柴油机进、排气系统分析

陈正林　龚卫国　赵祖玲

摘要：南通柴油机股份有限公司针对船用开发的直列六缸增压中冷柴油机，为四气门、直喷式、废气涡轮增压、水空中冷柴油机。柴油机进、排气系统的优劣对柴油机性能有着至关重要的影响，因此对进、排气系统进行分析很有必要。文章基于此，对柴油机进、排气系统进行了分析。

关键词：柴油机；进气系统；排气系统；脉冲（变压）系统；MPC（组合脉冲转换）系统 文献标识码：A

中图分类号：TK421 文章编号：1009-2374（2016）01-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.029

1 概述

进气管的设计目的是消除各缸之间的进气干涉、排气干扰，提高充气效率。在设计进气歧管时要充分利用进气管的波动效应和惯性效应，提高进气终了时的进气压力，提高充气效率。设计出最佳的管长和管径，就能在发动机一定的转速范围内增加充气量，提高功率，改善扭矩特性，降低油耗率和烟度。

南通柴油机股份有限公司目前研制的柴油机主要采用两种排气系统：一种是MPC排气系统；另一种是脉冲转换排气系统。从总的情况来看，MPC排气系统结构简单，便于总体布置，能综合定压和脉冲两种排气系统的优点，涡轮效率高，一般采用该系统能获得较好的标定工况性能，其缺点是对于大气门重叠角的柴油机，排气干扰严重，特别是对于中低转速工况，排气干扰造成的废气倒灌将更加严重，有时会严重影响柴油机在中低转速的性能；脉冲排气系统（一般都带转换器）能有效利用排气中的脉冲能量，有效克服废气倒灌，因此对于大气门重叠角的柴油机，改善其中低转速性能有明显的效果。实践证明，在排气系统匹配中，凡是将排气系统的特点与柴油机特点良好结合的，均能取得良好的匹配效果和综合较优的性能指标，否则将不会得到好的性能指标。

2 设计输入

南通柴油机股份有限公司针对船用开发的直列六缸增压中冷柴油机，为四气门、直喷式、废气涡轮增压、水空中冷柴油机。具体参数见表1：

表1

3 进气结构分析与确定

进气管设计的关键参数主要有三个，分别是入口当量直径?in、容积V、出口当量直径?out。?in表征了进气能力的大小；V的大小主要由发动机的总体布置来决定，过大或过小都会造成各缸进气的不均匀；?out主要是由缸盖进气道的尺寸来决定。

综合以上对进气系统的分析，确定进气系统主要结构参数为：入口型式与中冷器出口相匹配，进气管长度要考虑总体布置的需求，容积18L左右，出口型式与进气道相匹配。进气管两端上部适当圆角过渡可降低湍动耗散，改善腔体内部流动状况。

4 排气结构分析与确定

4.1 脉冲（变压）系统

其特点是在排气管中造成尽可能大的压力波动。为此，把涡轮增压器尽量靠近气缸，把排气管做得短而细，并且将排气管制成分歧型式，即几个气缸（通常是2缸或3缸）连一根排气管。这样，在每一根排气管中就形成几个连续又互不干扰的排气脉冲波（或称排气压力波）并进入涡轮中。为避免干扰，在理论上最好是向同一根排气管排气的两个气缸，其排气间隔角应等于或稍大于排气持续角，即在前一缸的排气门关闭后，下一缸再向此管排气。对于比较理想的六缸机来讲，可将排气管分成两组，分别与1、2、3缸和4、5、6缸相连，排气管内排气压力波既连续又互不干扰。

这种3个气缸连接一根排气管的方案通常称之为三脉冲方案，这种方案可用于气缸数目是3的倍数的发动机上，它在脉冲系统中性能最好。

当气缸数目不是3的倍数时，如四缸机、八缸机等可采用对称的双脉冲系统，即每根排气管连接两个气缸，同一支管中相邻气缸的发火间隔角为360°。由于排气间隔角大于排气持续角，出现了涡轮间断进气的现象，这将导致涡轮效率的降低，即能量损失增大，压气机压比越高损失越大，且涡轮叶片承受脉冲气流的冲击也越大。因此当压比超过2.5时就不宜采用双脉冲系统。

根据设计经验，对高、中速四冲程脉冲增压柴油机排气管尺寸的统计表明：排气管直径和气缸直径D之比=0.33～0.40（多数在0.38附近），排气管容积与气缸排量之比：≤2。

4.2 MPC（组合脉冲转换）系统

单排6缸柴油机采用MPC排气系统，因为其发火间隔是120℃A。当某一缸扫气时，下一发火缸的排气在该扫气缸进气阀打开前约60℃A前已经开始，因此排气支管内的压力在临近进气阀开时已接近峰值，在扫气后期排气压力已经下降，而再下一发火缸排气压力波峰的形成已经过了扫气阶段。并且，这种扫气干扰随着转速的降低将逐渐减小。因此，在单排6缸柴油机上采用MPC排气系统，其扫气系数将随转速的降低而增大，这对改善低工况性能是有利的。

4.3 两种系统的比较

MPC排气系统与双脉冲排气系统相比，其低工况性能还是比较差的，其原因是在相同的条件下，MPC排气系统的扫气系数较低，泵气损失较大，而且双脉冲排气系统中排气脉冲能量的利用也较好，增压压力较高，油耗较好。脉冲排气系统（一般都带转换器）能有效利用排气中的脉冲能量，有效克服废气倒灌，因此对于大气门重叠角的柴油机，改善其中低转速性能有明显的效果。实践证明，在排气系统匹配中，若能将排气系统的特点与柴油机特点很好地结合，便能取得理想的匹配效果和优良性能指标。

4.4 排气系统的优化参数

内燃机排气系统设计的优劣关系到废气能量的利用和泵气功的大小，进而决定增压的效果，对废气涡轮增压发动机的性能有至关重要的影响。

排气系统设计的基本要求有：阻力尽可能小，结构可靠，布置紧凑，密封性能好。要使阻力小，则必须使排气管各部分具有平滑均匀的轮廓，应尽量避免气体的流动方向和排气系统截面面积的突然变化。一般排气管选用铸铝管或铸铁管，能够满足可靠性要求，在自膨胀后可以很好的密封。

对排气管来说有四个决定参数：排气管的长度L、直管直径d、喉口收缩率α、斜管倾角A。下面分析确定它们的主要原则和它们对排气系统及整机性能的影响。

管长L：它是由总体布置决定的。MPC排气系统克服了在脉冲转换系统存在的压力波的反射影响，所以决定因素就只剩下总体布置。在脉冲转换系统中，要考虑反射波对排气的影响，尽量做到不干涉，即间隔角度大于240°曲轴转角或者波的叠加，增强波的振幅，从而使排气节流损失减小。

管径d：管径d小，则排气系统总体积小，压力容易建立，节流损失小，排气能量传递效率高。但是d小会导致泵气损失大，有可能导致燃油消耗率升高。所以d的选择需要与喉口收缩率α相匹配，可通过整机性能计算及各个系统匹配而给出合理的值。

喉口收缩率α：喉口收缩率大则速度提升不明显，引射作用也不明显；喉口收缩率小，则速度高，引射作用强，但会增加泵气功和气体内能损失。一般取0.45～0.9。

斜管倾角A：斜管倾角A对排气管的阻力有影响，通过计算可以知道阻力的变化较小，通过直观地分析可以看出它对流动的影响非常大，尤其是对废气倒灌。

在这里可以进行分析和优化的主要是管径。

进行系列计算，比较不同排气管直径对平均有效压力，有效燃油消耗率，涡后排气温度，爆发压力，有效功率的影响。

4.5 排气系统选型参数

南通6138柴油机是针对船用开发的直列六缸增压中冷柴油机，综合以上不同排气系统对比，确定选用三脉冲排气系统，主要结构选型参数为：排气管直径48mm，斜管倾角A=45°，排气管容积4.88L，管长可由总体布置决定，排气管入口直径与排气道相匹配。

5 结语

通过实际装机试验，上述对进气系统和排气系统的分析和研究与实际情况基本吻合，在实际应用中得到了验证，该款柴油机的各项性能指标均达到设计要求。

参考文献

[1] 刘杨.增压柴油机进排气系统优化匹配的仿真研究[D].北京交通大学，2009.

[2] 王仁泽.柴油机进排气系统典型故障的实验研究与诊断[D].大连海事大学，2014.

[3] 崔洪江.YC6T柴油机进排气系统性能仿真及优化研究[D].大连海事大学，2011.

作者简介：陈正林（1979-），男，江苏南通人，南通柴油机股份有限公司6455柴油机事业部工程师，研究方向：新产品开发。

（责任编辑：陈 洁）