用以提高高速涡轮增压柴油发动机瞬态性能的排气歧管设计外文翻译资料

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用以提高高速涡轮增压柴油发动机瞬态性能的排气歧管设计

J. Galindo ^a, J.M. Lujan ^a, J.R. Serrano ^a,*, V. Dolz ^a, S. Guilain ^b

^a Universidad Politecnica de Valencia. CMT-Motores Termicos. Camino de Vera, s/n., 46022 Valencia, Spain

^b Renault S.A. - Lardy – France

Received 20 November 2003; received in revised form 10 January 2004; accepted 20 January 2004

摘要

本文分析了高速直喷涡轮增压柴油发动机负载瞬变过程中废气能量和压力脉冲干扰对发动机动力性能影响。通过对双壁气隙排气歧管和4-2-1脉冲排气歧管使用分析，完成对该排气歧管的建模，以及在恒定速度的发动机试验台上进行制造测试和负载瞬态测试。最后，为保证发动机性能的最大改善提高，对合成排气歧管进行了最佳优化建模设计，从而保证了发动机在低转速下的发动机瞬态高性能，催化剂在入口处的气体温度以及稳定的有效转矩。

关键词：热量传播；非定常流；四冲程发动机；涡轮增压柴油发动机；废气能量；排气歧管设计

1.引言

高速直喷（HSDI）涡轮增压柴油发动机的主要缺陷是其在低速范围内与火花点火燃料相比具有低动态响应。一般来说，涡轮增压发动机的瞬时运行中的时间延迟的原因可以分为三种：机械，热和流体动力学现象。第一种机械摩擦，主要是因为涡轮增压器的惯性和发动机的其它旋转元件间的相对运动。而相关的热和流体动力学现象则是指从排气阀到涡轮机以及从压缩机出口到气缸的质量和能量传递过程。

气缸和涡轮增压器之间能量传递的具体特征是涡轮增压器加速延迟的主要原因。众所周知，在任何瞬态操作过程中，废气传输的能量都能快速到达涡轮。然而，这些能量只有一部分转化为机械能并转移到压缩机，因为大部分的能量用于克服涡轮增压器转子的惯性以加速涡轮增压器转子。改善这种情况的一种有效方式是在燃烧室中喷射更多的燃料以提供更多的气体能量。然而，作为直接效应，这一措施导致了燃油消耗量的上升，并且可能会增加烟尘排放。因此，燃料输送需要在烟雾校正系统的瞬态期间进行调整，该烟雾校正器系统根据空气质量流量或进气歧管中的压力值来控制燃油喷射量。综上所述，负载瞬变过程中的转矩是直接由空气质量流量控制的，燃油喷射量也取决于此，另外，空气质量流量则取决于涡轮增压器的速度。因此，所有变量都与能量平衡有关，当瞬态进化结束时，能量平衡将达到平衡。

还必须注意的是，在发动机的瞬态运转期间，存在与该过程密切相关的热现象，这些不属于发动机涡轮增压过程，因为任何发动机在加热期间气缸壁都会吸收部分能量转移到曲轴。这种积聚能量的程度除了受它们的几何形状和尺寸的影响，还取决于与气体接触的壁的热扩散率。然而，在涡轮增压发动机中，由于排气管的壁通常温度比气体低，因此会在瞬时运转期间吸收能量，导致这种现象更加严重，从而减少了向涡轮机传递的能量，并延迟了涡轮增压器的加速度，最终导致涡轮增压发动机瞬态运行延迟这一最重要现象。Winterbone和Backhouse在对重型发动机中这种现象的研究，主要是通过对排气歧管和涡轮机壳的热损失进行解释。在瞬态条件下进行的测量产生了类似的结果，这些学者发现发动机壁的热惯性是其延迟的重要组成部分。

由此可见，影响热瞬变的最重要因素与涡轮增压器加速度一致; 虽然有必要指出，热瞬变比涡轮增压器加速瞬态更长，但这是合乎逻辑的，因为只有达到涡轮增压器的稳定条件之后，发动机壁的温度才会上升。一些学者得出在活塞温度瞬变的情况下，其持续时间仅有几分钟。

在这项研究中，为了提高HSDI涡轮增压柴油发动机的动态性能，通过涡轮增压器加速节能，在排气歧管的不同布局的负载瞬变运行期间对发动机性能进行测量和建模。

根据前人的研究，热传递计算是热力发动机动态性能预测的关键点，特别是涡轮增压HSDI柴油机。因此，与1-D气体动力学代码相结合的传热子模型已被用于对具有不同排气歧管配置的负载瞬态过程进行建模，以便解释那些难以测量或不可能测量的情况。利用1-D气体动力学代码对发动机管道进行网格划分，将其长度分为不同的计算点，并解决了每个点上的三个守恒方程（质量，能量和动量）。 1-D代码使用Lax-Wendroff二阶数值方法来考虑Courant数稳定标准来解决这些方程，以便将时间计算步骤与管道的空间啮合相关联。传热子模型使用发动机管道的1-D代码网格来定义管道壁中温度的离散空间分布。从热传递建模的角度来看，发动机分为四个不同的区域，这些区域将具有不同的计算特性：进气管线，发动机气缸，排气口和排气管路。对于发动机壁温度，传热子模型已被编程为处理三种不同的可能性：随时间变化，考虑可变但不具有热惯性情况，考虑壁热惯性的变化的情况。这些模型已经在以前的参考书中被深入验证，并且足够准确地预测发动机瞬态演变。简而言之，其中描述的HSDI涡轮增压发动机已经用该程序进行了建模，并且通过测量和建模对数据之间的比较得了令人满意的发动机性能结果。

实验测试之前，在HSDI涡轮增压柴油发动机的负载瞬态测试（恒定速度）下，使用1-D气体动力学代码分析了用于径向涡轮机的废气中可用的能量。该分析支持在配备有动态测力计的测试台上进行的实验，其能够提供足够快的可变阻力扭矩以在负载瞬变期间保持恒定的发动机速度。制造并测试了双壁气隙排气歧管，以探究排气热能对发动机瞬态性能的影响，得到的结果如图所示。然后，为了探究废气压力节能对发动机瞬态性能的影响，对歧管进行设计建模和测试以避免排气压力脉冲之间干扰，且在此试验中也得出了预期的结果。最后，为了预测负载的瞬变性能，进行了一项综合的可能性改进，对排气歧管进行了建模，从先前研究的中总结经验获取最佳的热以及脉冲的绝缘配置。

2. 分析废气中的可用能量

来自涡轮增压发动机的径向涡轮机可以使用的能量取决于从排气阀打开时刻的排气的压力，温度和质量流量的变化值。因此，这种能量不仅取决于发动机工作条件，而且还取决于当废气通过排气管路元件到达涡轮机入口时废气的能量损失。前者基于重型涡轮增压柴油发动机排气管线能量概念的研究将这种损失归因于三个主要来源：粘性气体通过可变截面管道的高速流动，热力学过程的不可逆性和排气系统中通过发动机壁的热交换。这项研究确定了HSDI涡轮增压器柴油机的能量损失的主要来源并探究了其参数值变化。

2.1等熵涡轮功率（ITP）评估的热力学基础

沿着排气管（欧拉表示法）流动的质量粒子的能量变化可以在图1中示意性地表示。点1表示气缸内的停滞状态；点2表示考虑到产生达到喉部气体声波条件膨胀的排气阀喉管中的流动状况；点3表示考虑到气体已经从阀门喉部膨胀状态到端口压力的排气口入口处的条件；这是一个绝对的绝热过程。最后，点4表示排气口出口；与严重的热损失相比，3和4之间的压力损失被认为是可以忽略不计的，可以看作是恒定的压力过程。

图1.四冲程发动机排气过程中的气体演变（h-s图）

每个热力学状态下可用的能量由其产生等熵涡轮机工作（ITW）的可能性决定。 因此，可以通过从排气的瞬时停滞（总）条件到达大气压力和零速度（静态）条件下的等熵膨胀来表示可获得的最大功，ITW在图中表示。1是当每个停滞点扩展到大气压力时获得的跳跃值。

在排气管线的每个点使用这个概念，比如，可以定义式(1)可以计算关于废气能量的瞬时信息，以及如何改变在涡轮机中产生运转的能量效率。

ITW_cad=(h₀ - h_s)_cad (1)

压力，温度，速度和质量流量气体条件从排气管路的一个点改变到下一个点，并且同时也改变曲柄角度（cad）。因此，有必要使用非稳定波动作模型来评估h点的曲柄角度。在这项工作中使用的1-D气体动力学模型能够在排气管线和每一时刻的任意点计算这些变量。由于是替代发动机的燃烧的特性，这些条件非常不稳定，并且取决于整个系统的压力演化过程。

涡轮发电的功率不仅取决于等熵差，而且取决于废气的瞬时质量流量。对于使用C_p常数的等熵过程，理想涡轮机（ITP）产生的等熵功率可以定义为与式（2）排气管线的每个点处的瞬时气体停滞条件的函数。

(2)

用式(3)计算停滞条件的情况

(3)

所有数据都以1-D气体动态代码编程，以便可以计算ITP变化。

2.2讨论ITP结果

在恒定发动机转速（1500rpm转）的全负载加速期间，对于表1中定义的发动机，对ITP进化进行了研究，其中在瞬态进行的60个循环期间，计算每个瞬间的ITP。

计算出ITP的排气管路的各点的数据，分别是气缸、阀出口、进气口、出口、歧管入口、歧管出口、涡轮机入口。瞬时ITP值及其累加值（kJ）在图9中表示。 最后一个计算循环（第60个），其中涡轮增压器的滞后已经完成。在不同控制点的平均ITP（kW）及其沿瞬态的增量绘制在图1中。图2为前20个循环的缩放图。

在图中可以观察到在顶部的气缸和进气口之间如何产生最大的ITP破坏率。在排气过程中，ITP在气缸内部处于最大值（点1），并且在到达排气口入口（点2）的阀门下游之前，排气阀中损失约30％。必须认为，此时的阀门的膨胀比最高，在声波条件下流动的排气过程的时间最长，因此由于强烈的不可逆过程而导致阀门损坏的能量最高。如图2下半部分所示，可以观察到在循环1和10（其对应于负载瞬态开始之前的非常低的负载条件下），阀中的能量破坏百分比特别低（约10％），由于较低的膨胀比率。在这种情况下，由于气体的低速度，在排气歧管中产生了总能量的一半，这导致高的停留时间和更大的热损失现象发生。这些低负载条件用于在负载瞬变之前稳定发动机的角度来分析是很有必要的。

从循环12到60来看，可以很明显的观察到在排气歧管（从出口到涡轮机入口）中产生类似的能量破坏，比如在排气口中。因此，必须努力在排气管路的两个部分进行类似的能量回收。排气口中主要的ITP损失是由于在端口一侧的气体以及气缸盖的冷却剂回路中的高湍流导致的冷却水热量损失，这两者都增加了传热损失，并且随着发动机转速的增大而增加。最后，排气歧管中的ITP损失也主要是由于传热损失，但在这种情况下，由于该元件中的冷却剂温度低、气体的低湍流，导致热损失的主要因素与排气歧管口内气体相比停留时间较长。

3.废气热能对瞬态响应的影响

在本节将介绍如何制造，测试和比较具有低热惯性和外部绝缘的排气歧管与不具有绝缘和较大热惯性的排气歧管。 将从此比较中获得的结果进行分析和量化。

前面的工作已经表明，单独的排气歧管的外部绝缘不会有助于在发动机负载瞬变期间节能。原因是负载瞬态从冷发动机条件开始，这意味着排气歧管冷壁，并且发动机的温度瞬变需要在短时间内完成。因此，它们的外部绝缘不可避免得在负载瞬变阶段和排气管壁热瞬变结束之前利用废气的主要能量来加热它们。因此，只有在稳定操作条件的情况下，排气歧管的外部绝缘才有助于增加在涡轮机入口处可获得的热功率，但是不会在热瞬变相关联的瞬态条件的情况下完成。最后可以得出，除了绝缘之外，通过在负载瞬变期间减少热损失的任何节能尝试都必须在其内部具有“低热惯性”的排气管内完成。

图2.在1500 转的负载瞬变期间，等熵涡轮机功率演变。

如果通过“低热惯性”指的是以低能量吸收快速达到平衡温度的歧管，则热惯性可以定义为扩散系数的倒数，如式（4）：

(4)

3.1实验阐述

排气歧管模型在内壁上具有双壁气隙和低热惯性材料（铁）的图示在图1的左侧。在另一个排气歧管模型中，不仅具有较高的热惯性材料（不锈钢），并且仅具有双层的内壁，其以粗黑线代表在相同的图中。目的是比较具有相同形状的两个排气歧管，唯一的区别是其壁的热惯性。在图的右侧部分，也可以观察到壁厚约6 mm的铸铁制成的原始排气歧管（OEM），该值是通过将歧管的质量除以密度乘以歧管的平均面积而得到。

在完成了热惯性研究后，比较了标准歧管材料（灰口铸铁）与其他原型制造材料（如铁或不锈钢）用以选择来构建歧管的材料。式（4）的热惯性定义提供了表2所示的值。在该表中可以看出，与灰口铸铁相比，不锈钢的热惯量约为三分之一左右，铁大约减少30％。这些将分别用于制造高低温热惯性排气歧管的材料。 因此可以得出，具有低热惯性内壁（1mm厚的铁片用于其制造）的排气歧管将由双壁气隙提供热绝缘，如图3中所示。

图3.双壁气隙排气歧管图（左）和原装灰口铸铁排气歧管（右）

第二个歧管与双壁歧管的内壁模型相同。该歧管具有较高的热惯性材料（其制造使用2mm厚的不锈钢板），并且由于没有空隙而没有绝缘性能。可以考虑两个排气歧管之间获得的热惯性差异，考虑到管壁的热惯性

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