2 3 讲述气波增压器的工作过程【1 9 1 。如图，高压空气a h p 与发动机进气管相连，高 压废气g h p 与发动机排气歧管相连，低压空气a l p 与过滤后的新鲜空气入口相 连，低压废气g l p 与和大气相通的排气管相连。 图2 3 中，转子以箭头所示方向转动。气波增压器开始工作时，转子槽道内 充满压力为大气压的新鲜空气，这时气波增压器的燃气定子和空气定子不相通， 低压空气在槽道内静止不动。当转子转动时，槽道接通发动机的高压废气入口， 高压废气进入转子槽道，挤压槽道内的空气将其推向槽道左侧，产生压缩波， 其传播速度比声速还要快得多，是压缩波的前锋恧( 如图2 - 3 中实线所示) ，能 量传递引起空气压力和温度的快速升高。当压缩波到达高压空气出口a h p 时， 6 由于高压空气出口处的压力高于 转子槽道内压力，所以，从高压 空气出口反射回来的波仍为压 缩波( 与相比较弱一些) ，这个 压缩波从转子槽道左侧移至右 侧，使槽道内的气体压力继续升 高，速度下降。当压缩波达到转 子右侧高压废气入口g h p 时，高 压废气入口关闭，槽道内燃气膨 胀，产生膨胀波，使槽道内气 体压力下降，膨胀波传至转子 左侧时，高压空气出口a h p 恰好 关闭。槽道两端不通，气体处于 静止状态。 上述过程是循环的高压部分， 目的是压缩空气并将其送入发动 机，随后循环的低压部分是为了 排出废气，利用空气的贯穿流动 冷却槽道壁并将槽道充满新鲜空 气。 如图2 3 所示，转子继续以 箭头方向转动，转子槽道与低压 废气出口g l p 相通，槽道内的废 气向低压废气出口流动，产生膨 胀波至低压空气入口，由于低 图2 2 气波增压器能彗交换过利 f i g2 - 3e n e r g ye x c h a n g e rp r o c e s so f p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e r c p 一压缩腔e p 一膨胀腔g p 一燃气腔 c p - - c o m p r e s sc a v i t ye p e x p a n dc a v i t y g p f u e lg a sc a v i t y a l p 低压空气ah p 高压空气 g l p 低压燃气g h p 高压燃气 a l pl o wp r e s s u r ea i ra h ph i g hp r e s s u r ea i r g - l pl o wp r e s s u r ef u e lg a s g h ph i g hp r e s s u r ef u e lg a s 压空气的压力小于膨胀波后的压力，故反射波仍是膨胀波，这时槽道内的气体 向低废气出口g l p 流动。当膨胀波到达端口时，由于膨胀波的压力低于废 气出口处压力，产生压缩波传向低压空气进入口一侧，气体压力稍有提高，流 速减慢，压缩波到达低压空气入口一侧后，反射回膨胀波，如此循环直到关 闭槽道的一个或两个端面出口，使气体停止流动。反射波一间隔产生膨胀波 与压缩波，使排气口一侧的压力为正，进口气一侧的压力为负，从而排出低压废 气，吸入新鲜空气。留出一定时间，利用新鲜空气冷却槽壁和扫尽废气。 上述气波增压器工作过程，可分为压缩阶段、高压换气阶段、膨胀阶段、低 压换气4 个阶段。 瑞士b b c 公司为了扩大气波增压器的应用范围，克服原有气波增压器只能在 北京工业大学工学硕士学位论文 某一较窄转速范围和一定进、排气参数下工作的缺点，重新设计了气波增压器， 在其两个定子中布置了3 个气腔，即图2 3 所示的c p 、e p 和g p 。c p 为压缩腔， e p 为膨胀腔，g p 为燃气腔。压缩气腔c p 缓和了对压缩波 的反射，特别是在低 速工况下更显著，并能产生对充量空气的预压缩。废气腔g p 和膨胀气腔e p 有助 于加强扫气，改善气波增压器的启动和空转性能，使气波增压器在整个工况范围 内均有扫气功能。 2 3 气波增压器型号的选择 不同型号车辆的性能参数不同，对气波增压器的要求也不同。b b c 公司根据 实际需要生产了适合多种车辆型号的气波增压器【2 0 1 ，如表2 一l 所示 表2 - 1 气波增压器型号 t a b l e2 - 1t y p e so f p r e s s u r ew a v es u p e r c h a r g e r p w s 型号 发动机输出功率( k w ) 额定转速( r m i n ) c x i l 26 0 一1 0 01 5 2 0 0 c x l 0 25 0 8 31 6 7 0 0 c x 9 3 4 2 7 01 8 3 0 0 c x 8 53 5 5 72 0 0 0 0 c x 7 8 3 0 一4 8 2 1 8 0 0 c x 7 l2 5 4 02 3 9 0 0 所要进行匹配实验的s o f i m 8 1 4 0 4 7 柴油机的输出功率为5 0 8 5 k w ，根据 表2 - 1 ，选用c x l 0 2 型气波增压器。 _ 8 第3 章排气系统的设计 3 1 排气系统的设计原则 根据气波增压柴油机工作原理和安装需要，同时参考前人设计经验【2 ”，排气 系统的设计需要遵循以下几个原则： ( 1 ) 功能要求 控制气波增压柴油机排气门出口处的压力波动，尽量减少能量损失，避免各 缸排气相互干扰，加强气缸扫气；废气在排气管中能够继续膨胀加速：进入气波 增压器前产生激波，达到增压、稳压、减速效果：排气管容积大于发动机排气量 的6 0 。 ( 2 ) 安装要求 便于安装，至少能够安装，避免与进气管或发动机其它部件发生干涉，尽可 能不改动或少改动发动机其它部件；考虑到装车空间的限制，排气管体积不能太 大。 ( 3 ) 制造要求 制造工艺性好，宣于批量生产。 ( 4 ) 经济要求 在达到性能要求的条件下，尽可能降低成本。 设计时，以功能要求为核心，兼顾安装、制造和经济性能。 3 2 排气系统设计的理论依据 3 2 1 一维定常流理论 表3 1 参数对照 t a bl e3 - 1p a r a m e t e rc o m p a r i s o n 符号pr 矿 m爿厂p 意义压力温度速度马赫数面积绝热指数密度体积 各符号含义参照表3 - 1 。根据一维定常流理论、拉伐尔喷管理论、激波理论 2 2 1 进行排气系统的初步设计。 管道中的气体流动受到很多因素的影响，包括管长、管道面积变化、壁面摩 擦、与外界的热量交换等。发动机排气管中的气体流速很高，气体与管壁接触时 间很短，排气管初步设计过程中，可以忽略摩擦和热量交换对气体流动的影响， 同时假定排气管中气体流量是定值，流动是一维定常流。 排气管中的气体是可压缩的，对可压缩气体在变截面管道中的流动，可依照 如下计算公式： 一维定常流连续方程的微分形式为： 咖p + 驯v + 幽l a = o ( 3 1 ) 一维定常流动量方程的微分形式为： 驯p + 彤2 - d v v = o ( 3 2 ) 一维定常流绝热流动能量方程的微分形式为： d t t + ( ，一1 ) - m2 驯v = 0 ( 3 3 ) 气体状态方程p = 朋r 的微分形式为： 妒p 一咖p d t t = o ( 3 4 ) 气体马赫数定义式m = v c = 岳面的微分形式为： d m m 一幽| 蕊t 诅= 0 t 3 - 5 1 根据以上五个微分方程，可得出如下关系式： 塑：f 笙1 坐( 3 - 6 ) 尸l1 一m 2 ja 生f警，idat 1m ，) l 一 2 j 爿 一d m l + 7 2 - 1 m = 2 一d a ( 3 8 ) 7，。n 、 塑：生一d a ( 3 9 ) pi m j a 尘一l 一d a ( 3 一l o ) 由公式( 3 - 6 ) 至( 3 - 1 0 ) ，可得出表3 2 。 表3 2 流体性能参数随管道截面积的变化 t a b l e3 - 2f l u i dp a r a m e t e r st od i f f e r e n tp i p ea r e a s d a 0 气体参数 “1 d 1 认l 痧1 d p ，p减小 增大 增人减小 弧珂减小增大 增大 减小 d m m减小增大增大减小 dp ? p 增大减小减小螬 。 d v v增大 减小减小增人 以上分析的主要目的是看管道截面积的变化对流体性能参数的影响，可以得 出如下结论： ( 1 ) 流体为超声速流时( 胁1 ) 管道渐缩( 幽 0 。 ( 2 ) 流体为声速流时( 胙1 ) 此时，d a = 0 ，该截面为临界截面。通过此截面时气流的流速为当地声速。 ( 3 ) 流体为亚声速流时( 脉1 ) 管道渐扩( d a 0 ) 时，气流逐渐减速，即d v ( o ；管道渐缩( d a 0 。 根据以上结论，要使亚声速气流逐渐加速，应使管道面积逐渐缩小；要使超 声速气流逐渐加速，应使管道面积逐渐扩大。因此，要使气流从亚声速加速到超 声速，应使管道面积先缩小后增大。这种能使气流从亚声速加速到超声速的特殊 管道，称之为拉伐尔喷管。 3 2 2 拉伐尔喷管理论 拉伐尔喷管是一个渐缩一渐扩管，两端连接具有不同压强的空间，能够使流 体流速从亚声速变为超声速。 图3 - 1 拉伐尔喷管 f i g3 - 1l a v a ln o z z l e 图3 一l 是拉伐尔喷管简图。喷管入口压力p d ( 相当于汽缸内压力) ，入口各 参量以下标“0 ”表示；出口以后环境压力称为背压，记以n ，出1t 备参量以下 标b 表示；最小截嚣魑遽鬻穆为喉瓣，瑟处各参慧以下标t 袭示：出口截 西处各参量以下标“8 ”袋示。对截蕊几俺变化穰镣确定的拉伐岛；喷管，由予岛 和p 6 的不嗣，喷管中流体流动状态不问。假设出口背压p 6 保持不变，讨论对于 不同的入口艨力p 。，喷镣内滚动情况f 2 2 】。 当尹死= l 露，由予无压差，警雨无流动。 当p dp b 1 时，在n 略大于n 时，整个管内都是亚声速流动。增大n 到 定值，喉管处流体流遽达到声速。在收缩段，气体是等熵的l e 声速流动，在扩 张段，藏辱奉幽声速整续熬遮，交力超声速滚蘩，一定条件下，扩张羧会出褒激波， 出现激波时不蒋是等熵流幼。 詈。熟+ 孕肼2 糕) ) 丽 c 。一 p o ：f l 十型m ，1 万( 3 - 1 2 ) 只l 2 。 据暴波团截瑟积a 。确定，虫控戏尔骥警瑟积院公式 0 ，闲魏 墨 f 目( 3 - 2 1 ) 只 1 只j ， 公式( 3 2 1 ) 说翳，游子弱祥的p j p l ，静杰歪激渡弱尹搬、应大予等缡过 程的r p 矿p i j 。因此，在图3 - 2 中，只有位于等熵曲线上方的那部分激波绝热曲线 才是适用的，而下面部分幽于破坏了遂不等式而不再适用，因此，在图3 - 2 中 矮虚线表示诧罄分。对予点嚣帮势夔线，歇图3 - 2 中霹隧爱妥它熬适爱莛露蔻不 等式( 3 - 2 2 ) ，说明通过静止正激波后气流压强增大，密度增大。 最 只，p 2 p l ( 3 - 2 2 ) 螽交公式( 3 1 4 霸( 3 - l ) 哥 ! 摹不等式( 3 - 2 3 ) ，浚羁气滚逶过羚盘正激 波后，流速降低，温度升离。 v 2 王 公式( 3 - 1 5 ) 反获了浚昝逶过静业歪激渡垂蓦能鲞缳持不变， 滞止焓、滞止温度、滞止声速、临界濑度和临界声遮不变。 由公式( 3 - 1 3 ) 和( 3 - 1 4 ) 得 驴b ：立：空 。2聃 由能量方程( 3 - 1 5 ) 得 芷+ 尘：尘+ 互：蜓 2 y 一1 2 y 一1 2 ( 7 - 1 ) 联合公式( 3 - 2 4 ) 和( 3 - 2 5 ) 求解并熬理得 ( 3 - 2 3 ) 强诧骰渡嚣后 ( 3 2 ) ( 3 2 i ) 因此 _ y + l ( p ，一p 2 ) ( 尘一1 ) 。 z y v 1 v 2 疽。 v l v 2 即五五2 = 1 ( 3 - 2 6 ) 气流通过静止正激波后减速，因此必然有 l 1 或 2 1 ，因此静止j 下激波| i 仃 方戆亲浚必然是超声速浚，穿逶静止歪激波嚣努定藏爻耍声遮藏。所强，对予定 常流动，只有超声速流中才会出现静止正激波。 ( 2 ) 激波前后压力、销度、速度、温度关系 速囊系数定义为盖：羔，困筵逮浚系数与骂赫数之闽懿关系为 五：三：羔三：m ! 曼二! 坦玎j ( 3 - 2 7 ) 承g 盘。 l ，十i j 把公式( 3 2 7 ) 带入公式( 3 - 2 6 ) 得激波前前马赫数的关系 m 2 2 ( t + 等叫( 科一孕) ( 3 - 2 8 ) 送一步可得到激波前盾涟度、密度、压力、温度眈公式 墨：娑乓。上：! 匠! 些： ( 3 2 9 ) v 口。2 v l 移十1 ) 掰l 鱼：旦。垒! 坦t ：( 3 - 3 0 ) p 】v 2 2 + ( ，一1 ) m 1 。 鲁刮+ 譬 卜轷h y - 等l ( m t 2 卸( 3 - 3 1 ) i b置v lj l =筹=磊)2去皓mi2-1)(m，2+万2e,p m1 睁。z ， 互2k ，l ， 2 k ，一y l ， 3 3 排气管的设计 3 3 1 j 气管管形的确定 ( 焘) 1 ( 3 - 3 3 ) 1 上 y 十 北京工业大学了：学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 烹i i i ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! 女! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! r 垂l 巍雾聪力比公式( 3 - 3 3 ) ，当 ，= i 。3 3 对，求褥骚爨压力冼8 = 0 5 4 。对予 s o f i m 8 1 4 0 4 7 柴油机。气f - j n l 日l j 开扁时，缸内压力约为p 1 = 6 x l o p a ，然后逐渐 降低。根据气波增压器工作原理，要求气波增压器入口压力为i 9 1 0 p a ，排气 管出口压力等于气波增聪器入口压力。摊气管出口压力与气门刚剐刀：启时缸内压 力昆p l = ( 1 ，9x 1 0 5p a ) ( 6x 1 0 p a ) = o 。3 t 7 n a n l e 输入i n l e t p t y p e 选项点击鼠标右键并选择p r e s s u r e _ i n l e t e n t i t y 选项选择所要加载入口压力的位置 点击a p p l y ； 再次s h o wl a b e l s n a m e 输入o u t l e t p ： t y p e 选项点击鼠标右键并选择p r e s s u r e _ o u t l e t ； e n t i t y 选项选择所要加载出口压力的位置； 点击a p p l y ； 再次s h o wl a b e l s n a m e 输入w 甜l ； t y p e 选项点击鼠标右键并选择w a l l ； e n t i t y 选项选择图形侧面边界： 最后点击a p p l y ；加载完成 边界条件加载完成后将图形保存为r a s h 文件输出。 4 2 4f l u e n t 求解 f l u e n t 求解是模拟计算的核心部分。操作步骤如下 ( 1 )