第2讲20120921特征线排气系统

1、1 宋金瓯宋金瓯 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 20132013年年1010月月 内燃机中的流体运动内燃机中的流体运动 2 5特征线法基本概念特征线法基本概念(1) 特征线法步骤特征线法步骤 能量 +a2连续+a动量 0 2 4 2 4 1 22 u uu D f a u uu D f uqk x u au t u a x p au t p 能量 +a2连续-a动量 0 2 4 2 4 1 22 u uu D f a u uu D f uqk x u au t u a x p au t p 3 5特征线法基本概念特征线法基本概念(1) dx u dt d

2、t a u k u uu D f dt a q kdp a du 11 2 4 1 1 2 dx ua dt 沿特征线特征线 沿特征线特征线 0 2 4 1 2 2 u uu D f uqk dt d a dt dp 能量方程变为 特征方程特征方程 特征方程特征方程 4 5特征线法基本概念特征线法基本概念(1) 改写右边全微分，如果不考虑摩擦和传热 0 1 2 a k ud a k u 1 2 黎曼黎曼(Riemann)不变量不变量 5 5特征线法基本概念特征线法基本概念(1) 3311 1 2 1 2 a k ua k u 3322 1 2 1 2 a k ua k u 求解过程 6 对于有

3、传热和摩擦的流动 5特征线法基本概念特征线法基本概念(1) a k u 1 2 沿特征线不是固定值 ，称为黎曼黎曼(Riemann)(Riemann)变量变量 特征线方程的无量纲化 refref ref ref A A refref x x X x ta Z a a A a u U a a A, U k A 2 1 U k A 2 1 7 5特征线法基本概念特征线法基本概念(1) dZ Aa kqx dZ A U k Ud Ufxk A dA A dU k dAd ref refref A A 3 2 3 2 1 11 2 12 2 1 dZ Aa kqx dZ A U k Ud Ufxk A

4、 dA A dU k dAd ref refref A A 3 23 2 1 11 2 12 2 1 dZ d Ufx a qx A Ak dA ref ref ref A A 3 32 2 2 1 8 特征线方程的求解特征线方程的求解 5特征线法基本概念特征线法基本概念(1) APAS AA n-1 n n+1 X Z RS P RS XR Z X XS RP SP 对于等熵流动 ， 存在传热和摩擦 RRP d SSP d APAlAl AAdA 9 稳定性分析 5特征线法基本概念特征线法基本概念(2) 1XX R 1XX S 有限步长计算变为不稳定有限步长计算变为不稳定 10 da k d

5、u 1 2 边界条件边界条件 5特征线法基本概念特征线法基本概念(3) 闭口管端边界条件 开口管端边界条件 A2 其他边界条件： 管端为气缸（气门打开）；管端为接头；管端为增压器； 管端为消声器；管端为后处理设备 11 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (1) 重点分析3个因素： 排气管长度、截面面积，以及发动机转速 排气管长度排气管长度 60 3602n a L L 压力波在排气管内往返一次所需时间（角度） 假定排气持续期为240CA，进排气重叠区为80CA。 12 6 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (1)(1) 压力波反射回来时， 排气门已关闭。 1

6、3 6 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (1)(1) 反射波到达时， 气缸正处于扫气阶段。 14 6 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (1)(1) 反射波到达时， 气缸正处于强制排气阶段。 15 6 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (1)(1) 反射波到达时， 气缸正处于自由排气阶段。 16 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (2) 管道内脉冲频率与发动机转速和连接的气缸数目有关 气体从脉冲发生器排出， 流入一根长直管（长304.8cm、内径2.86cm） 压力测压点位于出口阀后15.2cm处。 ZatX 横坐标（时

7、间坐标）用无量纲参数 随脉冲频率而改变，以保证两个脉冲之间的无量纲时间Z均相同， 而不管脉冲频率是多少。 脉冲频率的影响脉冲频率的影响 17 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (2) 压力波的特性随着发动机转速而改变 设计一个能适当考虑到不同工况的排气系统 18 排气管截面排气管截面 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (3) 排气管横截面积与排气门开启最大面积之比减少， 节流损失降低， 排气压力波增强， 但此时由于排气管容积减小， 管内气流速度提高，流动损失增大； 反之，排气管横截面积与排气门开启最大面积之比增大， 通道突然扩张而形成的涡流损失增大，排气压力

8、波能量损失增大， 但同时排气管内气流速度减小，流动损失降低。 19 6 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (3)(3) 20 0 dt d 0 dt d 0 dt d 0 t 实际发动机每一个压力波都是多种因素综合作用结果： 其它缸排气其它缸排气 消声器消声器 排气催化器排气催化器 等等，等等， 定量结果通过数值计算得到。 6发动机排气系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (4) 21 7 发动机进气增压发动机进气增压(1) 增压目的增压目的 为了提高升功率升功率 SeL npN 0 LHp svmiue 增压度增压度 0000LLeessss NNpppp 低增压低增压

9、0.180.81.0( se pMPa pMPa很少用了） 中增压中增压 0.18 0.250.9 1.5() se pMPa pMPa汽油机 高增压高增压 0.25 0.351.4 1.2() se pMPa pMPa柴油机 超高增压超高增压 0.352.2 se pMPa pMPa 22 7 发动机进气增压发动机进气增压(1) 增压方式增压方式 机械增压机械增压(少见少见) 排气涡轮增压排气涡轮增压 23 7 发动机进气增压发动机进气增压(2) 涡轮增压涡轮增压 排气可用能排气可用能 涡轮效率涡轮效率 脉冲系统脉冲系统 脉冲转换系统脉冲转换系统 多脉冲转换系统多脉冲转换系统 MPC系统系统

10、 管路设计 压力波设计 定压系统定压系统 排气含有燃料能量的25-45% 24 7 发动机进气增压发动机进气增压(2) 1. 脉冲系统脉冲系统 1 2 3 4 56 TC 发火顺序： 1-5-3-6-2-4 适用范围： 发动机气缸数目是3的倍数 排气压力波连续，不干扰 25 7 发动机进气增压发动机进气增压(2) 2. 脉冲转换系统脉冲转换系统 当排气过程有重叠时，减少主排气干扰先排气的扫气过程。 适用范围： 发动机气缸数目是4的倍数 发火顺序： 1-3-2-4-8-6-7-5 26 7 发动机进气增压发动机进气增压(2) 2. 脉冲转换系统脉冲转换系统 发火顺序：1-4-7-6-8-5-2-

11、3 (a) 无脉冲转换器 (b) 有脉冲转换器 27 7 发动机进气增压发动机进气增压(2) 多脉冲转换系统多脉冲转换系统 多脉冲系统需要仔细进行排气管尺寸、喷嘴环面积、涡轮增压器之间的匹配工作 在9缸机上，3个脉冲支管合成一束 适用范围： 发动机气缸数目大于6 28 7 发动机进气增压发动机进气增压(2) MPC系统系统组合脉冲转换系统组合脉冲转换系统 在每个气缸排气口上安装一个脉冲转换器，而排气总管只有一个。 排气缸的高速气流对邻近气缸只会产生引射作用而不会产生干扰 混合的气流以接近等压的状态进入涡轮 29 7 发动机进气增压发动机进气增压(2) 定压系统定压系统 在定压系统中， 排气支管

12、直接与总管相连，而不借助脉冲转换器， 所以定压系统基本不能利用排气脉冲能量。 但是，随着增压压力提高， 脉冲系统在排气脉动能量利用方面的收益会逐渐渐小， 当增压压力大于0.25Mpa后， 各类脉冲系统的效果则甚不明显。 而这时定压系统可获得较高的涡轮效率。 30 性能 系统脉冲系统脉冲转换多脉冲转换MPC系统定压系统 全负荷扫气+ 部分负荷扫气+ 部分负荷进气+ 加载能力+ 部分负荷油耗+ 全负荷油耗+ 高增压适应性+ 涡轮叶片振动+ 缸数适应性+ 结构可靠性+ 各类排气系统特性比较 31 各种排气系统的应用范围 增压方式适用缸数pe/Mpa范围适用(柴油机) 类型 脉冲系统6，12pe2.0

13、(3脉冲)低、中、高速车用机 脉冲转换系统4，8，16pe1.4中、中高速机 多脉冲转换系统6pe1.4 MPC系统任意pe2.0中、中高速机 定压系统 6，12pe2.0 固定以及船用机 5，7pe1.5 32 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器 内燃机进、排气流动是受有限波作用，内燃机进、排气流动是受有限波作用， 消声计算方法的基础是特征线法。消声计算方法的基础是特征线法。 目前已有相应的计算软件。目前已有相应的计算软件。 33 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(1) 概念概念 听觉现象听觉现象 声音声音 小扰动波 音调音调 频率高，就是音调高 音色音色 纯音纯音 复

14、合音复合音 基本频率的基音基音和少量倍基频的谐音谐音合成 34 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(2) 声强声强 I 声波在垂直于声音传播方向，单位面积内所携带的能量 有效声压有效声压 p压力波动对平均值偏差的均方根值 apI 2 声压级声压级和和声强级声强级 听觉的等量变化是由于声强等倍递增 0 lg10IILI 2 0 2 lg10ppLp 两者关系两者关系 声压和声压级声压和声压级、声强和、声强和声强级声强级 关系关系 35 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(3) 01 11 10lg10lg 2lg10 10 lg2103.01 IRRI II LIIantiL

15、 LL 声强相等的声源相加，合成声强级等于声强级增加声强相等的声源相加，合成声强级等于声强级增加3.01dB3.01dB。 声强级较小的声源对合成声强级影响不大声强级较小的声源对合成声强级影响不大 频率相同的若干合成效应，不能按这种方法计算频率相同的若干合成效应，不能按这种方法计算 36 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(4) 响度响度 1000Hz的纯音作为基准音， 凡是听起来同该纯音一样响的声音， 其响度就与这个纯音相等， 并等于这个纯音的声压级 声强是描述声音的真实物理量，声强是描述声音的真实物理量， 响度是人们对声音的主观评价响度是人们对声音的主观评价 人耳对声音的感觉，不

16、仅和声压有关，也和频率有关， 一般对高频声音感觉灵敏，低频声音感觉迟钝， 声压级相同而频率不同的声音听起来不是一样响。 37 国际标准化组织采用的等响度曲线 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(5) 人耳对人耳对30004000Hz声音最敏感声音最敏感 声压级小且频率低的声音， 声压级和响度差别很大 当声压级到一定程度， 声音响度与频率关系不大了 由图可见：由图可见： 38 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(6) 主观噪声级（响度）主观噪声级（响度） 计权网格计权网格A 中低频(1000Hz)以下部分较之高频有较大的衰减 计权网格计权网格B 中低频(1000Hz)以下部分

17、较之高频有一定的衰减 计权网格计权网格C 在可听频率范围内对声压级做近似平直的响应 A计权针对低声压级， B 计权针对中声压级， C计权针对高声压级 发动机的噪声 采用计权网格A进行评定 39 噪声谱图噪声谱图或或噪声频谱特性图噪声频谱特性图 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(8) 噪声仪指示数据为总噪声级总噪声级 在测定频程范围内， 根据能量叠加原理计算 频带频带或或频程频程 可听频率范围（ 20-20000Hz ）分区 40 消声器消声器 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(9) 改变有限波 或者降低声音的强度强度，或者改变声音频率频率。 通常优先过滤若干若干组成频率

18、频率， 以获得不同的谐音谱，改变音色音色 41 主要有两大类： 吸收式消声器吸收式消声器，也，也称阻式消声器，称阻式消声器， 滤波式消声器，又称抗式消声器滤波式消声器，又称抗式消声器 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(10) 消声器类型消声器类型 吸收式消声器 通过将压力波动吸收掉，起到消声作用。 这种消声器对刺耳的高频有突出的消声作用，对刺耳的高频有突出的消声作用， 对低频消声效果差对低频消声效果差 因此常用作涡轮增压器的进气消声，较少用于内燃机排气消声。常用作涡轮增压器的进气消声，较少用于内燃机排气消声。 42 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(11) 排气消声器常

19、用抗式消声器排气消声器常用抗式消声器 扩张型扩张型对某一窄狭频带的中低频噪声有较大的消声作用对某一窄狭频带的中低频噪声有较大的消声作用 共振型共振型对某特定频带噪声有明显消声作用对某特定频带噪声有明显消声作用 收口型收口型阻力较大阻力较大 干涉型干涉型消声器要求压力波的波峰在反射途中正好与入射的波谷相重合，消声器要求压力波的波峰在反射途中正好与入射的波谷相重合， 让入射与反射通过交错相遇而互相作用，以便抵消到某种程度让入射与反射通过交错相遇而互相作用，以便抵消到某种程度 扩张型与共振型组合是目前成功的设计方法。扩张型与共振型组合是目前成功的设计方法。 43 0 dt d 0 dt d 0 dt

20、 d 0 t 消声器设计消声器设计 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(13) 消声器设计分两个阶段， 第一阶段，根据发动机实测噪声谱，选择孤立的消声器孤立的消声器， 第二阶段，按照消声器装入系统的效果对消声器进行改进。按照消声器装入系统的效果对消声器进行改进。 消声器装入管路系统后，造成的声强级降低称为插入损失插入损失，或，或装入损失装入损失。 孤立的消声器孤立的消声器声强的降低仅与消声器设计有关，声强的降低仅与消声器设计有关， 故消声器特性可用声压降低值与频率关系表示。故消声器特性可用声压降低值与频率关系表示。 在给定频率下声强级的降低分贝数称为在给定频率下声强级的降低分贝数称为

21、传递损失传递损失。 插入损失是我们真正所需要的。 开始设计时，按照传递损失进行，然后根据插入损失修改。 44 消声器安装消声器安装 8 发动机进、排气消声器发动机进、排气消声器(14) 消声器的安装位置对压力波形有影响，所以对插入损失有影响 单个消声器安装单个消声器安装在发动机与排气管出口中间为最好在发动机与排气管出口中间为最好 安装两个消声器安装两个消声器，下游消声器安装在距离管道出口主要频率噪声的，下游消声器安装在距离管道出口主要频率噪声的1/3波长处， 上游消声器或安装在发动机与下游消声器的中点， 更好的是，发动机到上游消声器的距离为上游消声器到下游消声器距离的2/9。 45 消声器与排气阻力