外文翻译--气波增压柴油机排气管设计与试验

1、附录A气波增压柴油机排气管设计与试验纪常伟，赵勇，马慧，韩爱民，李超( 北京工业大学 汽车与内燃机系，北京 100022 )摘要 ：柴油机采用气波增压可有效降低和烟度排放，匹配气波增压器的柴油机需重新设计排气管，除满足安装要求外，就是要保证进入气波增压器的排气压力稳定。设计侧向和中央出口渐扩式排气管，基于三维设计软件CATIA对这两种管进行几何建模及结构分析，确定满足气波增压要求的排气管结构。然后再基于流动分析软件ANSYS对这些试验管进行流动分析，综合考虑确定性能较好的排气管。 加工出该管并进行台架实验。实验结果说明：采用该排气管的气波增压柴油机的动力和排放性能，在低转速下优于原机；在中等转

2、速下接近原机；在高转速下比原机差。 关键词 ：动力机械工程； 气波增压柴油机； 排气管； 流动分析； 激波； 台架实验中图分类号：TK411.8 文献标志码：A 文章编号：1000- 1093 ( 2006 )03 -0385 - 05 气波增压PWS)利用废气直接作用新鲜空气，利用移动激波理论实现对进气的增压，使得气波增压柴油机的加速性能优于涡轮增压柴油机，加速不冒黑烟，而且由于废气与进气直接接触，具有一定的废气再循环EGR效应，使得气波增压柴油机的排放低于涡轮增压柴油机。本研究针对涡轮增压TC中冷柴油机加速冒黑烟和排放较高等问题， 拟采用国外先进的气波增压器匹配该柴油机使其成为气波增压柴油

3、机。气波增压器结构尺寸较大且要求进入增压器的排气压力尽可能稳定，因此，考虑到安装和最大限度地利用排气能量，气波增压柴油机的排气管采用渐扩截面，设计了两种型式的排气管：1)中央出口排气管，排气在支管内进行超音速流动，在进入总管之前通过激波变成亚音速，经总管稳压后进入增压器；2)侧向出口排气管，排气在支管和总管内进行超音速流动，在进入稳压腔之前通过激波变成亚音速，经稳压腔稳压后进入增压器。利用三维设计软件CATIA对以上两种形式的排气管进行三维几何建模并对排气管进行结构优化，然后利用流体动力学分析软件ANSYS分别对这些管进行流动分析，综合结构和流动优化的结果，确定最终的排气管结构，铸造出该排气管

4、进行台架实验并与原机比照。1 排气管结构设计11 排气管设计原那么排气系统对于气波增压器的影响比进气系统大得多，排气系统的设计前提是满足装配条件，先实地测量装配空间，防止各部件之间的装配干扰，以保证排气系统能够正确安装，设计排气管时，应尽量防止各缸排气相互干扰，要求排气管容积必须大于发动机排量的60，并且出口压力稳定。12 排气管结构形式气波增压排气管分侧向出口和中央出口两种形式。对于中央出口排气管，支管为渐扩管，总管为稳压腔，激波面在总管入口处出现，气流经总管稳压后进入气波增压器，如图1所示。这种形式排气管的优点是结构紧凑，装车布置容易；缺点是气流膨胀不够，无扫气作用且各缸排气干扰严重。激波

5、面出口PWS进口图1中央出口排气管简图Fig1 Sketch of center-ported exhaust pipe对于侧向出口排气管，支管和总管均为渐扩管使得流出气缸的超临界气流在排气管中继续膨胀加速，有利于强化扫气及提高充气效率，如图2所示。这种形式的排气管的优点是排气顺畅，气流能够得到充分膨胀，各缸排气干扰小；缺点是体积大、装车布置困难。采用折弯形式是为了满足气波增压器的安装要求。气波室PWS进口激波面图2侧向出口排气管简图Fig2 Sketch of lateral-ported exhaust pipe1.3 排气管激波截面确实定排气在到达渐扩排气管的出口之前，必须通过激波，完成

6、超声速到亚声速的转变，对于中央出口排气管激波位置应出现在支管到总管的入口处；对于侧向出口排气管激波位置应出现在总管的出口处忽略排气相位的影响，某缸排气时，其它缸关闭，考虑到气缸、气门、气道和排气管，那么排气系统流动分析模型，如图3所示。根据气体动力学喷管流理论，激波位置只决定于排气管的截面积。为气波增压器入口压力。气门开启时的缸内压力，气门截面积。、分别为激波前、后的气流压力()和马赫数，为比热比，激波后的气流压力，为待求的激波面面积，利用气体动力学公式求得，即激波面半径. 图3简化的排气流动分析模型Fig3 Simplified flow analysis mode1.4 排气管三维建模及容

7、积分析采用三维设计软件CATIA分别对中央出口和侧向出口排气管进行几何建模，如图4和图5所示。中央出口和侧向出口排气管的内腔容积分别为和，均大于发动机排量(2.5L)的60，满足设计原那么的要求。图4中央出口排气管Fig. 4 Center-ported exhaust pipe图5侧向出口排气管Fig. 5 Lateral-ported exhaust pipe2 排气管流动分析基于ANSYS软件，采用三维可压缩湍流模型和绝热假设，计算2种排气管出口处的平均流速。假定某缸排气时，其它缸不排气，即忽略缸间排气干扰，考虑气缸、气门和气道的中央出口和侧向出口排气管的流动分析模型，如图6和图7所示。

8、采用定压差法进行流动分析，假定排气门开启时的缸内压力为，稳压腔出口处的压力为，计算得中央出口和侧向出口排气管的速度分布，如图8和图9所示。通过对图8和图9的分析说明，中央出口排气管出口处的平均流速为，侧向出口排气管出口处的平均流速为，也就是说侧向出口排气管比中央出口排气管的出口压力稳定。由于这2种形式排气管的出口平均速度处在一个数量级，考虑到中央出口排气管结构较紧凑，装车布置较容易，应选定中央出口排气管为最终试验管。图6中央出口排气管流动分析模型Fig6 Flow analysis model forcenter-ported exhaust pipe图7侧向出口排气管流动分析模型Fig7 F

9、low analysis model forlateral-ported exhaust pipe图8中央出口排气管速度分布Fig8 Velocity fieldin center-ported exhaust pipe图9侧向出口排气管速度分布Fig. 9 Velocity fiel dinlateral-ported exhaust pipe3 中央出口排气管气波增压柴油机台架实验3.1 实验发动机实验发动机为SOFIM 8140.47 4缸、4冲程、直列、直喷、增压中冷柴油机，最大功率为，最大转矩为，缸径，冲程，排量L，压缩比实验系统如图10所示。1-柴油机，2-测功仪，3-进气管，4-

10、排气管，5-中冷器，6-电机，7-变频器， 8-皮带传动，9-增压器转子带轮，10-PWS，11-废气，12-排放仪，13-流量计， 14-空气滤清器，15-新鲜空气图10气波增压柴油机实验装置Fig.10 Experimental setup for PWS diesel3.2 气波增压改造为了将增压中冷柴油机改造成气波增压中冷柴油机，用瑞士ABB公司生产的CX-102型气波增压器取代原机的Honeywell涡轮增压器，用渐扩式中央出口排气管取代原机排气管。3.3 测试仪器发动机测控采用南峰FST2A型全自动测控系统，油耗采用上海内燃机研究所生产的FCM-D型油耗仪测量，空气流量采用美国EP

11、I公司的EPI800型质量流量计测量，排放采用AVL公司的DiGas40005组分分析仪和DiSmoke烟度计测量，烟度大小用不透光系数(opac)来计量，不透光系数越大，烟度越大，反之越小，增压器转子由变频电机通过皮带驱动。4 实验结果及讨论 选择1100、1400、1600、1900、2000、2500、3000和 8个转速点进行全负荷实验，定义1100、1400和为低速区，1900、2000和为中速区，3000和为高速区。 图11说明，在低速区，气波增压与涡轮增压相比，功率分别提高了、8.6和4.96；在中速区，功率分别降低了1.77、1.87和1.98；在高速区有较大下降，功率分别降低

12、了2.5和5.53由此可见，气波增压比涡轮增压具有更好的低速动力性能。图12说明，气波增压与涡轮增压转矩相比，在低速区，分别提高了4.82、8.14和5.5；在中速区，分别降低了1.47、1.47和1.71；在高速区有较大下降，分别降低了2.89和4.1由此可见，气波增压比涡轮增压具有更大的低速转矩储藏。但由于本实验使用的排气管容积较小，导致中高转速增压缺乏，造成功率和转矩低于涡轮增压。涡轮增压器功率/kW转速(图11气波增压与涡轮增压功率比拟Fig.11 Power comparison between PWS and TC涡轮增压扭矩/Nm转速图12气波增压与涡轮增压扭矩比拟Fig.12

13、Torque comparison between PWS and TC图13说明，气波增压与涡轮增压进气量相比，在低速区，分别提高了、38和30；在中速区，分别降低了、和；在高速区有较大下降，分别降低了和8。由于气波增压由负荷决定，涡轮增压由转速决定，因此，低速区气波增压的进气量高于涡轮增压。图14说明，气波增压与涡轮增压HC相比，在低速区，分别降低了50、20和20；在中速区，分别增加了25、50和30；在高速区分别增加了和25这是由于低速时气波增压的进气量高于涡轮增压，且低速时的废气再循环(EGR)率较小，燃烧较充分，导致HC降低较多，而在中、高速区，进气量逐渐下降，且高速时EGR率增加

14、，导致HC增加。废气增压进气量kg/h转速图13气波增压与涡轮增压进气量比拟Fig.13 Intake masscom pariosn between PWS and TC废气增压转速图14气波增压与涡轮增压TC比拟Fig.14 HC comparison between PWS and TC图15说明，气波增压与涡轮增压NO相比，在低速区，分别降低了74、61.3和19.2；在中速区，分别降低了、31和；在高速区分别降低了和这是由于气波增压具有EGR能力，降低了燃烧温度，在整个转速范围内均可降低，低速时过量空气系数较大，供油量较少且具有一定EGR率，导致降低较多，而在中、高速区，进气量逐渐下

15、降，供油量增加、EGR率增加，导致仍有较大降低。图16说明，气波增压与涡轮增压烟度相比，在低速区，分别降低了、76和；在中速区，分别增加了、和；在高速区分别增加了和50。这是由于气波增压在低速时的进气量和瞬态响应优于涡轮增压，导致烟度明显低于涡轮增压，但随着进气量逐渐下降，EGR率的增加，烟度逐渐增加。废气增压PWS 转速图15气波增压与涡轮增压比拟Fig.15 Comparison between PWS and turbocharging in 废气增压烟度opac 转速图16气波增压与涡轮增压烟度比拟Fig.16 Comparison between PWS and turbocharg

16、ing in soot5 结论1)采用中央出口排气管的气波增压柴油机，在低速区，动力和排放性能均明显优于原涡轮增压柴油机，可有效改善涡轮增压柴油机低速性能。2)采用中央出口排气管的气波增压柴油机的动力性、HC和烟度排放，在中速区，比涡轮增压柴油机稍差。在高速区那么明显比涡轮增压柴油机差。3)在整个转速区间，气波增压柴油机的排放比涡轮增压柴油机平均降低近，说明气波增压具有很强的EGR能力。参考文献1 GyarmathyHow does the Comprex pressure-wave super-charger workRSAE Paper 830234，19832 ZHOU Qi-xingZHOU Jing-huaFundamentals and application of gas dynamics MBeijing：Aeronauticsand Astronautics Press.1996:33-423 LIU Zhi-zhongLEl Yan，YE Ai-yun.Study on the emissionsAnd acceleration characteris