第五章 增压器计算
《柴油机涡轮机增压技术(第2版)》教学课件 第五章
（1）气缸
➢ 假定柴油机气缸中每一瞬时气体的压力、温度和成分均匀; ➢ 作为一个热力系统。
➢ 模型：完全混合扫气模型：用于四冲程柴油机、二冲程柴油机
分层扫气模型：用于二冲程柴油机的强制扫气阶段。 注意：此时应划分为两个热力系统，即扫气气流区域和废气区域， 两系统压力平衡，温度和成分不同。
➢ 不同的工作阶段采用不同的微分方程，计算顺序：压缩过程、 燃烧过程、膨胀过程、排气过程、扫气过程、进气过程。
（2）排气管
➢指从排气门到涡轮入入口的排气道、排气歧管和总管。
➢模型： 容积法 一维不定常流动法
（3）涡轮增压器
➢涡轮：做功元件。流量和做功量来自于排气管参数。
➢压气机：根据压气机流量特性曲线和每循环的涡轮做功，求得 压气机出口气体的压力、温度、流量等参数。
5．2 工质成分、比热容、等熵指数、相对分子质量及气体常数
混合气体平均摩 尔定容热容
cVm
等熵指数
相对分子量Mr 气体常数R
与混合气体的组成成分有关 把混合气体分成两部分计算
纯燃烧产物 纯空气
纯燃烧产物 : 燃烧过量空气系数时完全燃烧后的燃烧产物。 对于一般柴油机燃料，其成分按
C 0.87 H 0.126 O 0.004
第五章 增压柴油机热力过程模拟计算
5.1概述
5.1.1模拟计算的意义
1）预测柴油机的性能指标 2）对柴油机和涡轮增压器的结构进行优化 3）为柴油机的可靠性校核计算提供依据 4）进行工作过程分析
5.1.2 模拟计算方法
一、热力系统的划分
➢ 系统内各个部位的气体压力、温度和成分都是均匀的， 即处于瞬时热力平衡状态；
2. 计算步骤
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。
增压器、调压阀计算
表压 注:8h连续供气
注:Cp=（Cp1+Cp2）/2
使用说明： 1.黄色单元格内参数需手动输入； 2.蓝色单元格内参数是计算的结果 3.此调压阀计算只适用于安装在液相工况
密码00000
液态二氧化碳差值计算
压力1.9449 2.10来自2.6174ρL
1082
1059.375 983.9
贮罐正常使用压力： 用气量： 计算条件 最低环境温度 相对湿度 增压器翅片管规格φ 介质 增压器汽化量：PBC=用气量/（ρL/ρV-1） ρL-----正常使用压力下，饱和液体的密度 ρV-----正常使用压力下，饱和气体的密度 ρ -----标况下，气体的密度 需汽化的液氮的质量：m=ρ×PBC/3600 过冷态到饱和态单位时间内吸收热量：Q1=Cp×m×Δt 介质在过冷态时温度T1 介质在过冷态时定压比热Cp1 介质在正常使用压力时温度T2 介质在正常使用压力时定压比热Cp2 所需翅片长度L1=Q1×1000/(k1×ε×Δtm) 自增压器 k1-----传热系数 能力计算 ε-----翅片管比表面积 平均温差Δtm=(t1-t2)/[ln(t1/t2)] t1------介质在过冷态时温度差 t2------介质在正常使用压力时温度差 吸热变成蒸汽所需吸收热量(汽化热)：Q2=m*q 介质在正常使用压力时的汽化潜热q 所需翅片管长度L2=Q2×1000/(k2×ε×Δt×η) k2-----传热系数 Δt------介质在正常使用压力时温度差 η-------换热效率 需翅片管长度L=L1+L2 增压器的换热面积S
在所选增压器对应能通过的气体转换成的液体量V1
2.00 50 -10 85% 200
LCO2 3 1059.38 55.44 1.977 0.0017 0.016 233 0.83 255.31 0 0.003 240.76 1.44 16.39 30 7.69 0.53 311.36 16.794 3 7.69 0.95 16.8 24.2
涡轮增压器的计算
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4.5涡轮特性的计算方法
4.5.1简化解析式
可用简单的数学公式表示涡轮特性，从而便于在计算机中的 存储和调用。
T T max
0
2
2
0
2
T T max
a
0
2
0
288.15 T1
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4）等熵效率 定义：指气体由状态1（p1，h1）压缩到状态2 （p2，h2）时
等熵压缩功与压气机实际消耗的总功之比，即：
k
h2s h1 h2 h1
cp T2s cp T2
T1 T1
T1
p2 p1
k 1
k
1
T2 T1
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还可以用无因此参数ψ作为压气机结构及流动完善程度的指标， ψ称为压力系数，其定义为：
mcor T0 mk T1
p0
p1
Vcor V1
T0
T1
由此的折算流量为：
mcor
mk
p0 p1
T1 T0
101325 mk p1
T1 288.15
Vcor V1
T0 T1
V1
288.15 T1
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d.流量系数 压气机的通流能力还可以用无因次参数φ表示：
V1 A2 u2
2
p1
p10
mk mk 0
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如果忽略压力损失，
k
p2 p1
pE p0
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2）流量
表示压气机的通流能力，有以下几种表示形式：
增压器效率
废气涡轮增压器的效率计算增压器的效率是衡量增压器运转的重要参数之一，下面的公式为MAN B&W公司给出的增压器效率计算公式。
比热值cp和绝热指数k与温度变化无关。
废气的绝热指数kG和比热值cpG受废气组成影响。
T1 = 压气机进口温度，KT3 = 废气涡轮进口温度，Km L = 空气质量流量，kg/sm G = 废气质量流量（空气和燃油），kg/sc pL = 空气比热，J/kg.Kc pG = 废气比热，J/kg.Kp1 = 空气进口压力，barp2 = 增压压力，barp3 = 透平进口压力，barp4 = 透平出口压力，bar⎢L = 空气绝热指数⎢G = 废气绝热指数TC = 废气涡轮效率p2/p1 = 压气机压比p3/p4 = 废气涡轮压比效率的定义多家主机制造商采用MAN B&W柴油机废气涡轮增压器。
通常来讲，有两种效率计算方法是比较常用的。
1、废气涡轮定义：总效率是增压器的一个最常用的热力学性能参数。
该方程中涉及到压气机前后的Total pressure，透平前total pressure和total温度。
由于废气涡轮dynamic pressure的进一步用途未知，计算中不必考虑涡轮机排气壳的流速；结果是计算中使用static废气涡轮出口压力而不是total pressure。
2、主机定义：定义了主机的涡轮增压效率。
与废气涡轮定义相比，p2等于气缸前空气管的压力与空冷器压力降之和，p3为气缸后废气管内压力。
应注意的是：在计算主机定义的增压器效率时，考虑到增压系统的很多损失，所以在相同的增压器热力状态下，其效率低于废气涡轮定义的增压器效率。
在比较增压器效率时，应指明计算效率的定义方式。
如果定义中的某个压力值或温度值未知，则不能得出增压器的效率。
下表列出了两种效率定义方法计算中的主要不同点。
废气涡轮增压器常见故障的分析废气涡轮增压器常见故障的分析在近代柴油机的增压系统中，废气涡轮增压器是应用最广泛的一种，特别是船舶柴油机，绝大多数都采用这种增压器。
工程热力学05章习题提示与答案
习题提示与答案 第五章 热力学第二定律5-1 蒸汽机中所用新蒸汽的温度为227 ℃，排出乏汽的温度为100 ℃，如按卡诺循环计算，试求其热效率。
提示：新蒸汽与乏汽的温度分别看做卡诺循环的高、低温热源温度。
答案： 254.0t =η。
5-2 海水表面温度为10 ℃，而深处的温度为4 ℃。
若设计一热机利用海水的表面和深处作为高温热源及低温热源并按卡诺循环工作，试求该热机的热效率。
提示：略。
答案： 2021.0t =η。
5-3 一卡诺热机的热效率为40%，若它从高温热源吸热4 000 kJ/h ，而向25 ℃的低温热源放热，试求高温热源的温度及热机的功率。
提示：略。
答案： 4971r =T K ，44.0=P kW 。
5-4 某内燃机每作出1 kW h 的功需消耗汽油514.8 g 。
已知每千克汽油燃烧时可放出41 868 kJ 的热量，试求该内燃机的实际热效率。
提示：热机的吸热量等于燃料的放热量。
答案：167.0t =η。
5-5 有报告宣称某热机自160 ℃的热源吸热，向5 ℃的低温环境放热，而在吸热1 000 kJ/h 时可发出功率0.12 kW 。
试分析该报告的正确性。
提示：热机热效率不可能大于在相同温度范围内工作的卡诺热机的热效率。
答案：报告不正确，不可能实现。
5-6 有A 、B 两个卡诺热机，A 从温度为700 ℃的热源吸热，向温度为t的热源放热。
B则从温度为t 的热源取得A 排出的热量并向温度为100 ℃的热源放热。
试求：当两热机的循环净功相同或两热机的热效率相同时温度t 的数值。
提示：卡诺循环热效率121211T T Q Q tc -=-=η。
答案：两热机循环净功相同时='t 400 ℃，两热机热效率相同时="t 329.4 ℃。
5-7 以氮气作为工质进行一个卡诺循环，其高温热源的温度为1 000 K 、低温热源的温度为300 K ；在定温压缩过程中，氮气的压力由0.1 MPa 升高到0.4 MPa 。
涡轮增压的热力过程计算
contents
热力过程 热力过程计算 增压系统
涡轮增压的好处
离心式压气机Leabharlann • 结构紧凑，质量轻，在较宽的流量范围内能保持较好的效率。小尺寸压气机， 效率优于轴流式。
1-进气道 2-工作轮 3-扩压器 4-蜗壳
压气机工作过程
空气沿压气机通道的参数变化
焓熵图
等熵过程 实际过程
等熵 压缩 功 实际 压缩 功
压气机前后气体状态焓熵图
径流式涡轮机
涡轮机的工作原理与压气机刚好 相反。
温度
压力 速度 蜗壳
喷嘴 环
工作 轮
出气 道
焓熵图
等熵过程 实际过程
等熵 膨胀 功
实际 膨胀 功
涡轮机前后气体状态焓熵图
废气涡轮增压器热力系统划分
• 废气涡轮增压器是利用发动机排出的废气 能量驱动增压器涡轮，带动 同轴上的压气机叶轮 旋转，实现进气增压。废气涡轮增压器和发动机彼此 没有机械联系，它们通过空气流或燃气流来 传递能量。压气机与涡轮机都 是开口系统，对于发动机处于稳定工况时，可将工 质（空气或燃气） 的流 动视为稳态稳流过程，即为一维定常流动．
可变压缩比高增压系统 • 可变压缩比活塞高增压系统
可变压缩比活塞工作原理如下：柴油 机润滑油从曲轴主油道通过连杆小头进入 弹簧集油器3，然后由通道7及进油阀6和止 回阀8进入上油腔5及下油腔9，上油腔有弹 簧泄油阀4，泄油压力由弹簧预紧力事先设 定，从而控制内、外活塞相对位移。
• 带膨胀室的变压缩比高增压系统
工作原理：膨胀室和燃烧室用菌形阀 间隔开，在膨胀室内充满了一定压力的 压缩空气，一般为气缸压缩终压。在进、 排气过程中，膨胀室不工作。在燃烧过 程中，当压力超过膨胀室压力时，阀开 始上升，其上升速率与缸内压力升高率 密切相关。发动机负荷越大，增压压力 越大，阀上升的距离也越大，缸内余隙 容积增加量也越大，相对压缩比越小， 并以此控制最大爆发压力。在阀上升过 程中消耗能量，气缸压力下降后，膨胀 室阀下降．同时对气体作功。
第五章 增压器的计算
依据相似条件
p0 V1,cor
mK T1 T p mcor mK 1 0 p1 T0 p1 T V1,cor V 0 T1
V1 T0 T1
2．流量（续） （4）流量系数
V1 4V1 无因次参数 2 A2u2 D2 u2 式中： D2 为压气机工作轮外径； u 2 为压气机工作轮外径处的圆周速度
mT p4 p0 pT 0 mT 0
mT （kg/s）
mT T3 p3
（2）流量相似参数
模拟计算中，通常将涡轮简化成一个当量喷嘴，其流通能力 与实际涡轮完全相同，引入 T ， AT
mT T mth T AT 2 p3 3 T T AT 2 p3 3
3．转速 （1）每分钟转速 （2）转速相似参数
nK
nK T1
T0 288 .15 或 n288 nK T1 T1
（3）换算转速 ncor nK
4．等熵效率 气体由状态 1（ p1 ， T1 ）压缩到状态 2（ p2 ， T2 ） ，等熵压缩功 （不计气体流动损失、绝热）与实际压气机消耗总功之比，即
一、涡轮特性的简化解析式
单级涡轮效率 T 曲线可以近似用一个二次抛物线表示
T 2 (5.5.1) T max 0 0 式中 0 —设计工况的速比 引入修正系数后， T 曲线的一般表达式可写为
T a 2a a 1 T max 0 0 这样，某一膨胀比 T 的涡轮效率曲线可用一对数值（ T max ， 0 ）
式中： pE 为进气管总压； p0 为环境压力； p2 为进气管路的总压 降； p1 为吸气管或滤清器中的总压降 若忽略压降
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T （kg/s） m
T T3 m p3
（2）流量相似参数
模拟计算中，通常将涡轮简化成一个当量喷嘴，其流通能力 与实际涡轮完全相同，引入 T ， AT
T T m th T AT 2 p3 3 T T AT 2 p3 3 m
5.1
压气机的稳流特性
压气机的特性是指压气机的性能参数（ K ， K 等）与工作参数 K ， nK ， p1 ， T1 ）之间的关系 （m 一、压气机的主要参数 压气机的工作情况由以下四个工作参数决定： K （1）流过压气机的空气流量 m （2）压气机的转速 nK （3）压气机的进口总压 p01 （4）压气机的进口总温
一、涡轮特性的简化解析式
单级涡轮效率 T 曲线可以近似用一个二次抛物线表示
T 2 (5.5.1) T max 0 0 式中 0 —设计工况的速比 引入修正系数后， T 曲线的一般表达式可写为
T a 2a a 1 T max 0 0 这样，某一膨胀比 T 的涡轮效率曲线可用一对数值（ T max ， 0 ）
1 p2 T1 1 p 1 h2 s h1 h2 h1 T2 T1
K
此外，也可用无因次参数 （压力系数）作为压气机结构及流 动完善程度的指标 D2 n K 2h2 s h1 u ，式中 2 2 60 u2
cor T0 m K T1 m cor m K m p1 依据相似条件 p0 V V 1, cor V 1 V 1, cor T0 T1 T1 p0 T0 p1 T0 T1
2．流量（续） （4）流量系数
4V 1 无因次参数 2 A2u2 D2 u2 式中： D2 为压气机工作轮外径； u2 为压气机工作轮外径处的圆周速度
三、压气机出口的空气温度 T2
1 1 1 p2 1 T2 T1 T1 p1 K 式中： —考虑向外散热的冷却系数（1.04~1.1）
四、压气机的稳流特性
压气机的特性是指压气机的性能参数（ K ， K 等）与工作参 K ， nK ， p1 ， T1 ）之间的关系 数（ m K , nK , p1 , T1 K K m K , nK , p1 , T1 K K m K , nK K K m 若进口条件不变，则 K , nK K K m 为了使压气机特性不受进口条件的限制，通常采用相似参数绘制 压气机通用特性
h3 h4 hT ， hST T h3 hST hST
1 3 RT3 1 3 1 T
3 1 3
由于无法精确计算小型涡轮的散热损失， 等熵效率难以精确计算， 所以常将机械效率归入涡轮效率中一并考虑 T mTK T mT mK T 6．涡轮功率 NT m T hST T mT
二、压气机消耗功率
NK
1 1 1 K h2 s h1 m K T1 R 1 p2 m NK 1 K mK K mK 1 1 p 1 式中： mK ——压气机的机械效率
第五章 增压器的计算 5.1 压气机的稳流特性 5.2 压气机特性的数值表示 5.3 涡轮的稳流特性 5.5 涡轮特性的简化计算方法 5.8 涡轮增压器的基本方程 6.3 一级涡轮增压设计点的匹配计算 6.4一级涡轮增压变工况运行特性的计算
一般涡轮增压柴油机都是由柴油机和涡轮增压器两个部分组成， 两者彼此间无机械联系，只是通过气体将其联系起来，它们的结 构特点，工作原理和特性完全不同。为了在两者联合工作时获得 良好的综合性能，必须使两者的特性相互适应，即“匹配技术” 。 自由废气涡轮增压器由燃气涡轮和压气机组成 涡轮增压器与柴油机配合运行的基本条件是： 1．能量平衡： NT N K
以得到 T f Teq
p3 p ， p4 p 为考虑涡轮转速影响的压力修正项
Teq
a
p hT u ， a 愈小，影响程度愈大，常数 a 0.5 ~ 1 p3 h3 h3 a 2 p3 u3 Teq 1 212 页图 5.5.2 T f Teq 3 p4 RT3 1 3
3 1 2 3 3 3 p4 p4 p 3 1 p3 3
3．转速相似参数 4．速度比
nT T3
u u c0 2hST
式中： u 为动轮圆周速度； c0 为等熵焓降计算的理想气体速度 5．涡轮效率 等熵效率T ——表示涡轮中能量转换的完善程度 定义：实际有效焓降 hT 与等熵焓降 hST 之比
T01 当这四参数独立变化时，压气机的性能也随之变化
两个特性参数： （1）增压比 K ； （2）等熵效率 K
1．压比 K （出口压力与进口压力之比）
p1 ， p2 —进、出口静压
p01 ， p02 —进、出口总压，下表“0”表示滞止
本书中 K
p02 略去“ p p p2 0” 2 E p01 p1 p0 p1
5.3
涡轮的稳流特性
定压涡轮：废气平稳的压力下进入涡轮 脉冲涡轮：脉动进气 涡轮稳流特性适用于定压涡轮
一、主要参数
四个工作参数 （1）涡轮前的总压 p03 （2）涡轮前的总温 T03 （3）涡轮后的静压 p4 （4）涡轮转速 nT
表征涡轮特性的基本参数
1．膨胀比 T —进口总压于出口静压之比 p03 ， p03 由排气系统热力计算得到 T p4 涡轮出口压力按下式计算 2．流量 （1）质量流量
5.2
压气机特性的数值表示（续）
二、分析计算法
基于曲线拟合和函数逼近理论 K 和 K 的二 压气机特性图上等效率 K 和等转速 nK 曲线都是随 m 元函数，分析计算法就是根据特性图上已知点的数据寻找一条近 似的曲线来反映数据的实际变化规律，拟合过程中不要求曲线通 过所有的已知点，而只要求曲线能反数据的基本趋势 采用最常用的曲线拟合方法是最小二乘法 关于二元函数的最小二乘拟合法等已有完善的程序可用 徐士良， 《Fortran 常用算法程序集》 ，清华大学出版社
2．径流式涡轮 （1）效率特性
u u 与轴流式相似，仅与 有关， T f ，式（5.5.5） c0 c0
2．径流式涡轮（续）
u （2）通流特性 T T T , c 0 为了进一步简化，引入修正膨胀比 Teq ，来考虑速比的影响，
二、其他简化方法 1．轴流式涡轮
u 由 193 页图 5.3.4 可知 T 主要与 有关， 与 T 关系不大， 而 T 主 c0 要与 T 有关
u 于是有 T f c ， T f T 0 然后根据曲线拟合方法，整理成低阶多项式 见 209 页式（5.5.3） ，210 页式（5.5.4）
式中： pE 为进气管总压； p0 为环境压力； p2 为进气管路的总压 降； p1 为吸气管或滤清器中的总压降 若忽略压降
K
p2 pE p1 p0
2．流量 ——表征压气机通流能力 由以下四种表示形式 （m3/s） K （kg/s）或容积流量 V （1）质量流量 m 1 压气机稳定运行时，质量流量恒定不变，进口状态下 K m K RT1 m V1 1 p1 K T1 m V （2）流量相似参数 ， 1 p1 T1 为了使压气机特性不受进口条件限制 ） cor ， V （3）换算流量（ m 1cor 压气机工作或试验可能在不同大气条件下进行，为了便于比 较需将试验结果换算到标准大气条件下（ p0 ， T0 ）
1
V
3．转速 （1）每分钟转速 （2）转速相似参数
nK
nK T1
T0 288.15 或 n288 nK T1 T1
（3）换算转速 ncor nK
4．等熵效率 气体由状态 1（ p1 ， T1 ）压缩到状态 2（ p2 ， T2 ） ，等熵压缩功 （不计气体流动损失、绝热）与实际压气机消耗总功之比，即
书中 177 页，图 5.1.1 给出了典型的压气机通用特性 ， 书中 178 页， 图 5.1.2 给出了无因次参数 为横坐标， K 为纵坐标的压气机特性
5.2
压气机特性的数值表示
在增压内燃机的匹配计算中，要求在压气机特性上确定配合运行 点，为了使程序能自动寻找运行点，必须将压气机特性用数值表 示。压气机特性的数值表示方法有以下两种 一、网格法（数组存储法） 采用正交网格离散压气机特性上的等效率线和等转速线，读取每 个网格点上的等效率 K 和转速 nK ，并输入计算机中存储。匹配 计算中，网格点上的 K 和 nK 值由输入数据给出，飞网格点上的 数据则由输入数据进行平面插值得到。 缺点： （1）网格点越多，占用存储空间愈大 （2）插值计算工作量较大 （3）利用插值确定非网格点上值，代入一定误差
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3 1 3 p4 T 3 RT3 1 m T mT 3 1 p 3
5.4 涡轮变工况特性预测（自学）
5.5 涡轮特性的简化计算方法
增压内燃机的配合计算， 要求精确的数值表示涡轮特性。 若根据前述的曲线拟合理论将涡轮特性用高次多项式表 示出来，工作量大。 按照涡轮特性曲线变化特性曲线变化特点，可以用较简 单的数学公式表示涡轮特性
T m K m B （无排气放气） 2．质量平衡： m
3．转速相等： nT nK nTK