发动机排气管道的压力波分析

谭世威 李光 李敏

摘要：发动机每次动力行程结束前，打开排气阀，由活塞运动将缸内的废气从排气系统中排出，缸内排气阀门是断断续续的开和闭，会使废气一段一段的排出，最终在管内形成压缩波脉冲进行流动。在管内的脉冲使得气体的压力变大，导致压力波一个接一个地传递出去，形成压力能，将其转化为管内废气的能量。

关键词：压力波;发动机;排气管道

1、排气压力波的形成过程

气缸在不停的工作，温度极高的废气使排气管很快膨胀，这样一来就会有新的气体代替了原来的管内的废气。会形成膨胀波，将管内的压力变低。但是管内压力波的脉冲传递速度要比废气的流动速度快很多。当再一次进气时，前一次的排气也表示结束，活塞运行到上止点。研究一个缸进行进气时，它干扰相邻气缸排气冲程即将结束并进入进气阶段。导致这一个气缸内工质的压力不是很高，并且排气歧管多余的废气压力也不是很高。这就会发生正要进行排气时，缸内的高压气体会流向相邻的排气歧管，会导致改排气歧管内的废气压力低，形成回流。

根据公式可以看出，压力波与废气的温度不是成反比。排出废气在管道内产生的压力波速度可以这样计算，给出了空气的平均温度和流动速度是在标定的大气环境就可以大致计算。

2、尾管处的反射压力波的形成过程

废气在管道内传播会产生压力波，压力波会一直存在管道中，压力波传递到排气尾管则变成了反射压力波。如图1所示，经过C1在1-1截面的压缩波有管壁的阻挡，当传播到开口端后，可以向各个方向传递。因为压缩波传递到C2口时压力降级且无约束，所以废气传播到到尾口端的废气层的振幅没有受到制约。如果压缩波在管道的另一边时，1-1截面处有的废气层将受到前面压缩波的影响，所以，处于2-2截面处的废气层振动振幅很高，由于惯性的作用，废气传到2-3截面的管道内，在这段区间压力很小又称为稀薄区R，该处沿着管道反向传播，因此，压力波转换为负压力波的形式传递。当压力稀薄区R到达管道结尾时，会有各个方向的废气涌进该区域[9]。所以在相对废气密度较低的地方会转变为从后向前的反射波，称为反射压力波，该反射波以脉冲的形式传递到前排气管。同时使用一个与其相反的压力波传播到排气管开始的位置，最后这些压力波向管内反射。这一个接着一个的过程一直延续到下一个排气过程的开始，最基本的条件是有足够的时间，正因为存在反射，压力波在传播过程中，其振动的振幅在不断的减小[2]。

为了使气缸内的废气充分排出以及充入新鲜的混合气体，主要由反射压力波在排气管内产生的负压效应。这就要求管道长度和设计合理性进行控制压力波的时间，在进排气门重叠时，反射压力波的振动的振幅达到最值。

3、结论：

排气系统和发动机都有各自的工作机构，然而兩者相互配合使得发动机的功率发挥得更优，性能更强，因此二者紧密相。排气歧管是直接与气缸体相连接的，并将各缸做功完成后的废气集中在一个管道汇入总管，其主要功能是减少排气阻力，目的是制止各缸在排气时的相互影响。缺少这样的部件会降低发动机的输出功率。这一现象的直接原因是排气阻力的增大。因为是从缸内燃烧后排出没有用的气体，温度不会低，所以排气歧管的材料不仅拥有良好的导热性，而且还要良好的铸造性能。因此，排气歧管采用铸铁制造具有良好的散热性和强度要求。排气歧管的排列方式和整体设计也是必不可少的，其设计理念是流体的动力学和压力波的相关理论。二者相互结合设计出巧妙的排气歧管，不仅提高了发动机的性能，而且还停留在进气和排气重叠阶段的残留废气也一并清理。

参考文献：

[1]范晓梅，徐勇，杨群立，等.发动机排气压力波性能仿真分析[D].桂林电子科技大学， 2010.

[2]刘延波，褚超美，凌建群.增压柴油机排气管压力波脉动特性的试验研究[J]. 内燃机工程， 2014， 35（1）： 212-124.

（谭世威1998.06，山东交通学院本科学生，指导老师：李光、李敏）