汽车发动机原理课件：废气能量的利用

一、废气涡轮增压系统的两种基本形式废气涡轮增压系统有以下两种基本形式。１.恒压系统如图8-13a)所示，这种增压系统的特点是涡轮前排气管内压力基本恒定。它把发动机所有汽缸的排气管都连接于一根排气总管，而排气总管的截面尽可能大。排气管实际上起了集气箱的作用，这时虽然各汽缸的排气时间是岔开的，但是由于集气箱的稳压作用，因而排气总管内的压力振荡较小。２.变压系统(脉冲系统)如图8-13b)所示，这种增压系统的特点是使排气管中的压力造成尽可能大的压力变动。为此，把涡轮增压器尽量靠近汽缸，把排气管做得短而细，并且几个汽缸(通常2缸或3缸)接一根排气管。这样在每一根排气管中就形成几个连续的互不干扰的排气脉冲波(或称排气压力波)进入废气涡轮机中。同时把涡轮的喷嘴环，根据排气管的数目分组隔开，使它们互不干扰。二、恒压增压系统废气能量的利用恒压系统四冲程涡轮增压柴油机的理论示功图(图8-14)说明了发动机废气能量的利用情况。图中3-a是柴油机的吸气过程，进气压力为pk。a-c-z

′-z-b是柴油机汽缸中的压缩、燃烧、膨胀过程。由于废气涡轮的存在，排气背压为pT。面积3a54为充量更换正功。图上23a0为压缩进入柴油机汽缸空气所需的能量。ig′32则为压缩扫气空气所需的能量(φs为扫气系数)，故压气机消耗的总能量为ig′a0。因为在废气涡轮增压柴油机中，压气机由涡轮驱动，而与柴油机无任何机械联系，因此压气机消耗的功率pk必须等于涡轮机发出的功率pT。排气阀开始打开时，汽缸中燃气状态b。如果让这些燃气在理想的发动机或涡轮机中(所谓理想的发动机或涡轮机指燃气在其中能实现等熵膨胀而不出现任何损失的理想动力机)完全膨胀到大气压力时，燃气所具有的作机械功的最大能力可在p-V图上以三角形面积1bf表示之，即称此面积为废气拥有的可用能量。从物理概念上看，它实际上是代表了废气涡轮理论上有可能从废气中取得并用来作功的最大能量。恒压涡轮前的燃气参数以e点表示。这是由于汽缸中的燃气经过排气阀节流和排气管中不可逆的自由膨胀到pT所产生的结果。恒压涡轮的功以面积24ef表示，面积ig42为扫气空气在涡轮中所做的功，因此恒压涡轮的总功为igef。涡轮所做功的能量来源由三部分组成的:(１)面积ig42是扫气空气提供的能量。(２)面积2451是活塞强制推出废气所做的推出功，系发动机活塞所给予。(３)真正自废气中取得的能量仅为面积15ef，而废气拥有的可用能量为1bf，因此，在恒压系统中面积5be的可用能量是损失掉了。在恒压系统中排气管中维持着恒定的压力。在排气阀刚打开时，压力pb远高于pT。随着气体自汽缸中排出，汽缸中的压力不断下降。在汽缸压力下降至pT以前，气流通过排气阀将产生强烈的节流作用。节流损失在超声速阶段表现为流出气门时的高速气流进入排气管后由于管子较粗，流速大大降低，大量的动能通过气体分子相互撞击、摩擦和形成涡流而损失，这就是可用能量损失的主要原因。还包括流入排气总管时，所产生的不可逆膨胀损失。在亚临界阶段(包括排气行程活塞推出废气的阶段)，主要表现也为动能损失，亦即流出排气阀时的摩擦损失。超临界阶段的节流损失是所有损失中的最主要部分，亚临界流动时的动能损失数值不大，此外还包括气体在管道中的摩擦损失和通过排气管壁的散热损失，但是它们在数量上更是属于次要方面。损失能量所产生的热量将加热气体，必将导致涡轮前的燃气温度将较等熵膨胀后e点的温度为高，以e′点表示。涡轮功的面积将增加ee′ff′，这就是损失b5e中的复热回收部分。不过它仅是损失中的一小部分而已，恒压系统中可用能量的损失为:根据能量平衡:式中:ΔT———涡轮前废气温升。GT———燃气流量。因此，涡轮做功能力的增加值为:

这样复热回收部分占损失能量5be的比例为:

由上式可知，在恒压系统中，pT越高，则复热回收的比例越大，也就是恒压系统越有效。在实际情况下，涡轮实际所做之功将等于面积ige′f′乘以涡轮机有效效率ηT，而压气消耗的功却是面积ig′a0除以压气机效率ηK。因此在增压压力pk较低，而涡轮增压器的综合效率ηTηKηM又不高时，恒压系统就较难实现压气机和涡轮机的功率平衡要求。究其原因，就是在于面积b5e那块能量没有很好地加以利用。三、脉冲增压系统废气能量的利用设计变压系统的目的，就是在于尽量改善面积b5e那部分能量的利用情况。图8-15a)表示排气管容积相当小的情况。当排气阀开启后，随着气体流出，汽缸中压力p从pb很快下降。开始是超临界流动，但由于变压系统排气管容积小，因此排气管中的压力pT迅速提高，此后随着燃气流出涡轮，汽缸压力p和排气管压力将一起下降。从图8-15可以看到，在排气最初阶段，因为p和pT的压差很大，因此节流损失也很大，但由于pT上升很快，节流损失很快减少。同时由于排气管截面较细，排气管中气流速度也较高，因而部分气流的动能也可以在涡轮中加以利用，使涡轮机的拥有能量增加，增压压力p得以提高。反之如果增大排气管容积，这时排气管中压力pT的建立减慢，pT的数值降低，从而增大了节流损失，降低了增压压力。从以上分析中可以看到，变压系统比恒压系统可以较好地利用柴油机的废气能量。排气管容积较小，废气能量利用也就较好。一般当排气系统正确设计时，在恒压系统中损失的可用能量b5e中有40％~50％可以在变压系统中获得利用，因此涡轮的拥有能量就大，建立的pk就可高。反之，如果要求同样的pk，那么在变压系统就可以放大喷嘴环的截面积，加快排气管排空，减少活塞推出废气所做之功，使充量更换正功更大，从而改善柴油机机械效率，使柴油机比油耗ge进一步下降。四、恒压系统与脉冲系统的比较恒压系统及脉冲系统的优缺点比较如下所述。(１)由于脉冲系统部分利用了废气的脉冲能量，所以系统的可用能量比恒压系统大。如果按脉冲能量E1的50％得到利用进行计算，则脉冲系统可用能与恒压系统可用能之比为:显然，KE表示脉冲能量利用的程度，当废气温度TT=350℃时，系数KE与增压压力pk的关系如图8-16所示。由图可知，从增加可利用能量的角度看，在低增压时，例如pk/p0<1.5时，采用脉冲系数效果比较显著:当pk

/p0≥2.5时，0.5E1/E2的比值较小，采用脉冲增压的优点就不明显了。(２)脉冲增压系统对汽缸中扫气有明显的好处。由图8-17可以看出，在柴油机扫气期间，脉冲系统的pT正处于波谷，因此即使在低增压和高增压的部分负荷工况，仍能保持足够的扫气压力差pk-pT，保证汽缸内良好的扫气。而在恒压系统中，由于pT波动小，扫气压力差就大为减小(比较图8-17中两系统的阴影区)，所以不容易保证汽缸的扫气。(３)在脉冲系统中，由于排气管容积较小，当柴油机负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递到涡轮机，引起增压器转速较快地变动，所以脉冲系统的加速性能较好。此外，在柴油机转速降低时，脉冲系统可用能与恒压系统可用能之比增大，有利于柴油机的转矩特性。在排气管容积较大的恒压环境中，涡轮前压力变化比较缓慢，加速性就比较差，特别在低增压时，排气能量的利用程度差，加速性能就更差。恒压系统的转矩特性显然也不如脉冲系统。(４)从废气涡轮的效率来看，脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压环境的略低。这是因为在柴油机开始排气时，废气以很高的流速进入涡轮。流动损失很大，特别是涡轮前的废气压力和温度都在周期性的变化，进入工作轮叶片的废气方向也周期性的改变，而工作轮叶片的安装角都是固定的，所以气流和叶片不断发生冲击和气流分离，造成比较大的撞击损失。此外，在有些情况下，涡轮机还存在着部分进气损失。(５)脉冲系统的废气瞬时流量也是周期性变化的，其瞬时最大流量比恒压系统的流量(相当于脉冲系统的平均流量)大。因此，脉冲涡轮的尺寸较大，其排气管的结构也复杂，受每根排气管连接汽缸数目的限制，在一台柴油机上有时不得不采用几个废气涡轮增压器，这就使得整个增压系统变得复杂，柴油机的轮廓尺寸加大。综上所述，在低增压时，采用脉冲涡轮增压较为有利，而在高增压时，则宜采用恒压涡轮增压。然而，考虑到车用柴油机大部分时间在部分负荷(此时增压压力较低)下工作，对其转矩特性、加速性能要求比较高，所以即使是在高增压的车用柴油机上仍常采用脉冲增压系统。五、可变增压系统一般的增压器的喷嘴叶片是固定的，即不论发动机的工况如何变化，喷嘴排气流通面积和排气出口速度方向是不变的，这就造成在发动机低速工况时，系统增压压力降低，动力性下降，发动机的加速响应差，而高速高负荷时又需要放气，以保护增压器避免出现超速或系统超压。不可变的增压系统不仅影响发动机的低速动力性能，而且影响发动机排放性能的改善。可变流通截面涡轮增压器的喷嘴叶片则是可以调节的，可以通过电子控制单元控制叶片角度来改变排气流通面积(图8-18)。随着喷嘴叶片角度的改变，涡轮机最小流通截面积以及排气进入涡轮的角