发动机与涡轮增压器的匹配

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发动机与涡轮增压器匹配
---试验法( ---试验法(6) 试验法
如果发动机的外特性线处于压气机 特性线图中偏低的位置，则可用改 变涡轮喷嘴环的最小截面积的方法 来改善两者的配合。当截面积变小 时，发动机的排气压力增高，可驱 使涡轮更快带动压气机运转。这就 使得压气机的压比增加，从而增加 了进气密度、流量。 还应注意：若涡轮的最小截面积原 来就较小，再进一步减小其最小截 面积，即使涡轮的效率基本不变， 仍会由于发动机的排气阻力有明显 的增加，使得压气机的匹配流量减 少。
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增压中冷
---( ---(4) 对于车用发动机来说， 一般采用空-空中冷器， 这种系统结构简单可靠， 冷却介质温度较低，流 量大，冷却效果很好。 左图为空空中冷器的结 构。 在有些系统中不便于利 用空-空中冷的，也有 利用水作为冷却介质的。 如船用发动机。
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增压中冷
---( ---(5)
中冷系统的性能主要取决于中冷器的效率和压降。 中冷器的效率是指增压空气通过中冷器后所降低的 温度与理论上最大可能降低的温度之比。 t Ai − t A0 ηA = t Ai − tci tAi，中冷器进口空气温度 tAo，中冷器出口空气温度 tci，冷却介质进口温度 一般中冷器的效率可达0.75-0.85。 中冷器的压降表示增压空气通过中冷器后的压力损 失，空空中冷器的最大压降在5KPa-8KPa之间，水空 中冷器的压降一般要求在5KPa以内。
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源自文库油机与涡轮增压器的流量特性
---( ---(5)
就一般情况而言，压气机喘振线与发动机运行线最近 点的间隔余量最少应为10%。对气缸数较少的发动机， 某些时刻要求此间隔余量为20%。
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柴油机与涡轮增压器的流量特性
---( ---(6)
涡轮增压器的涡轮能有效地在比压气机宽得多的质量 流量范围下运行。所以一般不将发动机的耗气特性绘 在涡轮流量特性上。 还有另外一个问题就是，如果涡轮运行在气流极不稳 定的脉冲系统中，那么把发动机气流的“平均”流量 绘制在涡轮特性曲线图上将不能反映真实的情况，会 使人产生很大的误解。而要精确的测定发动机在涡轮 特性曲线图上的运行区域，就要求在发动机运行条件 下的整个范围内绘制废气流量和膨胀比的瞬时值曲线， 而要想精确的测量这些瞬时数据是非常困难的。
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增压中冷
---( ---(3) 可降低发动机的燃油消耗率。增压中冷后， 一方面由于进气量充足，燃烧过程更为完善， 另一方面由于中冷后发动机的平均循环温度 有所下降，相对散热损失减少，同时发动机 的相对机械损失也会减少，因此发动机的燃 油消耗率有所降低。 可降低发动机排气中有害成分的排放量。由 于中冷降低了最高燃烧温度，所以可使NOX排 放显著降低。对于达到欧洲二号排放标准的 柴油机，一般都采用增压中冷。
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引言
---柴油机与增压器的匹配特点( ---柴油机与增压器的匹配特点(3) 柴油机与增压器的匹配特点
涡轮增压器基本尺寸的大小由发动机要求的进气量决 定。进气量又是各种参数，如气缸排量、转速、进气 管中的空气密度，容积效率以及扫气流量等的函数。 在不考虑扫气的情况下，四冲程发动机的进气流量的 计算公式如下所示。 n m = ρ mVhη v 2 从上述公式可以清楚地看出，通过增压或者增压中冷， 增加发动机的进气密度是增加发动机进气量的有效办 法。
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发动机与涡轮增压器匹配
---试验法( ---试验法(7) 试验法
修改涡轮喷嘴环最小截面积 后，涡轮特性线也会有相应 变化。图中虚线表示减小无 叶喷嘴的涡壳流通截面后， 所得到的涡轮特性曲线。 在同样膨胀比下，小截面的 折合转速要高很多，而折合 流量要小很多。
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发动机与涡轮增压器匹配
---试验法( ---试验法(8) 试验法
任何废气涡轮增压器，都可以在原设计型号的基础上 进行修改，发展成为具有不同适用范围的变型。将不 同变型的压气机与不同变型的涡轮组合起来，可成为 在一种基型废气涡轮增压器的基础上得到的一系列变 型。 应该特别指出：无论修改压气机任何部位的尺寸，都 只能改变压气机本身的特性曲线形状，对涡轮的特性 曲线毫无影响；反之亦然。压气机或者涡轮特性曲线 形状的改变，彼此都会影响它们与发动机共同工作时 的匹配区域。
而涡轮机械的只有在设计流量时，气流角度才能与 涡轮机械各部分叶片结构角度相适应。如果流量偏 离设计点，就会出现由于气流的分离所造成的倾角 损失。这些损失将随着倾角偏差的增大而增长，因 此，涡轮机械不可能充分适应柴油机宽流量范围运 行的要求。但是另一方面，涡轮机械的设计参考点 效率较高，小的结构尺寸下却可通过较高质量比流 量的流体，所以把它们用作增压器。
随着发动机转速的增加，空气流速随着增加，而涡轮 增压器的涡轮有效流通面积几乎保持不变，所以涡轮 的进气压力将上升，涡轮功增加，增压器转速增加， 压气机的出口压力也随着增加了。这样一来，发动机 的等负荷线将不处于压气机特性曲线图中的水平位置， 而是随着发动机转速的提高而向上倾斜。
类似的道理等转速线向右倾斜。
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引言
---柴油机与增压器的匹配特点(1) ---柴油机与增压器的匹配特点(1) 柴油机与增压器的匹配特点
特性曲线形状完全不同的涡轮机械和往复式机械联 合起来运行，必须要进行非常周密细致的工作。
对于几何参数不可变的增压器来说，涡轮增压器仅 和发动机在运行范围内的某个特定参考点有最优匹 配。如果发动机要求在很宽的转速和负荷范围内运 行，在匹配涡轮增压器时，就要选择一种折衷的方 案，该方案应能使发动机在最重要的点达到最优匹 配，在其它点达到比较合适的匹配。
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发动机与涡轮增压器匹配
---试验法( ---试验法(4) 试验法 匹配实例 发动机与压气机匹配 不合适。
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发动机与涡轮增压器匹配
---试验法( ---试验法(5) 试验法 如左所示的2、3两种叶 轮都是在叶轮1的基础上 修改得到的，匹配的是 同一种无叶扩压器和集 气器。
฀ 1 2 3 叶轮进口直径 43 39 35 叶轮出口宽度 4.3 3.6 3.0 单位：mm
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增压中冷
---( ---(2) 增压发动机采用中冷后，有如下优点： 进气密度进一步提高，可使发动机达到比较 高的平均有效压力。 可降低发动机的热负荷。这是因为增压空气 经中冷温度降低后，可使发动机的最高燃烧 温度和排气温度下降。试验数据表明，发动 机的进气温度每下降10℃，排气温度可下降 20-30℃，从而改善了发动机受热零件的工作 条件。
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柴油机与涡轮增压器匹配
---基本算法( ---基本算法(2) 基本算法
在废气流量、涡轮前废气压力和涡轮前温度都确定后， 就可以估算出涡轮的通流面积。到此为止，也就完成了 整个增压器的估算过程。
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发动机与涡轮增压器匹配
---试验法(1) ---试验法(1) 试验法
将发动机的耗气特性与压 气机特性重合起来，方可 判断压气机是否经常在最 高效率区内运转。 重型车用发动机与压气机 匹配的要求是： 1)发动机最大扭矩点处在 压气机的最高效率区。 2)发动机的外特性处在压 气机效率较高的区域。 3)在发动机部分负荷工作 时，压气机的工作区域绝 大部分其绝热效率高于65%。
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发动机与涡轮增压器匹配
---试验法( ---试验法(2) 试验法
有时为达到特殊的 目的，也会对上述 原则进行调整。 左图所示为照顾低 速性能的匹配方法。
需要确定
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发动机与涡轮增压器匹配
---试验法( ---试验法(3) 试验法
一般很少将发动机耗气特 性画在涡轮特性上。 如果要叠画在一起，判断 的准则是：涡轮最高效率 区处于发动机的低速工作 区；涡轮特性线在等膨胀 比下比较平坦；自循环工 作线贯穿涡轮的高效率区； 发动机整个运转区域，都 在涡轮无因次转速1.0以 下。
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柴油机与涡轮增压器的流量特性
---( ---(7)
涡轮的喷嘴环或涡壳控制 着涡轮的有效流通面积。 因此，涡轮的有效流通面 积的改变是可以通过调整 上述的元件来实现的。
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柴油机与涡轮增压器的流量特性
---( ---(8)
如果减小涡轮的流通面积，那么压气机的出口压力和质 量比流量将增大，由于充气温度也跟着上升，所以增压 压力上升的比例较空气质量比流量上升比例要大。
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柴油机与涡轮增压器的流量特性
---( ---(3)
如果要了解发动机在整个转速和负荷范围内运行的 情况，那么可将发动机运行范围的等速和等负荷线 绘制在压气机特性曲线中。发动机的整个特性曲线 必须处在压气机的喘振边界、低效率边界和增压器 的超速边界之间。
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柴油机与涡轮增压器的流量特性
---( ---(4)
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增压中冷
---(1) ---(1) 采用中冷技术是进一步提高增压发动机功率， 改善发动机性能的一种有效措施。当发动机 的增压压比较高时，压气机出口温度增加， 这一方面导致发动机进气密度下降，影响了 发动机功率的进一步提高，另一方面将导致 排气温度升高，热负荷增加，同时会导致NOx 排放增加。 解决这一问题的最有效办法是在压气机出口 设置一个中冷器，将压气机出口的气体冷却， 冷却后的气体再进入发动机气缸。
当然，如果涡轮流通面积本来就比较小，那么继续减小 流通面积会造成堵塞，会使空气流量反而下降。
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柴油机与涡轮增压器匹配
---基本算法( ---基本算法(1) 基本算法
目的：估计增压器的空气流量和增压压力等参数，初选 涡轮增压器，为试验选型做好准备。 步骤： 从考虑柴油机的燃烧和热负荷出发，定下涡轮前的废气 温度TT，根据能量平衡式，即输入的能量和输出的能量 相等，列出进气量和排气温度的关系。根据TT定出空气 流量Gs。 在进气流量确定后，根据充气系数、扫气系数、发动机 转速及气缸容积确定增压压力的大小Ps。 进气流量和增压压力确定后，根据涡轮增压器的功率平 衡，可以确定涡轮前压力Pt。
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引言
---柴油机与增压器的匹配特点( ---柴油机与增压器的匹配特点(2) 柴油机与增压器的匹配特点
为了改善匹配性能，除优化增压器的设计参数外， 还要改变发动机的设计。这类改变包括燃油喷射系 统的调整、气门流通面积及配气正时的改变等。
一般而言，转速范围窄且增压程度低的柴油机与废 气涡轮增压器匹配良好相对容易些，但是对于高转 速发动机和增压程度较高的发动机，匹配问题就比 较复杂。有时为获得良好的匹配，不得不采用较为 复杂的结构如旁通放气阀、可变喷嘴涡轮等。
压气机的喘振边界与发动机运行线最接近点间的间隔 余量的确定必须充分考虑下面三个因素： 1)虽然平均流量的位置并不接触特定的喘振线，但由 于进气系统中的脉动，很可能诱发喘振。 2)如果空气滤清器在使用中严重阻塞，流入发动机的 空气流量将减少，混合气变浓，涡轮前温度升高，所 以增压压力不可能下降，因此，发动机运行线就会向 喘振线方向少许移动。 3)如果发动机在高原运行，由于高原运行时，压气机 压比代偿性上升，其运行线将向喘振线方向作较多的 移动。
涡轮增压技术
第六章
发动机与涡轮增压器的匹配
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发动机与涡轮增压器的匹配
฀ ฀ ฀ ฀ 引言 柴油机与涡轮增压器的流量特性 发动机与涡轮增压器匹配的基本算法 发动机与涡轮增压器匹配的试验法 增压中冷 增压器的调节
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引言
---柴油机与增压器的流动特点 ---柴油机与增压器的流动特点
由于往复式机械的空气质量流量的范围很宽，故非 增压柴油发动机有效速度范围也是很宽的。
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增压器的调节
---目的 ---目的
采用涡轮增压器调节的目的在于既保证发动机在低 速时有较高的增压压力pc，从而有较高的扭矩，又能 保证发动机在额定点附近pc不致过高，以避免发动机 过高的机械负荷和涡轮增压器的超速。通过涡轮增 压器的调节可改善增压器与发动机的匹配，从而达 到改善车用增压发动机扭矩特性的目的。可调增压 器与电子控制技术相结合，可实现全工况范围内发 动机与增压器的最佳匹配，从而达到发动机性能的 全面优化。
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柴油机与涡轮增压器的流量特性
---( ---(1)
如果发动机在定转速下运 行并平稳地增加负荷，那 么，空气质量流量将近似 地随着充气密度的增加而 增加。进入发动机的气流 特性曲线可以与涡轮增压 器的压气机特性曲线叠绘 在一起，曲线的斜率取决 于气流密度。
7
柴油机与涡轮增压器的流量特性
---( ---(2)