涡轮增压器与燃气发动机的匹配及主要增压参数的计算
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随着工业发展的不断深入，涡轮增压技术的应用在发动机的领域中日益重要，特别是在柴油发动机中。
涡轮增压可以提高发动机的动力和效率，使发动机可以在较低的温度和气压条件下运行，减少污染物的排放。
特别是在使用涡轮增压的柴油发动机中，匹配发动机和涡轮增压的性能是很重要的。
本文旨在通过理论计算探讨废气涡轮增压及发动机匹配的理论计算研究。
涡轮增压技术最常用的是柴油发动机，它们均采用通用的方法，即使用增压器将空气压缩到一定的比例，以提高气体的温度和压力，从而提高发动机的压燃比。
增压器是通过旋转叶片抽送空气的设备，通常涡轮增压器可分为两类：固定增压器和变动增压器。
固定增压器可以根据发动机的不同额定负荷下的不同转速，空气入口前压力保持相对稳定，而变动增压器可以根据发动机的负荷及运行转速调节入口前压力，以满足不同工况下发动机的需要。
在相同工况下，涡轮增压器的负荷调节范围通常比固定增压器小得多，使发动机的特性更稳定。
涡轮增压器的设计具有若干特征，如压气机的排量、增压比、转子形状和材料等，这些特征是影响涡轮增压器性能的主要因素，涡轮增压器的性能受其影响，这也是决定涡轮增压器与发动机性能匹配的关键。
涡轮增压及发动机相互匹配设计，是一种基于发动机参数、系统参数、变量参数等进行计算的一种方法。
设计发动机涡轮增压系统时，首先要考虑增压器(涡轮增压器)与发动机之间的刚度匹配，以保证涡轮增压器的转速能满足发动机的转速要求，并且能够有效地调节涡轮增压器的转速、压缩比等参数，使发动机的性能得到改善。
涡轮增压系统的涡轮和发动机的转速有一定的相关性，如果涡轮转速太低或太高，就会使发动机的性能受到影响，发动机的整体性能因此受到影响，涡轮转速过高会使发动机运行时出现过载现象，并降低发动机的燃油效率与动力性；涡轮转速过低会导致发动机怠速下的燃油效率不高，而且发动机全过程的动力性也会下降。
另外，涡轮增压系统中的压气机压力比也与发动机的性能有关，正常的涡轮增压系统中，压气机压力比一般为2~2.2，当压气机压力比太低或太高时，都会对发动机的性能产生负面影响，当压气机压力比过高时，会使发动机在某些工况出现过载情况，燃油效率也会稍低，而当压力比过低时，发动机性能就会受到影响，全过程分配率也会降低。
天雁-涡轮增压匹配与控制
为达到上述要求，出现了多种增压方式，除了普通废气涡轮增压外还有： 1） 旁通放气； 2） 可变几何涡轮增压器； 3） 超高增压：本质上，是一种发动机与燃气轮机并联工作的系统； 4） 顺序增压； 5） 两级增压； 6） 复合增压（涡轮增压+机械增压）； 7） 脉冲转换器及 MPC； 8） 气波增压； 9） 可变压缩机的发动机； 10）米勒系统：（低温增压方式——下止点前终止进气（进气门提前关闭；排气门提前关闭 角自动调节，使发动机的实际压缩比随负荷变动），使空气在气缸中膨胀以获得进一步冷却， 即：米勒增压系统的特点是增压空气的外部中冷与缸内冷却相结合，实现了可变压缩比与 不变的膨胀比，从而获得了良好的效果。
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脉冲增压所利用 的排气能量
内燃机涡轮增压匹配与控制
图 1-6 脉冲涡轮增压内燃机热力循环图 为不使气流损失，支管的截面大致等于一个气缸盖排气道出口的截面积。对于四冲程内燃机， 排气门一般在下止点前 40°～70°CA 打开，而在上止点后 40°～60°CA 关闭。排气门的开启延 续角为 260°～310°CA。从理论上分析，排气间隔应是第一个气缸的排气门关闭以后第二个气缸 的排气门才开。四冲程内燃机的排气间隔只要 240°CA，二冲程内燃机的排气间隔角只要 120° CA 就足够了。根据上面推算，四冲程内燃机一侧的气缸数是 3 的倍数，如 6L，9L，12V，18V 等 内燃机则可用三个气缸公用一根脉冲排气支管与脉冲涡轮相连，对 8L，16V 等内燃机采用对称的 两个缸共用一根脉冲排气支管。四缸公用一根脉冲排气支管不存在排气空程。在两级增压时这种 排气方式常用于第一级增压的脉冲排气支管上。图 1-9 脉冲涡轮增压时废气在流动中的特征参数。 （3）涡轮增压中冷内燃机热力循环 涡轮增压中冷内燃机循环是在涡轮增压内燃机循环的基础上将压气机出口进入内燃机进气管 的空气预先进行冷却，即空气从状态 1’→3 变为 1→2，冷却带走的热量为 Q，以增加进入气缸 内的空气充量，降低循环温度，特别是降低燃气的最高温度，有利于抑制、减少 NOX 的有害排放。 图 1-7 为涡轮增压中冷内燃机热力循环
增压器与内燃机的匹配
匹配对象
优化增压器和发动机得联合工作性能
• 选择压气机,以提供燃烧所需得适量空气, 并满足:
– 在低速、额定转速和最大转矩位置有不错得 效率
– 高海拔裕量 – 合适得喘振边界
• 选择涡轮机,以驱动压气机,并满足:
– 无废气放气阀时
• 兼顾低速高功率要求和最大气缸爆发压
– 带废气放气阀时
gk ＝Gk/Ne*3600 (kg/kw、 h)
四冲程:5、85-7、5
其中水冷:5、86-6、8,
ge高和大时取大值, n大取小值
4. 由发动机参数计算容积流 量iVhnk
9
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交
10
5. 查图得到Gk
6. 在压气机特性曲线上标出 点(Gk,pk/p0)
10. 由T和nT(nnp)在涡轮流 通特性图上得到 GT TT
pT T
n T0
GT TT pT
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10. 核算GT就是否一致,若不一致, 重选TT,直到GT一致
11. u
DnT
c0
2
k
k' '
1
RTT
k '
1
k T
'
1
12. 从涡轮特性曲线上得到T
T
u/c0
13. 按前面公式求得X 14. 检验功率就是否平衡？
依据 Gk＝10~30%Gk,选用最合适得增压器
11
计算公式得推导: 1) 建立增压后标定点空气量Gk和压比pk/p0间得关系
体积流量
V0＝
iVh nvs
2 60
103
m3 / s
i : 缸数；Vh工作容积（L）； n:标定点转速； s：扫气系数
涡轮增压技术及算法详解
涡轮增压技术103这篇文章涉及较多的涡轮技术，包括描述压缩机的部分特性曲线图、计算发动机的增压比和空气质量流量，怎样在特性曲线图上绘制点来帮助你选择合适的涡轮增压器。
把你的计算器放在手边吧。
一压缩机部分特性曲线图[1]压缩机特性曲线图是详细描述压缩机压缩效率、空气质量流量范围、增压性能和涡轮转速等性能特性的一种图表。
下面展示的是一幅典型的压气机特性曲线图：[2]增压比增压比（）被定义为出口处绝对压力除以进口处绝对压力注：=增压比、P2c=压气机出口绝对压力、P1c=压气机入口绝对压力[3]在压气机入口和出口处使用绝对压力为计量单位非常有必要，一定要记住绝对压力的基础是14.7磅/平方英寸（在这个单位下“a”代表绝对压力）这被称为标准大气压力和标准情况。
[4]表压即计示压力（在计量单位为磅/平方英寸下“g”代表表压力）测量的是超过大气压力的大小，所以表压力在大气压力下应该显示为“0”。
增压表测量的岐管压力是相对于大气压力的，这就是表压力。
这对于决定压缩机出口处的压力是非常重要的。
比如说增压表上读出的12磅/平方英寸意味着进气歧管的压力高于标准大气压力12磅/平方英寸。
即：歧管压力26.7磅/平方英寸=12磅/平方英寸（表压力）+14.7磅/平方英寸（标准大气压力）[5]这个条件下的增压比就能计算了：（26.7磅/平方英寸[绝对压力]）/14.7磅/平方英寸（标准大气压力）=1.82[6]然而这是在假定压气机入口处没有空气滤清器影响的情况下[7]在决定增压比的时候，压气机入口处的绝对压力时常比环境压力小，特别是在高负荷时。
为什么会这样呢？因为任何对空气的阻碍（这其中就包括空滤器管道的限制）都会对进气造成压力损耗，在决定增压比时，压气机上游的损耗都需要被计算。
这种压力损耗在某些进气系统上可能达到或超过1磅/平方英寸的表显压力。
在这种情况下压气机入口处压力应该如下取值：压气机入口绝对压力=14.7psia – 1psig = 13.7psia[8]带入最新的入口处压力进行增压比计算应该是下面这样(12 psig + 14.7 psia) / 13.7 psia = 1.95.[9]以上计算方法很好，但是如果你不是在标准大气压下呢？在这种情况下，在计算工式中简单地用真实的大气压力替代标准大气压力14.7psi能够使计算更精确。
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废气涡轮增压是一种利用发动机废气能量来提高发动机进气压力和排气量的技术。
它通过在发动机排气系统中增加一个涡轮增压器，将废气能量转化为机械能，驱动涡轮增压器的涡轮，使其旋转并带动压气机，将大量的空气压缩后送入发动机，提高了空气密度和进气压力，从而增加了发动机的输出功率和扭矩。
废气涡轮增压器与发动机之间的匹配是提高发动机性能和效率的关键。
好的匹配能够确保涡轮增压器和发动机的最优工作状态，最大限度地提高增压效果和发动机的输出性能。
因此，进行废气涡轮增压与发动机匹配的理论计算研究非常重要。
首先，需要进行发动机的性能参数测量和数据分析，包括发动机的排气量、气缸数、气缸直径和冲程等。
这些参数将决定涡轮增压器的尺寸和特性，以及增压器的选择范围。
其次，需要确定涡轮增压器的性能参数，包括涡轮增压器的压气机和涡轮的尺寸、叶片数目、进出口面积等。
这些参数将决定涡轮增压器的增压效果和压气机的压缩效率，从而影响发动机的输出性能。
接下来，需要进行涡轮增压器与发动机的匹配计算。
这包括气缸压力比、进气温度和进气流量等的计算，以确定涡轮增压器的选型和工作工况。
基于涡轮增压器的性能参数和发动机的性能需求，可以通过计算模型和实验数据，确定最佳的涡轮增压器尺寸和特性。
最后，还需要进行增压系统的流动仿真和热力学分析，以评估涡轮增压器的增压效率和热力学性能。
这些分析可以提供理论基础和实验指导，优化涡轮增压器和发动机的匹配，进一步提高发动机的性能和效率。
总之，废气涡轮增压与发动机匹配的理论计算研究是一项复杂而重要的工作。
它能够为涡轮增压器和发动机的设计优化提供理论指导和技术支持，为发动机性能的提升和排放的减少作出贡献。
发动机与涡轮增压器的匹配
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(2)
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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(3)
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一般很少将发动机耗气特
---(2)
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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增压中冷
---(4)
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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)
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。
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增压中冷
---(1)
涡轮增压器与发动机匹配介绍
不增压820马力，增压后700马力，经在匹配上改进， 由700马力 900马力 1100马力 1400马力。由无 叶 有叶 减小fc 加长喷嘴环叶片 调fc
8v四脉冲比双脉冲油耗率高5g/kWh，排气温度高 30℃，功率低130kW
双脉涡轮断叶片（70h左右）
增压匹配的内容包括以下方面：压气机、燃 气涡轮、排气管、进气管、中冷器、空滤器、 消声器、进排气凸轮轴型面、配气相位、运 转参数（工况）、环境参数（气温气压）。
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3
这种匹配如果搞的不好 ，将引起以下后果：油耗率 高、排气温度高、烟大、排放物多；增压器喘振、 涡轮叶片断裂等。
求。如图（9）
图（9） 涡轮有足够的流通能力，即合适的喷咀环面积或涡壳流通面转及和压气机的能量
平衡。即涡轮提供的功率不能太大，以致使压气机超速和流量过大，易造成喘振； 也不能提供能量过小，以致使压气机流量不足，满足不了要求。
②调整 如压气机压力偏低，流量偏小，而增压器转速未达到要求，可将喷咀环面积调小，
计几种机型为5.32-5.8kg/psh 根据计算：（己知压比）
目前在匹配时有两种作法： 低压比大流量，用在对排放、爆压、排温要求高，体积、加
速性要求不太高情况。 高压比小流量，用在对排放、爆压、排温要求不太高，体积、
加速性要求高情况。
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（5）从进排气压力稳态参数分析扫气效果衡 量，看进排气压力曲线交叉点位置。如图（4）
下，空气流量大，压气机后气温低 不同用途的柴油机要求压气机效率曲线形状不同。 按负荷特性、推进特性工作的柴油机，希望效率曲
线园圈在纵斜方向长一些，而对于按外特性工作的 柴油机，则希望效率曲线园圈在横斜方向长一些， 高效区要宽广。匹配时使最大扭矩点落在高效区。 如图（6）所示。
某款发动机涡轮增压器选型与匹配
- 55 -工 业 技 术０ 引言涡轮增压器技术是提高发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放的有效手段。
增压发动机在减小排量的情况下通过提升进气压力能够使相同排量的发动机动力性能提升，同时增压发动机的燃油经济性与自然吸气的发动机相比有所提升。
根据整车车型动力性、经济性的目标要求，该文设计开发了节能高效的涡轮增压发动机。
１ 发动机匹配目标的确定影响增压发动机性能的设计开发内容包括控制系统的标定、进气歧管总成及排气歧管总成的走向、整车进气系统压降和排气系统背压等，但是涡轮增压器的匹配是否优良是最为关键的[1]。
涡轮增压器的匹配结果直接影响燃油经济性和发动机的动力性能（功率、扭矩）。
增压器的匹配内容主要包括方案匹配和性能匹配。
１．１ 发动机设计目标１．１．１ 发动机设计目标参数确定根据整车目标的确定，要求发动机有很好的低速扭矩和中速中负荷的燃油经济性[2]。
具体设计开发的技术目标参数见表1。
１．１．２ 确定压缩比该款发动机为汽油发动机，发动机和涡轮增压器匹配的关键主要避免爆震的产生，所以要控制好发动机排气温度、进气压力、增压器转速范围。
由于增压后排温易升高，所以增压发动机的压缩比要比自然吸气发动机的低，保证燃烧稳定性。
通过对比研究最后确定为压缩比为9∶1。
１．１．３ 确定中冷技术由于增加发动机提升了进气的压力，导致进气温度的升高，为了保证燃烧的稳定性，必须采用冷却系统将进气温度降下来，同时对发动机的动力性、经济性均有提高，经过研究确定采用空对空中冷器冷却增压后的空气温度。
１．１．４ 确定涡轮机的叶片大小涡轮机的大小直接影响了整车的使用性能，影响发动机随油门提升扭矩的 响应速度，由于小涡轮质量轻，低速响应性较好，但这可能要损失高速段的动力性。
通过对于匹配目标的研究确定选择小涡轮增压器进行匹配。
２ 涡轮增压器匹配方案确定２．１ 涡轮增压器匹配方案选择为了保证涡轮增压器匹配的合理性，确定了3款涡轮增压器进行匹配选择，并统一进行编号，具体方案见表2。