第2講20120921特征線排氣系統(tǒng)

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宋金甌天津大學內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室2013年10月內(nèi)燃機中的流體運動2§5特征線法基本概念(1)特征線法步驟能量+a2×連續(xù)+a×動量

能量+a2×連續(xù)-a×動量

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

特征方程

4§5特征線法基本概念(1)改寫右邊全微分，如果不考慮摩擦和傳熱

黎曼(Riemann)不變量

5§5特征線法基本概念(1)求解過程

6對于有傳熱和摩擦的流動

§5特征線法基本概念(1)沿特征線不是固定值，稱為黎曼(Riemann)變量

特征線方程的無量綱化

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

XδXS對于等熵流動，存在傳熱和摩擦9穩(wěn)定性分析§5特征線法基本概念(2)有限步長計算變?yōu)椴环€(wěn)定

10邊界條件

§5特征線法基本概念(3)閉口管端邊界條件

開口管端邊界條件

其他邊界條件：管端為氣缸（氣門打開）；管端為接頭；管端為增壓器；管端為消聲器；管端為后處理設備11§6發(fā)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(1)重點分析3個因素：排氣管長度、截面面積，以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速

排氣管長度壓力波在排氣管內(nèi)往返一次所需時間（角度）

假定排氣持續(xù)期為240°CA，進排氣重疊區(qū)為80°CA。

12§6發(fā)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(1)壓力波反射回來時，排氣門已關閉。13§6發(fā)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(1)反射波到達時，氣缸正處于掃氣階段。

14§6發(fā)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(1)反射波到達時，氣缸正處于強制排氣階段。

15§6發(fā)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(1)反射波到達時，氣缸正處于自由排氣階段。

16§6發(fā)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(2)管道內(nèi)脈沖頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和連接的氣缸數(shù)目有關氣體從脈沖發(fā)生器排出，流入一根長直管（長304.8cm、內(nèi)徑2.86cm）壓力測壓點位于出口閥后15.2cm處。

橫坐標（時間坐標）用無量綱參數(shù)隨脈沖頻率而改變，以保證兩個脈沖之間的無量綱時間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)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(2)壓力波的特性隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速而改變

設計一個能適當考慮到不同工況的排氣系統(tǒng)

18排氣管截面§6發(fā)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(3)排氣管橫截面積與排氣門開啟最大面積之比減少，節(jié)流損失降低，排氣壓力波增強，但此時由于排氣管容積減小，管內(nèi)氣流速度提高，流動損失增大；反之，排氣管橫截面積與排氣門開啟最大面積之比增大，通道突然擴張而形成的渦流損失增大，排氣壓力波能量損失增大，但同時排氣管內(nèi)氣流速度減小，流動損失降低。

19§6發(fā)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(3)20實際發(fā)動機每一個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)果通過數(shù)值計算得到。

§6發(fā)動機排氣系統(tǒng)壓力波運動(4)21

§7發(fā)動機進氣增壓(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)動機進氣增壓(1)

增壓方式機械增壓(少見)

排氣渦輪增壓

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§7發(fā)動機進氣增壓(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)管路設計

壓力波設計定壓系統(tǒng)排氣含有燃料能量的25-45%24§7發(fā)動機進氣增壓(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)動機氣缸數(shù)目是3的倍數(shù)排氣壓力波連續(xù)，不干擾

25§7發(fā)動機進氣增壓(2)

2.脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)當排氣過程有重疊時，減少主排氣干擾先排氣的掃氣過程。適用范圍：發(fā)動機氣缸數(shù)目是4的倍數(shù)發(fā)火順序：1-3-2-4-8-6-7-526§7發(fā)動機進氣增壓(2)

2.脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)火順序：1-4-7-6-8-5-2-3(a)無脈沖轉(zhuǎn)換器(b)有脈沖轉(zhuǎn)換器27§7發(fā)動機進氣增壓(2)

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

在9缸機上，3個脈沖支管合成一束適用范圍：發(fā)動機氣缸數(shù)目大于628§7發(fā)動機進氣增壓(2)

MPC系統(tǒng)—組合脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

在每個氣缸排氣口上安裝一個脈沖轉(zhuǎn)換器，而排氣總管只有一個。

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

混合的氣流以接近等壓的狀態(tài)進入渦輪

29§7發(fā)動機進氣增壓(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)在排氣脈動能量利用方面的收益會逐漸漸小，當增壓壓力大于0.25Mpa后，各類脈沖系統(tǒng)的效果則甚不明顯。而這時定壓系統(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)全負荷掃氣++++++++部分負荷掃氣++++????部分負荷進氣++++??????加載能力+++++++?部分負荷油耗+++++?全負荷油耗?++++++++高增壓適應性?+++++++渦輪葉片振動?++++++++缸數(shù)適應性??++++結(jié)構可靠性???++++各類排氣系統(tǒng)特性比較

31各種排氣系統(tǒng)的應用范圍

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

內(nèi)燃機進、排氣流動是受有限波作用，消聲計算方法的基礎是特征線法。目前已有相應的計算軟件。33§8發(fā)動機進、排氣消聲器(1)概念聽覺現(xiàn)象

聲音

小擾動波音調(diào)

頻率高，就是音調(diào)高

音色

純音

復合音基本頻率的基音和少量倍基頻的諧音合成34§8發(fā)動機進、排氣消聲器(2)聲強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壓力波動對平均值偏差的均方根值

聲壓級和聲強級

聽覺的等量變化是由于聲強等倍遞增

兩者關系

聲壓和聲壓級、聲強和聲強級關系35§8發(fā)動機進、排氣消聲器(3)聲強相等的聲源相加，合成聲強級等于聲強級增加3.01dB。聲強級較小的聲源對合成聲強級影響不大頻率相同的若干合成效應，不能按這種方法計算36§8發(fā)動機進、排氣消聲器(4)響度

1000Hz的純音作為基準音，凡是聽起來同該純音一樣響的聲音，其響度就與這個純音相等，并等于這個純音的聲壓級聲強是描述聲音的真實物理量，響度是人們對聲音的主觀評價

人耳對聲音的感覺，不僅和聲壓有關，也和頻率有關，一般對高頻聲音感覺靈敏，低頻聲音感覺遲鈍，聲壓級相同而頻率不同的聲音聽起來不是一樣響。

37國際標準化組織采用的等響度曲線

§8發(fā)動機進、排氣消聲器(5)人耳對3000~4000Hz聲音最敏感

聲壓級小且頻率低的聲音，聲壓級和響度差別很大

當聲壓級到一定程度，聲音響度與頻率關系不大了

由圖可見：38§8發(fā)動機進、排氣消聲器(6)主觀噪聲級（響度）

計權網(wǎng)格A中低頻(1000Hz)以下部分較之高頻有較大的衰減

計權網(wǎng)格B

中低頻(1000Hz)以下部分較之高頻有一定的衰減

計權網(wǎng)格C在可聽頻率范圍內(nèi)對聲壓級做近似平直的響應

A計權針對低聲壓級，B計權針對中聲壓級，C計權針對高聲壓級

發(fā)動機的噪聲采用計權網(wǎng)格A進行評定

39噪聲譜圖或噪聲頻譜特性圖

§8發(fā)動機進、排氣消聲器(8)噪聲儀指示數(shù)據(jù)為總噪聲級

在測定頻程范圍內(nèi)，根據(jù)能量疊加原理計算

頻帶或頻程

可聽頻率范圍（20-20000Hz

）分區(qū)40消聲器§8發(fā)動機進、排氣消聲器(9)改變有限波

或者降低聲音的強度，或者改變聲音頻率。通常優(yōu)先過濾若干組成頻率，以獲得不同的諧音譜，改變音色41主要有兩大類：吸收式消聲器，也稱阻式消聲器，濾波式消聲器，又稱抗式消聲器§8發(fā)動機進、排氣消聲器(10)消聲器類型吸收式消聲器通過將壓力波動吸收掉，起到消聲作用。這種消聲器對刺耳的高頻有突出的消聲作用，對低頻消聲效果差因此常用作渦輪增壓器的進氣消聲，較少用于內(nèi)燃機排氣消聲。42§8發(fā)動機進、排氣消聲器(11)排氣消聲器常用抗式消聲器擴張型對某一窄狹頻帶的中低頻噪聲有較大的消聲作用共振型對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，讓入射與反射通過交錯相遇而互相作用，以便抵消到某種程度擴張型與共振型組合是目前成功的設計方法。43消聲器設計§8發(fā)動機進、排氣消聲器(13)消聲器設計分兩個階段，第一階段，根據(jù)發(fā)動機實測噪聲譜，選擇孤立的消聲器，第二階段，按照消聲器裝入系統(tǒng)的效果對消聲器進行改進。消聲器裝入管路系統(tǒng)后，造成的聲強級降低稱為插入損失，或裝入損失。孤立的消聲器聲強的降低僅與消聲器設計有關，故消聲器特性可用聲壓降低值與頻率關系表示。在給定頻率下聲強級的降低分貝數(shù)稱為傳遞損失。插入損失是我們真正所需要的。開始設計時，按照傳遞損失進行，然后根據(jù)插入損失修改。

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消聲器安裝§8發(fā)動機進、排氣消聲器(14)消聲器的安裝位置對壓力波形有影響，所以對插入損失有影響

單個消聲器安裝在發(fā)動機與排氣管出口中間為最好安裝兩個消聲器，下游消聲器安裝在距離管道出口主要頻率噪聲的1/3波長處，上游消聲器或安裝在發(fā)動機與下游消聲器的中點，更好的是，發(fā)動機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)動機進、排氣消聲器(15)噪聲下降與性能下降沒有必然聯(lián)系。如果一個排氣系統(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)相同的壓降對四沖程發(fā)動機的影響為上述的1/8左右

管道細而長，有利于消聲，但排氣阻力增大

46§9發(fā)動機后處理系統(tǒng)

排氣主流濃度廢氣a廢氣b生成物c生成物d

Aa+BbCc

+Dd