發動機排氣管道的壓力波分析

譚世威 李光 李敏

摘要：發動機每次動力行程結束前，打開排氣閥，由活塞運動將缸內的廢氣從排氣系統中排出，缸內排氣閥門是斷斷續續的開和閉，會使廢氣一段一段的排出，最終在管內形成壓縮波脈沖進行流動。在管內的脈沖使得氣體的壓力變大，導致壓力波一個接一個地傳遞出去，形成壓力能，將其轉化為管內廢氣的能量。

關鍵詞：壓力波;發動機;排氣管道

1、排氣壓力波的形成過程

氣缸在不停的工作，溫度極高的廢氣使排氣管很快膨脹，這樣一來就會有新的氣體代替了原來的管內的廢氣。會形成膨脹波，將管內的壓力變低。但是管內壓力波的脈沖傳遞速度要比廢氣的流動速度快很多。當再一次進氣時，前一次的排氣也表示結束，活塞運行到上止點。研究一個缸進行進氣時，它干擾相鄰氣缸排氣沖程即將結束并進入進氣階段。導致這一個氣缸內工質的壓力不是很高，并且排氣歧管多余的廢氣壓力也不是很高。這就會發生正要進行排氣時，缸內的高壓氣體會流向相鄰的排氣歧管，會導致改排氣歧管內的廢氣壓力低，形成回流。

根據公式可以看出，壓力波與廢氣的溫度不是成反比。排出廢氣在管道內產生的壓力波速度可以這樣計算，給出了空氣的平均溫度和流動速度是在標定的大氣環境就可以大致計算。

2、尾管處的反射壓力波的形成過程

廢氣在管道內傳播會產生壓力波，壓力波會一直存在管道中，壓力波傳遞到排氣尾管則變成了反射壓力波。如圖1所示，經過C1在1-1截面的壓縮波有管壁的阻擋，當傳播到開口端后，可以向各個方向傳遞。因為壓縮波傳遞到C2口時壓力降級且無約束，所以廢氣傳播到到尾口端的廢氣層的振幅沒有受到制約。如果壓縮波在管道的另一邊時，1-1截面處有的廢氣層將受到前面壓縮波的影響，所以，處于2-2截面處的廢氣層振動振幅很高，由于慣性的作用，廢氣傳到2-3截面的管道內，在這段區間壓力很小又稱為稀薄區R，該處沿著管道反向傳播，因此，壓力波轉換為負壓力波的形式傳遞。當壓力稀薄區R到達管道結尾時，會有各個方向的廢氣涌進該區域[9]。所以在相對廢氣密度較低的地方會轉變為從后向前的反射波，稱為反射壓力波，該反射波以脈沖的形式傳遞到前排氣管。同時使用一個與其相反的壓力波傳播到排氣管開始的位置，最后這些壓力波向管內反射。這一個接著一個的過程一直延續到下一個排氣過程的開始，最基本的條件是有足夠的時間，正因為存在反射，壓力波在傳播過程中，其振動的振幅在不斷的減小[2]。

為了使氣缸內的廢氣充分排出以及充入新鮮的混合氣體，主要由反射壓力波在排氣管內產生的負壓效應。這就要求管道長度和設計合理性進行控制壓力波的時間，在進排氣門重疊時，反射壓力波的振動的振幅達到最值。

3、結論：

排氣系統和發動機都有各自的工作機構，然而兩者相互配合使得發動機的功率發揮得更優，性能更強，因此二者緊密相。排氣歧管是直接與氣缸體相連接的，并將各缸做功完成后的廢氣集中在一個管道匯入總管，其主要功能是減少排氣阻力，目的是制止各缸在排氣時的相互影響。缺少這樣的部件會降低發動機的輸出功率。這一現象的直接原因是排氣阻力的增大。因為是從缸內燃燒后排出沒有用的氣體，溫度不會低，所以排氣歧管的材料不僅擁有良好的導熱性，而且還要良好的鑄造性能。因此，排氣歧管采用鑄鐵制造具有良好的散熱性和強度要求。排氣歧管的排列方式和整體設計也是必不可少的，其設計理念是流體的動力學和壓力波的相關理論。二者相互結合設計出巧妙的排氣歧管，不僅提高了發動機的性能，而且還停留在進氣和排氣重疊階段的殘留廢氣也一并清理。

參考文獻：

[1]范曉梅，徐勇，楊群立，等.發動機排氣壓力波性能仿真分析[D].桂林電子科技大學， 2010.

[2]劉延波，褚超美，凌建群.增壓柴油機排氣管壓力波脈動特性的試驗研究[J]. 內燃機工程， 2014， 35（1）： 212-124.

（譚世威1998.06，山東交通學院本科學生，指導老師：李光、李敏）