第2講20120921特征線(xiàn)排氣系統(tǒng)

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宋金甌天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2013年10月內(nèi)燃機(jī)中的流體運(yùn)動(dòng)2§5特征線(xiàn)法基本概念(1)特征線(xiàn)法步驟能量+a2×連續(xù)+a×動(dòng)量

能量+a2×連續(xù)-a×動(dòng)量

3§5特征線(xiàn)法基本概念(1)沿特征線(xiàn)沿特征線(xiàn)能量方程變?yōu)樘卣鞣匠?/p>

特征方程

4§5特征線(xiàn)法基本概念(1)改寫(xiě)右邊全微分，如果不考慮摩擦和傳熱

黎曼(Riemann)不變量

5§5特征線(xiàn)法基本概念(1)求解過(guò)程

6對(duì)于有傳熱和摩擦的流動(dòng)

§5特征線(xiàn)法基本概念(1)沿特征線(xiàn)不是固定值，稱(chēng)為黎曼(Riemann)變量

特征線(xiàn)方程的無(wú)量綱化

7§5特征線(xiàn)法基本概念(1)8特征線(xiàn)方程的求解§5特征線(xiàn)法基本概念(1)n-1nn+1ΔXΔZλRβSPRSδXRZ

XδXS對(duì)于等熵流動(dòng)，存在傳熱和摩擦9穩(wěn)定性分析§5特征線(xiàn)法基本概念(2)有限步長(zhǎng)計(jì)算變?yōu)椴环€(wěn)定

10邊界條件

§5特征線(xiàn)法基本概念(3)閉口管端邊界條件

開(kāi)口管端邊界條件

其他邊界條件：管端為氣缸（氣門(mén)打開(kāi)）；管端為接頭；管端為增壓器；管端為消聲器；管端為后處理設(shè)備11§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(1)重點(diǎn)分析3個(gè)因素：排氣管長(zhǎng)度、截面面積，以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

排氣管長(zhǎng)度壓力波在排氣管內(nèi)往返一次所需時(shí)間（角度）

假定排氣持續(xù)期為240°CA，進(jìn)排氣重疊區(qū)為80°CA。

12§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(1)壓力波反射回來(lái)時(shí)，排氣門(mén)已關(guān)閉。13§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(1)反射波到達(dá)時(shí)，氣缸正處于掃氣階段。

14§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(1)反射波到達(dá)時(shí)，氣缸正處于強(qiáng)制排氣階段。

15§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(1)反射波到達(dá)時(shí)，氣缸正處于自由排氣階段。

16§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(2)管道內(nèi)脈沖頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和連接的氣缸數(shù)目有關(guān)氣體從脈沖發(fā)生器排出，流入一根長(zhǎng)直管（長(zhǎng)304.8cm、內(nèi)徑2.86cm）壓力測(cè)壓點(diǎn)位于出口閥后15.2cm處。

橫坐標(biāo)（時(shí)間坐標(biāo)）用無(wú)量綱參數(shù)隨脈沖頻率而改變，以保證兩個(gè)脈沖之間的無(wú)量綱時(shí)間Z均相同，而不管脈沖頻率是多少。

脈沖頻率的影響17§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(2)壓力波的特性隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而改變

設(shè)計(jì)一個(gè)能適當(dāng)考慮到不同工況的排氣系統(tǒng)

18排氣管截面§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(3)排氣管橫截面積與排氣門(mén)開(kāi)啟最大面積之比減少，節(jié)流損失降低，排氣壓力波增強(qiáng)，但此時(shí)由于排氣管容積減小，管內(nèi)氣流速度提高，流動(dòng)損失增大；反之，排氣管橫截面積與排氣門(mén)開(kāi)啟最大面積之比增大，通道突然擴(kuò)張而形成的渦流損失增大，排氣壓力波能量損失增大，但同時(shí)排氣管內(nèi)氣流速度減小，流動(dòng)損失降低。

19§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(3)20實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)壓力波都是多種因素綜合作用結(jié)果：其它缸排氣消聲器排氣催化器等等，定量結(jié)果通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到。

§6發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓力波運(yùn)動(dòng)(4)21

§7發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓(1)

增壓目的為了提高升功率增壓度低增壓

中增壓

高增壓超高增壓

22§7發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓(1)

增壓方式機(jī)械增壓(少見(jiàn))

排氣渦輪增壓

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§7發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓(2)

渦輪增壓排氣可用能

渦輪效率

脈沖系統(tǒng)脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)MPC系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

壓力波設(shè)計(jì)定壓系統(tǒng)排氣含有燃料能量的25-45%24§7發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓(2)

1.脈沖系統(tǒng)123456TC發(fā)火順序：1-5-3-6-2-4適用范圍：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)目是3的倍數(shù)排氣壓力波連續(xù)，不干擾

25§7發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓(2)

2.脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)當(dāng)排氣過(guò)程有重疊時(shí)，減少主排氣干擾先排氣的掃氣過(guò)程。適用范圍：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)目是4的倍數(shù)發(fā)火順序：1-3-2-4-8-6-7-526§7發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓(2)

2.脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)火順序：1-4-7-6-8-5-2-3(a)無(wú)脈沖轉(zhuǎn)換器(b)有脈沖轉(zhuǎn)換器27§7發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓(2)

多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)多脈沖系統(tǒng)需要仔細(xì)進(jìn)行排氣管尺寸、噴嘴環(huán)面積、渦輪增壓器之間的匹配工作

在9缸機(jī)上，3個(gè)脈沖支管合成一束適用范圍：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)目大于628§7發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓(2)

MPC系統(tǒng)—組合脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

在每個(gè)氣缸排氣口上安裝一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)換器，而排氣總管只有一個(gè)。

排氣缸的高速氣流對(duì)鄰近氣缸只會(huì)產(chǎn)生引射作用而不會(huì)產(chǎn)生干擾

混合的氣流以接近等壓的狀態(tài)進(jìn)入渦輪

29§7發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓(2)

定壓系統(tǒng)

在定壓系統(tǒng)中，排氣支管直接與總管相連，而不借助脈沖轉(zhuǎn)換器，所以定壓系統(tǒng)基本不能利用排氣脈沖能量。但是，隨著增壓壓力提高，脈沖系統(tǒng)在排氣脈動(dòng)能量利用方面的收益會(huì)逐漸漸小，當(dāng)增壓壓力大于0.25Mpa后，各類(lèi)脈沖系統(tǒng)的效果則甚不明顯。而這時(shí)定壓系統(tǒng)可獲得較高的渦輪效率。

30性能系統(tǒng)脈沖系統(tǒng)脈沖轉(zhuǎn)換多脈沖轉(zhuǎn)換MPC系統(tǒng)定壓系統(tǒng)全負(fù)荷掃氣++++++++部分負(fù)荷掃氣++++????部分負(fù)荷進(jìn)氣++++??????加載能力+++++++?部分負(fù)荷油耗+++++?全負(fù)荷油耗?++++++++高增壓適應(yīng)性?+++++++渦輪葉片振動(dòng)?++++++++缸數(shù)適應(yīng)性??++++結(jié)構(gòu)可靠性???++++各類(lèi)排氣系統(tǒng)特性比較

31各種排氣系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

增壓方式適用缸數(shù)pe/Mpa范圍適用(柴油機(jī))類(lèi)型脈沖系統(tǒng)6，12pe≤2.0(3脈沖)低、中、高速車(chē)用機(jī)脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)4，8，16pe≥1.4中、中高速機(jī)多脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)>6pe≥1.4MPC系統(tǒng)任意pe≤2.0中、中高速機(jī)定壓系統(tǒng)6，12pe≥2.0固定以及船用機(jī)5，7pe≥1.532§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器

內(nèi)燃機(jī)進(jìn)、排氣流動(dòng)是受有限波作用，消聲計(jì)算方法的基礎(chǔ)是特征線(xiàn)法。目前已有相應(yīng)的計(jì)算軟件。33§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(1)概念聽(tīng)覺(jué)現(xiàn)象

聲音

小擾動(dòng)波音調(diào)

頻率高，就是音調(diào)高

音色

純音

復(fù)合音基本頻率的基音和少量倍基頻的諧音合成34§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(2)聲強(qiáng)I聲波在垂直于聲音傳播方向，單位面積內(nèi)所攜帶的能量

有效聲壓

δp壓力波動(dòng)對(duì)平均值偏差的均方根值

聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)

聽(tīng)覺(jué)的等量變化是由于聲強(qiáng)等倍遞增

兩者關(guān)系

聲壓和聲壓級(jí)、聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)關(guān)系35§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(3)聲強(qiáng)相等的聲源相加，合成聲強(qiáng)級(jí)等于聲強(qiáng)級(jí)增加3.01dB。聲強(qiáng)級(jí)較小的聲源對(duì)合成聲強(qiáng)級(jí)影響不大頻率相同的若干合成效應(yīng)，不能按這種方法計(jì)算36§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(4)響度

1000Hz的純音作為基準(zhǔn)音，凡是聽(tīng)起來(lái)同該純音一樣響的聲音，其響度就與這個(gè)純音相等，并等于這個(gè)純音的聲壓級(jí)聲強(qiáng)是描述聲音的真實(shí)物理量，響度是人們對(duì)聲音的主觀(guān)評(píng)價(jià)

人耳對(duì)聲音的感覺(jué)，不僅和聲壓有關(guān)，也和頻率有關(guān)，一般對(duì)高頻聲音感覺(jué)靈敏，低頻聲音感覺(jué)遲鈍，聲壓級(jí)相同而頻率不同的聲音聽(tīng)起來(lái)不是一樣響。

37國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用的等響度曲線(xiàn)

§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(5)人耳對(duì)3000~4000Hz聲音最敏感

聲壓級(jí)小且頻率低的聲音，聲壓級(jí)和響度差別很大

當(dāng)聲壓級(jí)到一定程度，聲音響度與頻率關(guān)系不大了

由圖可見(jiàn)：38§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(6)主觀(guān)噪聲級(jí)（響度）

計(jì)權(quán)網(wǎng)格A中低頻(1000Hz)以下部分較之高頻有較大的衰減

計(jì)權(quán)網(wǎng)格B

中低頻(1000Hz)以下部分較之高頻有一定的衰減

計(jì)權(quán)網(wǎng)格C在可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)對(duì)聲壓級(jí)做近似平直的響應(yīng)

A計(jì)權(quán)針對(duì)低聲壓級(jí)，B計(jì)權(quán)針對(duì)中聲壓級(jí)，C計(jì)權(quán)針對(duì)高聲壓級(jí)

發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲采用計(jì)權(quán)網(wǎng)格A進(jìn)行評(píng)定

39噪聲譜圖或噪聲頻譜特性圖

§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(8)噪聲儀指示數(shù)據(jù)為總噪聲級(jí)

在測(cè)定頻程范圍內(nèi)，根據(jù)能量疊加原理計(jì)算

頻帶或頻程

可聽(tīng)頻率范圍（20-20000Hz

）分區(qū)40消聲器§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(9)改變有限波

或者降低聲音的強(qiáng)度，或者改變聲音頻率。通常優(yōu)先過(guò)濾若干組成頻率，以獲得不同的諧音譜，改變音色41主要有兩大類(lèi)：吸收式消聲器，也稱(chēng)阻式消聲器，濾波式消聲器，又稱(chēng)抗式消聲器§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(10)消聲器類(lèi)型吸收式消聲器通過(guò)將壓力波動(dòng)吸收掉，起到消聲作用。這種消聲器對(duì)刺耳的高頻有突出的消聲作用，對(duì)低頻消聲效果差因此常用作渦輪增壓器的進(jìn)氣消聲，較少用于內(nèi)燃機(jī)排氣消聲。42§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(11)排氣消聲器常用抗式消聲器擴(kuò)張型對(duì)某一窄狹頻帶的中低頻噪聲有較大的消聲作用共振型對(duì)某特定頻帶噪聲有明顯消聲作用收口型阻力較大干涉型消聲器要求壓力波的波峰在反射途中正好與入射的波谷相重合，讓入射與反射通過(guò)交錯(cuò)相遇而互相作用，以便抵消到某種程度擴(kuò)張型與共振型組合是目前成功的設(shè)計(jì)方法。43消聲器設(shè)計(jì)§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(13)消聲器設(shè)計(jì)分兩個(gè)階段，第一階段，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)噪聲譜，選擇孤立的消聲器，第二階段，按照消聲器裝入系統(tǒng)的效果對(duì)消聲器進(jìn)行改進(jìn)。消聲器裝入管路系統(tǒng)后，造成的聲強(qiáng)級(jí)降低稱(chēng)為插入損失，或裝入損失。孤立的消聲器聲強(qiáng)的降低僅與消聲器設(shè)計(jì)有關(guān)，故消聲器特性可用聲壓降低值與頻率關(guān)系表示。在給定頻率下聲強(qiáng)級(jí)的降低分貝數(shù)稱(chēng)為傳遞損失。插入損失是我們真正所需要的。開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，按照傳遞損失進(jìn)行，然后根據(jù)插入損失修改。

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消聲器安裝§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(14)消聲器的安裝位置對(duì)壓力波形有影響，所以對(duì)插入損失有影響

單個(gè)消聲器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣管出口中間為最好安裝兩個(gè)消聲器，下游消聲器安裝在距離管道出口主要頻率噪聲的1/3波長(zhǎng)處，上游消聲器或安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與下游消聲器的中點(diǎn)，更好的是，發(fā)動(dòng)機(jī)到上游消聲器的距離為上游消聲器到下游消聲器距離的2/9。

45消聲器與排氣阻力§8發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣消聲器(15)噪聲下降與性能下降沒(méi)有必然聯(lián)系。如果一個(gè)排氣系統(tǒng)，能夠改變壓力波形，使得排氣噪聲頻率改變和聲壓級(jí)降低，這使得排氣壓力損失減少，并且噪聲得到降低。消聲器局部損失（渦流損失）。進(jìn)氣壓力每下降1000N/m2，功率就要下降1%左右。排氣側(cè)相同的壓降對(duì)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的影響為上述的1/8左右

管道細(xì)而長(zhǎng)，有利于消聲，但排氣阻力增大

46§9發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)

排氣主流濃度廢氣a廢氣b生成物c生成物d

Aa+BbCc

+Dd