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柴油机废气能量的利用

2014-04-14 14:54      点击:


柴油机废气能量的利用

    从废气涡轮增压柴油机的理论示功图中可以看出,柴油机排出的废气,具有很大的能量储备,约占到燃料热能的30%-40%,如何在废气涡轮中运用这部分能量,是选择增压系统的重要依据。通常采用以下两种方式来利用废气能量,即定压增压系统和脉冲增压系统。


    (1)定压增压系统

   这种增压系统的特点是把各缸排气管都连接到一根总的排气管上,如图2. 36(a)所示。各缸的废气都排到总的排气管中,然后再引向涡轮的整个喷嘴环。在这种系统中,由于排气管的截面和长度较大,同时各缸的排气相互交替补充,而且大容积的排气管提供了充分的膨胀空间,因此排气管中的压力Pr波动很小,进人涡轮中的废气压力基本上保持恒定,故称为定压增压系统。

    在定压增压系统中,废气的“脉冲动能”没有直接冲击涡轮,而是使柴油机排出的废气进人了容积较大的排气管,在排气总管中通过膨胀、摩擦转化为热能,而热能又被废气吸取,相当于在等压状态下吸热后而升高到更高温度e′(图2.35)点。废气排出总管进人涡轮时已经是在定压状态下,然后通过涡轮膨胀到f′点。因此,柴油机的废气能量在定压系统中得不到充分的利用,主要利用了定压能面积1-5-e-f-1;而基本上没有利用“脉冲动能”,只利用了其转化的摩擦热能,即面积e-e′-f′-f-e。

    等压增压的脉冲能量利用率低,节流损失大。但是,当增压压力p。增高时,p,也相应地增高。从图2. 35上可以看出,脉冲动能面积b-5-e-b所占的比例将减小,而定压能面积比例将增大。所以要求增压比高的柴油机常采用定压增压系统。


    (2)脉冲增压系统

    脉冲增压系统的特点是尽可能将气缸中的废气直接而迅速地送到涡轮机中,从而尽可能多地利用定压系统中未利用的废气脉冲动能。故其需要将涡轮尽可能地靠近气缸,排气管做得短而细,并且为减少各缸排气管中压力波的相互干扰,用几根排气管将相邻发火的气缸的排气相互隔开【图2. 36(b)]。由于排气管的容积小,当气缸开始排气时,排气管中的压力就迅速地提高;

   并且在一根排气管中没有别的气缸同时排气,随着废气流人涡轮,排气管内压力便迅速下降,气缸内的废气压力也随着迅速地下降,然后下一个气缸排气,排气管内的压力又再次迅速升高和降低。于是,形成了排气管内压力的周期性波动,涡轮进口处的压力也随之波动,所以称为脉冲增压系统。

    在脉冲增压系统中,要得到良好的排气脉冲波,以及迅速降低排气门初开后的废气压力,以增加扫气效果,每根排气管所连接的气缸排气时间应相互错开,互不重登(或重叠很少)。例如,四冲程柴油机的排气持续角大约为240°,因此每根排气管连接气缸数不应该超过:720°/240°=3个。同一组气缸数少于3个固然不会产生排气的干扰,但废气不能连续供给,使废气传递过程可用能损失加大,涡轮间歇进气、部分进气引起的损失加大,使涡轮效率下降,所以同一组中的气缸数以3个为最佳。例如,某六缸四冲程柴油机发火顺序为1-5-3-6-2-4,各缸发火间隔角为720°/6 =120°,按上述原则分组得到1缸、2缸、3缸为一组,4缸、5缸、6缸为另一组。


    综上所述,脉冲增压系统相对于定压增压系统在废气能量利用方面有着明显的优点。但是随着增压压力的提高,脉冲增压在废气能量利用方面的优越性逐渐减少,由于脉冲增压的排气管容积较小,当柴油机负荷变化时,排气压力波能立即发生变化,并迅速传递到涡轮,因而加速性能较好;但脉冲增压系统的废气瞬时流量是周期性变化的,其瞬时最大流t比定压系统的流量(相当于脉冲增压系统的平均流量)大。因此脉冲涡轮的尺寸较大,排气管结构也较复杂,并受每根排气管连接气缸数目的限制。所以,在低增压时,采用脉冲增压系统较为有利,而在高增压时,则宜采用定压系统。


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