内燃机增压技术讲稿-8匹配剖析

第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
第二节 匹配设计计算
0、设计点的选择 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。
3、匹配的实质
• 在发动机的某一工况下，发动机必须获得所需的空气流
量
， m
n 2
mVh v
要求压气机出口达到一定的压力和
流量 合适的压气机特性，消耗一定量的功 涡
轮在这一流量下输出一定量的功率 涡轮功与膨胀
比有关 涡轮流量和膨胀比之间关系一定 要求
涡轮当量喷嘴面积合适
• 理想的匹配：在任何工况下都满足上述条件==须经 过认真计算设计和采取技术措施接近理想目标。
根据发动机的使用工况确定设计点，兼顾非设计点。 • 载重车用柴油机：一般选在低速大转矩工况，高速放气 • 乘用车：可选在常用工况，中低转速和负荷更常用
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
第二节 匹配设计计算
1、废气涡轮增压器自由平衡运转的三个基本条件
• 流量平衡：Mt=Mc，或 Mt=1.03Mc，考虑燃油
• 涡轮流量特性：涡轮转速取决于输入输出能量的平衡，输 出能量即压气机消耗的能量（与流量和压比有关），输入 能量即废气能量（与流量和进口状态有关，而进口状态又 和流量有关），流量确定后，输入能量的大小和涡轮流通 截面有关；
• 发动机、压气机和涡轮的流量基本上是相等的，
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
第一节 废气涡轮增压器与发动机匹配的目的与特点
1、目的
充分利用废气能量，在各种工况下高效供给发动机所需的 空气量。
2、特点
• 增压器与发动机之间只有气动连接和能量的交换，没有机 械连接；
• 发动机的工况与增压器的工况通过气动联系一一对应
• 增压器要高效满足发动机的供气量
u12
u22 ) / 2
(3)
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
综合上述3式可得：
Ateq K
( AnAw)2 (Aw w )2 An2
n
• 结论：
当量喷嘴面积与两个面积有关，系数K受很多因素的影响， 一般不能通过计算求得，而是要通过实验来确定。
目前通过CFD方法也可以计算预测得到K值。
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
涡轮的流量特性
M t Ateq t
2RTt
kt
((
2
1 ) kt
(
1
kt 1
) kt )
kt 1 t
t
（1）
• 转速平衡：nc=nt， 同轴自然满足 • 功率平衡：Nc=Nt
k 1
M cFra Baidu bibliotek1c pc [ c k
1 1]
cad
M T TT c pT
[1
1 (
T
kT 1
) kT
]Tad M
化简为： c
2RTt
kt
((
2
1 ) kt
( 1
kt 1
) kt )
可决定当量喷嘴截面积
kt 1 t
t
根据
Ateq K
( AnAw)2 (Aw w )2 An2
n
决定涡轮各部分的几何截面积
最后要通过试验最终确定匹配参数和几何尺寸。
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
4、压气机流量选择 • 发动机流量计算：
M f ge NeL0 / 3600
2
的关系，如图所示，互为增函数。
为了得到相应的压比，必须有相应的膨胀 1
2
3
4
比做保证，而膨胀比由涡轮流量特性来决
涡轮膨胀比
定。
流量特性是由涡轮的当量通流面积来决定
的，当量通流面积受0-0截面或喷嘴环截面
的影响。
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
2、涡轮当量喷嘴面积的计算
涡轮中的膨胀分为两个阶段：喷嘴环中和叶轮中 设：喷嘴环中的最小截面为An，叶轮中的最小截面为Aw，当量喷
(1
Mt Mc
k1
(1
(1
t
kt 1
) kt ))3.5
式中： k1 c pt / c pc
， (Tt / T1 )tad cad m
（2）
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
上式中，当：
4
Tt=877k，T1=29 3(Tkt /，T1)tadcadm=0.6时，
压 气
3
机
可以看到：涡轮膨胀比和压气机压比之间 压 比
a
c
1pol是多变效率，可估计为0.76，
1
)c分析： pol 小则 c 大，由于温度提高了。
) a
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
• 涡轮膨胀比
根据
c
(1
Mt Mc
k1
(1
(1
t
kt 1
) kt ))3.5
• 涡轮当量喷嘴面积
可求得涡轮膨胀比 t ，
根据 M t Ateq t
• 最大流量（额定功率点） 不超过阻塞线
• 最小流量（最大扭矩点） 不小于喘振线
嘴面积为Ateq 根据质量守恒定律有：
Mt An nCn Aw wW 2 Ateq wCad (1)
根据能量守恒定律有： 涡轮级的焓降等于喷嘴环和叶轮中两部分焓降之和，即：
Htad=Hn+Hw=Cad*Cad/2
喷嘴环中焓降
Hn (C
2 2
C 1
2)/2
(2)
叶轮中焓降
Hw
(w 2
2
w12
• 发动机耗气特性：进口密度、排量和转速影响进气量，同 一台发动机转速相同情况下，密度起主要作用，密度由压 气机决定；转速对耗气量的影响很大。
发动机耗气量表达式：
m
n 2
mVh v
第六章 涡轮增压器与发动机的匹配
• 压气机特性：压比主要受增压器转速的影响，流量主要受 发动机转速的影响，发动机相当于压气机出口的阀门，压 比高则流量大，压气机转速由涡轮功决定；
3、废气涡轮增压系统匹配参数的计算
• 发动机设计点耗气量： M f ge Ne L0 / 3600
• 压气机压比:
M f c Vh z n / 60 / M c
（四冲程 2 ，二冲程 1 ）
解得： c 60M c / /Vh / n / z
1
1
1 1
c
1
( c ) pol