一种新型四缸增压柴油机排气管的设计.doc

一种新型四缸增压柴油机排气管的设计山东华源莱动内燃机有限公司 胡佳富、张建国、胡建立、田静摘 要废气涡轮增压技术在车用柴油机上已得到了广泛的应用，增压可以增加柴油机的比功率、降低比质量、提高经济性、改善排放，而排气管的结构直接影响着柴油机的性能及排放，本文以理论计算为依据，结合实际生产需要，对四缸增压中冷柴油机的排气管进行了匹配设计，并达到了预期的效果关键词：增压、排放、排气管、设计、计算ABSTRACTTurbocharging technology has been widely applied on the vehicle diesel engine, which can increase ratio of power, reduce ratio of mass, improve fuel economy and emission .however the stucture of exhaust pipe influence the diesel engines capability and emission .this text takes the theories calculation as a basis combine the actual situation of the manufacturer, designed exhaust pipe for four cylinder intercooling turbocharge engine,and come to the result of expectation . Key word:Turbocharging, Emission, exhaust pipe, Design, Calculation前言：涡轮增压柴油机排气系统对废气能量的利用率起到至关重要的作用，它的设计合理与否关系到柴油机与增压器的匹配及整机性能。在我公司成功开发的柴油机使用的排气管的基础上，借鉴前人的经验，直接选用脉冲转换增压系统，对一款四缸增压中冷发动机重新设计了排气管。1排气管的设计计依据设计排气管时主要依据瑞士人E.Jenny提出的表示排气压力波形态的6个无因次参数4，根据推荐值选取了排气管的结构参数。排气管长度的无因次参数L L n-发动机转速 L-排气管长度 a-排气管中的平均音速 a=物理意义为：压力波在排气管道内往复一次所需的时间，在发动机上即表示从排气门开启产生扰动到反射波返回到气缸为止所经历的曲轴转角。 当L240 CA 时,即排气管很长,压力波往返时间等于或大于排气门开启持续角,也就是当反射波到达气缸端时,排气门已关闭,气缸扫气已结束,对气缸扫气不发生任何影响，但实际发动机不可能布置这样长的排气管。 当L=（160240） CA时，反射波到达时，气缸正处于扫气阶段，如果是正反射则会引起排气背压上升，出现第二个波峰，严重地妨碍气缸的扫气。 当L=（50160） CA时，反射波回来较早，对扫气虽无大影响，但这时正处在活塞上行、推挤废气阶段，也会导致背压上升，增大泵气功。 当L=（3550） CA时，排气管很短，反射波很快返回，与本缸排气基本波叠加，增大了波幅，使排气节流损失减少。因此脉冲系统在可能的情况下，应尽量采用短管。 排气始点压比b b=pb/p0 增大b就是增大排气提前角，这将导致气缸内气体膨胀功的减少，为了保持预定的平均有效压力，就需要气缸内喷入更多的燃油，从而引起油耗加大，热负荷也增大。所以增压柴油机b有稍稍增大（510）。 排气门开启规律f f=Fe/Femax Fe-排气门瞬时流通面积 Femax-排气门最大流通面积 其物理意义：单位时间从气缸内流出的气体流量。f大表示气体流出速度快，排气管内压力建立的快，节流损失小。 气缸的排空速率e e= Femax.ab/(Vhn/60) ab-排气门处排气始点的声速 Vh-气缸排量 其物理意义：气缸的排空速率。加大气门开启面积可增大e，低增压四冲程柴油机e取1420。 排气管载面积p p=Fp/Femax Fp-排气管载面积 当排气管一定时，减小p则排气管的容积减小，有利于增强排气压力波，Fp接近于Femax还可避免由于通道突然扩张而形成涡流损失。管道截面过小时，由于流动损失严重，压力流不会明显增强，管道截面过大时，流动损失减小，但由于初期的节流损失，涡轮前的压力波也没有明显增强，只有在管道面积接近最佳值时，才可获得排气能量最高的传递效率。随着增压度的提高，排气管直径应相应减小。 涡轮喷嘴环面积T T=FTar/Vh.n/60 其中：FT-涡轮喷嘴环面积 (m2) ar -排气管内平均温度 Tr的声速 ar = R286.24 物理意义：T代表涡轮的流通能力，对于脉冲涡轮增压系统所用的短管，压力波在排气管两端往返多次，表现复杂，缩小FT有利于强化排气压力波。以上影响参数中，其中三个参数与排气管有直接关系，也是本次设计排气管的直接依据。2 四缸柴油机上使用脉冲转换系统的原理 现代涡轮增压方式有定压增压、四脉冲增压、二脉冲增压、单脉冲增压、MPC增压系统等多种。在四缸车用柴油机上，选择的余地较小，它不但受增压原理的约束，还受整车的空间限制。对车用低增压柴油机来说，定压增压系统排气管体积大，不易在车辆上布置。四脉冲增压（即四缸共用一根排气管），对四缸柴油机，其发火间隔角为180度，而排气门开启持续角达249度曲轴转角（本机），所以相邻工作缸的排气会与相互干涉，也导致了扫气量的的减少，使发动机排温升高，压比下降。单脉冲和二脉冲虽然可以做到各缸不相互干涉，但其缺陷更为严重：1）排气间隔太长，排气管内的排气已经充分排空，气流在排气门处的节流损失大能量利用不好。2）排气管内压力波动大，涡轮效率低，非全周进气而产生的流动损失增大。3）非全周进气使涡轮叶片受到周期性冲击增加，影响了涡轮的使用寿命。4）由于多入口涡轮进气道设计的较复杂，体积也随之加大。 脉冲转换系统是把发火间隔为360度的两个气缸连接到同一要排气支管上，并与另一个排气支管通过脉冲转换器接到涡轮的一个入口，即每个脉冲转换器通过两个排气管与四个气缸相连，原理如下图所示。各缸废气排出时，其排气脉冲的压力能先转化为动能，来自各缸的废气在高速和低压情况下，在混合管中混合，两股脉冲气流的能量在混合时相互交换，轮流地成为推动和被推动的气流，混合管使来自两支管的气流速度实现平衡。这时在混合管中有一部分可用的脉冲能量转化为膨胀波，当这个波传到先排气（速度较慢）的支管中，使其中产生一个较大的压降，也即引射作用。因此，相邻排气的两个气缸的排气过程有一部分重叠，但主排气的气缸对先排气的气缸的扫气干扰却可避免，气流在扩压室中其动能又转化为压力能，并通过稳压室后进入涡轮。这样进口压力大致稳定且高于柴油机的平均背压，这个高出排气背压的压力差值即对应于可利用的脉冲能量。由此脉冲转换系统在能量传递方面优于定压系统，在涡轮效率方面优于脉冲系统。但脉冲转换器中所发生的两次能量转换，伴随有很大的损失，再加上结构复杂、空间尺寸过大，因此，在生产实践中，去掉转换器中的稳压室部分，仅保留喷嘴及混合管，减小了引射作用，虽然进入气缸的空气量有所减少，但涡轮入口进气是连续的。 MPC（Modular Pulse Converter System）系统的工作原理是，在每个气缸的排气口上安装了一个脉冲转换器，最后汇入排气总管中，当排气门打开后，排气即流入脉冲转换器中，并在其中被加速，使流入总管的气流有较高的速度，并将此速度传递给已在排气管中流动着的废气，这样相邻气缸会产生一定的引射作用，而不会对邻近气缸产生不利干扰。在排气总管中，混合气流以接近等压的状态进入涡轮，从而提高了涡轮的效率，所以MPC系统既能充分利用排气脉冲能量，又能保持较高的涡轮效率。综上所述，MPC系统对排气的利用是最有效的，但国外资料表明，在低转速及低负荷时，采用MPC系统效果不明显，这因为低转速、低负荷时喷嘴处引射作用大大降低，造成排气相互干涉。而且喷嘴处的形状、入射角度、截面积对系统影响相当敏感，又因为排气管材料是铸铁件，实际生产中，砂芯的位置变差很大，所以使用MPC系统对柴油机的生产一致性不利。因此，参考以往排气管的成功经验，引用脉冲转换原理，设计类似脉冲转换排气管，该排气管不仅结构简单，而且试验证明，与柴油机匹配性能、排放指标良好。该结构排气管利用脉冲转换原理的可行性分析：按脉冲转换原理，对四缸柴油机来说，应将发火间隔为360度的两缸为一组，与一个脉冲转换器相连，才能使相邻两缸排气不相干涉。但本款柴油机发火间隔为1-3-4-2，要使1-4缸、2-3缸两组排气管互不干涉，必增加排气管的长度，最终表现在发动机宽度增加，这在车用柴油机上是不允许的。另外，也增加了结构的复杂程度。如图所示排烟管是一种折衷的办法。柴油机工作时，1-2缸与3-4缸排气可以认为是相互不干涉，两组气体通过排气总管处的缩口部分，进入混合管，起到相互引射作用，但1-2缸是相邻工作缸，3-4缸也是相邻工作缸，在一定程度上，排气可能相互干扰。由于柴油机的发火顺序为1-3-4-2，2缸比1缸提前发火，3缸比4缸提前发火，即发火早的气缸的排气通道短，发火晚的气缸排气通道长，所以理论上只要合理设计1-2缸、3-4缸之间的过渡尖角及R面处的过渡，正确调整后发火气缸（1-4缸）出气角，对短排气道来说，仍然可以起到引射作用。与四脉冲系统相比，两两缸排气相互干涉已减少了一大半的影响，所以排气能量的利用率仍然很高。下图为排气管示意图脉冲转换排气管重要设计参数：1）排气口截面FR=11.41 cm2 涡轮截面FT=13.78 cm2 FT /FR=1.22）喉口尺寸FD=0.60FR，FM=1.69FR3） L长=18.962 L短=10.6784）b=5.55）e=12.1066）p=1.0967）T=12.64以上设计参数的分析总结：1）、与推荐参数比较，排气管长度参数（L长=18.962 L短=10.678）与推荐值相差较大，如前所述，对脉冲转换系统，排气管长度参数应在（4050）之间，但由于尺寸限制，无法满足推荐值，这样可能造成对先排气气缸扫气的不利影响，因为虽然短管压力波返回及时，与本缸排气基波叠加，但由于排气门早开，此时发火顺序在先的气缸也在排气，高能量的反射波必然会极大地影响其排气质量39。为了消除反射波的影响，只得将喷管截面积缩小（FD=0.60FR），使转换器中的压力波能量急剧减弱，从而减轻反射波对相邻气缸的排气干扰。2）排气始点压力比（b=5.5），在推荐的范围之内，比非增压柴油机稍有增加。3）排空速率（e=12.106），与推荐值（1420）有差距，说明排气门直径（37.5）可以适当增加，受气缸盖结构的限制，增大排气门的代价是要缩小进气门，这将在以后的性能优化中继续进行试验研究。4）排气管截面积（p=1.096）在推荐值（1.121.46）之内，这是气道内气体流动的节流损失和流动损失的折中选择。5）涡轮喷嘴环面积（T=9.64）在推荐值（912）之内，此值根据选定的增压器计算得来的，为了增压排气能量，涡轮流通面积稍小，有利于提高涡轮增压器的效率。3利用该排气管所得的试验数据（已优化数据） 13工况排放试验（AVL CEB和SPC测试仪）转速/扭矩rpm/N.mFUELCOSPg/kw.hAIRMASS(kg/h)NOX（ppm）HC（ppm）CO（ppm）FSN828 /090.28164.7088.37196.042201/26.2483.44171.86202.1977.42224.930.42200/60.1302.30184.27291.8169.34163.890.4/0.52201/121.1234.05205.81482.4160.53106.860.5/0.52199/180215.27232.60614.8247.8878.700.5/0.62200/236.7211.40245.74647.5756.9782.200.7/0.7825 /0110.86144.9487.35190.243199/204.2235.67318.28817.8569.03102.610.9/0.93199/156.4251.57290.27792.8357.9989.790.7/0.73199/106.0288.45273.91621.8662.6191.930.7/0.83200/51.9405.17249.63399.1054.9293.500.6/0.63199/19.6797.87232.11281.7658.64105.370.5/0.6778 /077.80178.7483.02172.3013工况排放结果为：CO 0.73622 (g/kW.h) HC 0.214 (g/kW.h) NOx 5.299 (g/kW.h) PM 0.033 (g/