柴油機進、排氣系統分析

陳正林　龔衛國　趙祖玲

摘要：南通柴油機股份有限公司針對船用開發的直列六缸增壓中冷柴油機，為四氣門、直噴式、廢氣渦輪增壓、水空中冷柴油機。柴油機進、排氣系統的優劣對柴油機性能有著至關重要的影響，因此對進、排氣系統進行分析很有必要。文章基于此，對柴油機進、排氣系統進行了分析。

關鍵詞：柴油機；進氣系統；排氣系統；脈沖（變壓）系統；MPC（組合脈沖轉換）系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK421 文章編號：1009-2374（2016）01-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.029

1 概述

進氣管的設計目的是消除各缸之間的進氣干涉、排氣干擾，提高充氣效率。在設計進氣歧管時要充分利用進氣管的波動效應和慣性效應，提高進氣終了時的進氣壓力，提高充氣效率。設計出最佳的管長和管徑，就能在發動機一定的轉速范圍內增加充氣量，提高功率，改善扭矩特性，降低油耗率和煙度。

南通柴油機股份有限公司目前研制的柴油機主要采用兩種排氣系統：一種是MPC排氣系統；另一種是脈沖轉換排氣系統。從總的情況來看，MPC排氣系統結構簡單，便于總體布置，能綜合定壓和脈沖兩種排氣系統的優點，渦輪效率高，一般采用該系統能獲得較好的標定工況性能，其缺點是對于大氣門重疊角的柴油機，排氣干擾嚴重，特別是對于中低轉速工況，排氣干擾造成的廢氣倒灌將更加嚴重，有時會嚴重影響柴油機在中低轉速的性能；脈沖排氣系統（一般都帶轉換器）能有效利用排氣中的脈沖能量，有效克服廢氣倒灌，因此對于大氣門重疊角的柴油機，改善其中低轉速性能有明顯的效果。實踐證明，在排氣系統匹配中，凡是將排氣系統的特點與柴油機特點良好結合的，均能取得良好的匹配效果和綜合較優的性能指標，否則將不會得到好的性能指標。

2 設計輸入

南通柴油機股份有限公司針對船用開發的直列六缸增壓中冷柴油機，為四氣門、直噴式、廢氣渦輪增壓、水空中冷柴油機。具體參數見表1：

表1

3 進氣結構分析與確定

進氣管設計的關鍵參數主要有三個，分別是入口當量直徑?in、容積V、出口當量直徑?out。?in表征了進氣能力的大小；V的大小主要由發動機的總體布置來決定，過大或過小都會造成各缸進氣的不均勻；?out主要是由缸蓋進氣道的尺寸來決定。

綜合以上對進氣系統的分析，確定進氣系統主要結構參數為：入口型式與中冷器出口相匹配，進氣管長度要考慮總體布置的需求，容積18L左右，出口型式與進氣道相匹配。進氣管兩端上部適當圓角過渡可降低湍動耗散，改善腔體內部流動狀況。

4 排氣結構分析與確定

4.1 脈沖（變壓）系統

其特點是在排氣管中造成盡可能大的壓力波動。為此，把渦輪增壓器盡量靠近氣缸，把排氣管做得短而細，并且將排氣管制成分歧型式，即幾個氣缸（通常是2缸或3缸）連一根排氣管。這樣，在每一根排氣管中就形成幾個連續又互不干擾的排氣脈沖波（或稱排氣壓力波）并進入渦輪中。為避免干擾，在理論上最好是向同一根排氣管排氣的兩個氣缸，其排氣間隔角應等于或稍大于排氣持續角，即在前一缸的排氣門關閉后，下一缸再向此管排氣。對于比較理想的六缸機來講，可將排氣管分成兩組，分別與1、2、3缸和4、5、6缸相連，排氣管內排氣壓力波既連續又互不干擾。

這種3個氣缸連接一根排氣管的方案通常稱之為三脈沖方案，這種方案可用于氣缸數目是3的倍數的發動機上，它在脈沖系統中性能最好。

當氣缸數目不是3的倍數時，如四缸機、八缸機等可采用對稱的雙脈沖系統，即每根排氣管連接兩個氣缸，同一支管中相鄰氣缸的發火間隔角為360°。由于排氣間隔角大于排氣持續角，出現了渦輪間斷進氣的現象，這將導致渦輪效率的降低，即能量損失增大，壓氣機壓比越高損失越大，且渦輪葉片承受脈沖氣流的沖擊也越大。因此當壓比超過2.5時就不宜采用雙脈沖系統。

根據設計經驗，對高、中速四沖程脈沖增壓柴油機排氣管尺寸的統計表明：排氣管直徑和氣缸直徑D之比=0.33～0.40（多數在0.38附近），排氣管容積與氣缸排量之比：≤2。

4.2 MPC（組合脈沖轉換）系統

單排6缸柴油機采用MPC排氣系統，因為其發火間隔是120℃A。當某一缸掃氣時，下一發火缸的排氣在該掃氣缸進氣閥打開前約60℃A前已經開始，因此排氣支管內的壓力在臨近進氣閥開時已接近峰值，在掃氣后期排氣壓力已經下降，而再下一發火缸排氣壓力波峰的形成已經過了掃氣階段。并且，這種掃氣干擾隨著轉速的降低將逐漸減小。因此，在單排6缸柴油機上采用MPC排氣系統，其掃氣系數將隨轉速的降低而增大，這對改善低工況性能是有利的。

4.3 兩種系統的比較

MPC排氣系統與雙脈沖排氣系統相比，其低工況性能還是比較差的，其原因是在相同的條件下，MPC排氣系統的掃氣系數較低，泵氣損失較大，而且雙脈沖排氣系統中排氣脈沖能量的利用也較好，增壓壓力較高，油耗較好。脈沖排氣系統（一般都帶轉換器）能有效利用排氣中的脈沖能量，有效克服廢氣倒灌，因此對于大氣門重疊角的柴油機，改善其中低轉速性能有明顯的效果。實踐證明，在排氣系統匹配中，若能將排氣系統的特點與柴油機特點很好地結合，便能取得理想的匹配效果和優良性能指標。

4.4 排氣系統的優化參數

內燃機排氣系統設計的優劣關系到廢氣能量的利用和泵氣功的大小，進而決定增壓的效果，對廢氣渦輪增壓發動機的性能有至關重要的影響。

排氣系統設計的基本要求有：阻力盡可能小，結構可靠，布置緊湊，密封性能好。要使阻力小，則必須使排氣管各部分具有平滑均勻的輪廓，應盡量避免氣體的流動方向和排氣系統截面面積的突然變化。一般排氣管選用鑄鋁管或鑄鐵管，能夠滿足可靠性要求，在自膨脹后可以很好的密封。

對排氣管來說有四個決定參數：排氣管的長度L、直管直徑d、喉口收縮率α、斜管傾角A。下面分析確定它們的主要原則和它們對排氣系統及整機性能的影響。

管長L：它是由總體布置決定的。MPC排氣系統克服了在脈沖轉換系統存在的壓力波的反射影響，所以決定因素就只剩下總體布置。在脈沖轉換系統中，要考慮反射波對排氣的影響，盡量做到不干涉，即間隔角度大于240°曲軸轉角或者波的疊加，增強波的振幅，從而使排氣節流損失減小。

管徑d：管徑d小，則排氣系統總體積小，壓力容易建立，節流損失小，排氣能量傳遞效率高。但是d小會導致泵氣損失大，有可能導致燃油消耗率升高。所以d的選擇需要與喉口收縮率α相匹配，可通過整機性能計算及各個系統匹配而給出合理的值。

喉口收縮率α：喉口收縮率大則速度提升不明顯，引射作用也不明顯；喉口收縮率小，則速度高，引射作用強，但會增加泵氣功和氣體內能損失。一般取0.45～0.9。

斜管傾角A：斜管傾角A對排氣管的阻力有影響，通過計算可以知道阻力的變化較小，通過直觀地分析可以看出它對流動的影響非常大，尤其是對廢氣倒灌。

在這里可以進行分析和優化的主要是管徑。

進行系列計算，比較不同排氣管直徑對平均有效壓力，有效燃油消耗率，渦后排氣溫度，爆發壓力，有效功率的影響。

4.5 排氣系統選型參數

南通6138柴油機是針對船用開發的直列六缸增壓中冷柴油機，綜合以上不同排氣系統對比，確定選用三脈沖排氣系統，主要結構選型參數為：排氣管直徑48mm，斜管傾角A=45°，排氣管容積4.88L，管長可由總體布置決定，排氣管入口直徑與排氣道相匹配。

5 結語

通過實際裝機試驗，上述對進氣系統和排氣系統的分析和研究與實際情況基本吻合，在實際應用中得到了驗證，該款柴油機的各項性能指標均達到設計要求。

參考文獻

[1] 劉楊.增壓柴油機進排氣系統優化匹配的仿真研究[D].北京交通大學，2009.

[2] 王仁澤.柴油機進排氣系統典型故障的實驗研究與診斷[D].大連海事大學，2014.

[3] 崔洪江.YC6T柴油機進排氣系統性能仿真及優化研究[D].大連海事大學，2011.

作者簡介：陳正林（1979-），男，江蘇南通人，南通柴油機股份有限公司6455柴油機事業部工程師，研究方向：新產品開發。

（責任編輯：陳 潔）