發(fā)動機(jī)排氣管道的壓力波分析

譚世威 李光 李敏

摘要：發(fā)動機(jī)每次動力行程結(jié)束前，打開排氣閥，由活塞運(yùn)動將缸內(nèi)的廢氣從排氣系統(tǒng)中排出，缸內(nèi)排氣閥門是斷斷續(xù)續(xù)的開和閉，會使廢氣一段一段的排出，最終在管內(nèi)形成壓縮波脈沖進(jìn)行流動。在管內(nèi)的脈沖使得氣體的壓力變大，導(dǎo)致壓力波一個接一個地傳遞出去，形成壓力能，將其轉(zhuǎn)化為管內(nèi)廢氣的能量。

關(guān)鍵詞：壓力波;發(fā)動機(jī);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(nèi)的廢氣。會形成膨脹波，將管內(nèi)的壓力變低。但是管內(nèi)壓力波的脈沖傳遞速度要比廢氣的流動速度快很多。當(dāng)再一次進(jìn)氣時，前一次的排氣也表示結(jié)束，活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)。研究一個缸進(jìn)行進(jìn)氣時，它干擾相鄰氣缸排氣沖程即將結(jié)束并進(jìn)入進(jìn)氣階段。導(dǎo)致這一個氣缸內(nèi)工質(zhì)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(fā)生正要進(jìn)行排氣時，缸內(nèi)的高壓氣體會流向相鄰的排氣歧管，會導(dǎo)致改排氣歧管內(nèi)的廢氣壓力低，形成回流。

根據(jù)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(nèi)產(chǎn)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(biāo)定的大氣環(huán)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(nèi)傳播會產(chǎn)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(jīng)過C1在1-1截面的壓縮波有管壁的阻擋，當(dāng)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(nèi)，在這段區(qū)間壓力很小又稱為稀薄區(qū)R，該處沿著管道反向傳播，因此，壓力波轉(zhuǎn)換為負(fù)壓力波的形式傳遞。當(dāng)壓力稀薄區(qū)R到達(dá)管道結(jié)尾時，會有各個方向的廢氣涌進(jìn)該區(qū)域[9]。所以在相對廢氣密度較低的地方會轉(zhuǎn)變?yōu)閺暮笙蚯暗姆瓷洳?，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(nèi)反射。這一個接著一個的過程一直延續(xù)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(nèi)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(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓效應(yīng)。這就要求管道長度和設(shè)計合理性進(jìn)行控制壓力波的時間，在進(jìn)排氣門重疊時，反射壓力波的振動的振幅達(dá)到最值。

3、結(jié)論：

排氣系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)都有各自的工作機(jī)構(gòu)，然而兩者相互配合使得發(fā)動機(jī)的功率發(fā)揮得更優(yōu)，性能更強(qiáng)，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(fā)動機(jī)的輸出功率。這一現(xiàn)象的直接原因是排氣阻力的增大。因為是從缸內(nèi)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(dǎo)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(qiáng)度要求。排氣歧管的排列方式和整體設(shè)計也是必不可少的，其設(shè)計理念是流體的動力學(xué)和壓力波的相關(guān)理論。二者相互結(jié)合設(shè)計出巧妙的排氣歧管，不僅提高了發(fā)動機(jī)的性能，而且還停留在進(jìn)氣和排氣重疊階段的殘留廢氣也一并清理。

參考文獻(xiàn)：

[1]范曉梅，徐勇，楊群立，等.發(fā)動機(jī)排氣壓力波性能仿真分析[D].桂林電子科技大學(xué)， 2010.

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

（譚世威1998.06，山東交通學(xué)院本科學(xué)生，指導(dǎo)老師：李光、李敏）