第2讲20120921特征线排气系统

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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 25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 02424122uuuDfauuuDfuqkxuautuaxpautp能量 +a2连续-a动量 02424122uuuDfauuuDfuqkxuautuaxpautp35特征线法基本概念特征线法基本概念(1)dxudtdtaukuuuDfdtaqkdpadu1124112dxuadt沿特征线特征线沿特征线特征线024122uuuDfuqkdtdadtd

2、p能量方程变为特征方程特征方程 特征方程特征方程 45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 012akudaku12黎曼黎曼(Riemann)不变量不变量 55特征线法基本概念特征线法基本概念(1)33111212akuaku33221212akuaku求解过程 6对于有传热和摩擦的流动 5特征线法基本概念特征线法基本概念(1)aku12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 refrefrefrefAArefrefxxXxtaZaaAauUaaA,UkA21UkA2175特征线法基本概念特征线

3、法基本概念(1)dZAakqxdZAUkUdUfxkAdAAdUkdAdrefrefrefAA323211121221dZAakqxdZAUkUdUfxkAdAAdUkdAdrefrefrefAA323211121221dZdUfxaqxAAkdArefrefrefAA3322218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)APASAAn-1nn+1XZRSPRSXR Z XXSRPSP对于等熵流动，存在传热和摩擦RRPdSSPdAPAlAlAAdA9稳定性分析5特征线法基本概念特征线法基本概念(2)1XXR1XXS有限步长计算变为不稳定有限步长计算变为不稳定

4、10dakdu12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116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 603602naLL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。 126 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。 136 6发动机排气系统压力

5、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。 146 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。 156 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。 166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

6、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 176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。 196 6发动机排气

7、系统压力波运动发动机排气系统压力波运动 (3)(3)200dtd0dtd0dtd0t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 SeLnpN0LHpsvmiue增压度增压度 0000LLeessssNNpppp低增压低增压 0.180.8 1.0(sepMPa pMPa很少用了）中增压中增压 0.18 0.250.9 1.5()sepMPa pMPa汽油机高

8、增压高增压0.25 0.351.4 1.2()sepMPa pMPa柴油机超高增压超高增压 0.352.2sepMPa pMPa227 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 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%247 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 56TC

9、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 257 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：1-3-2-4-8-6-7-5267 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：1-4-7-6-8-5-2-3 (a) 无脉冲转换器 (b) 有脉冲转换器277 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

10、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6287 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 297 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