废气涡轮增压与发动机匹配的理论计算研究

废气涡轮增压与发动机匹配的理论计算研究

王应红,郑国璋

(太原理工大学,山西太原030024)

摘要:根据废气涡轮增压的工作原理、结构特性,对增压器和发动机的空气流量和其他方面的匹配进行了计算和理论分析,提出了发动机选配增压器的基本过程和注意事项,以及重新为指定发动机设计增压器的基本步骤。关键词:废气涡轮增压;发动机;匹配

中图分类号:TK 411.8 文献标识码:A 文章编号:1000-6494(2004)01-0001-03

Study on Theoretical C alculation of Matching of Turbocharger and E ngine

W ANG Y ing -hong ,ZHE NG G uo -zhang

(T aiyuan University of T echnology ,T aiyuan 030024,China )

Abstract :Based on operating principle of turbocharger ,structural features ,air flow characteristic and other aspects of turbocharger and engine are calculated and analyzed theoretically.The current process was raised for the matching of turbocharger and engine.Accordingly the basic procedure was redesigned for the designated engine.K ey w ords :turbocharger ;engine ;matching

作者简介:王应红(1974-),男,山西吕梁人,硕士,主要研究方向:汽油机增压技术。

收稿日期:2003-09-12

0　前言

采用增压技术是提高车用发动机动力性能、顺态性能以及排放性能的有效方式。常规的车用发动机增压方法有机械增压、废气涡轮增压和气波增压。涡轮增压时,发动机与增压器之间仅存在气动关系,不象机械增压时二者有固定的速比,且发动机是一种往复式机械,而涡轮增压器则是叶片机械,二者的特性存在本质的差异,故匹配比较复杂。总的来说,发动机与增压器的匹配有三个方面,即发动机与压气机的匹配、发动机与涡轮的匹配和压气机与涡轮的匹配。这里我们只对前两项进行研究,对涡轮增压器的性能提出要求,具体增压器的设计以及压气机与涡轮的匹配由增压器公司来定。

下面通过一台具体机型来说明发动机与增压器选配方法和步骤。

1　增压参数的选定

为了保证发动机与增压器的良好匹配,达到预定的增压发动机各项性能指标,首先要确定增压参数,它是设计或选择增压器的依据。1.1　增压后发动机所需空气流量G c (即压气机流量)

G c =

N e g e αηs

3600

L 0

式中,G c 为发动机所需的空气流量,kg/s ;N e 为

发动机功率,kW ;α为过量空气系数;ηs 为扫气系数;g e 为发动机的燃油消耗率,g/(kW ・h )。为了满足最大功率和最大扭矩的要求,应在发动机的外特性工况下计算。1.2　压气机的压比

πc =(ρc ρ0

)1-1

0.286

ηn ;实际测量中常用πc =p c +p 0p 0-p cl 式中,ρc 为压气机出口的空气密度;ρ0为发动机所需的中冷后增压空气的密度;ηn 为压气机多变效率;p 0为环境压力;p c 为压气机出口压力;p cl 为压气机进口压力。1.3　压气机效率

ηc

=(273+t cl )(π0.286

c

-1)t c -t cl

t cl 为压气机进口温度,℃;t c 为压气机出口温

度,℃。

2　发动机与压气机的匹配

a.压气机不但要达到预定的压比,而且要具有

较高的效率。压气机效率越高,在同一增压压力时空气温度越低,所得到的增压空气密度就越高,增压效果也就越好。

b.经过实验测得压气机特性曲线和发动机在各

第1期2004年2月内燃机

Internal C ombustion Engines N o.1Feb.2004

转速下的耗气特性曲线。如果发动机的特性线穿过压气机的高效率区,发动机的运行线与压气机的高效率圈平行,这时匹配最好,见图1。如果发动机的运行线位于压气机特性线右侧,见图2,表明所选的压气机流量偏小,使联合工作时压气机处于低效率区,要选较大型号的增压器或加大压气机流通部分尺寸;相反,发动机运行线整个偏于压气机特性左侧,见图3,发动机低转速时压气机效率降低,同时可能出现喘振,这时需要选较小型号的增压器或减小压气机流通部分尺寸。

c.发动机的耗气特性线应离开压气机喘振线一定距离,否则再联合工作时可能出现喘振

。

图1　

发动机耗气特性与压气机特性的配合

质量流量/(kg ・s -1)　G c

T 1T 0/p 1

p 0

图2　发动机与压气机匹配不合适的特性图

(压气机流量偏小)

d.根据WR36D 柴油机的要求我们匹配了J130A

增压器;

在如下条件下我们做了压气机性能实验:润滑油进口油压为0.2～0.4MPa ;润滑油进口油温为45～75℃;润滑油出口油温不大于120℃;涡轮前进口温度不大于650℃。

测得J130A 增压器的压气机特性曲线如图4所示。由图可见,压气机具有较大的高效率圈,最高效率为82%以上;流量范围宽广,而且喘振线及流量范

围适当左移,偏向小流量方向,增加了配机喘振裕度。

质量流量/(kg ・s -1)　G c

T 1T 0/p 1

p 0

图3

　发动机与压气机匹配不合适的特性图

(压气机流量偏大)

图4　J130A 前倾后弯压气机性能曲线

　・2　・内燃机2004年2月