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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date增压器与柴油机的匹配计算增压器与柴油机的匹配计算增压器与柴油机的匹配计算摘要 发动机与增压器的匹配是否良好，对发动机的运行起着十分重要的作用。本文主要的内容是用计算出发动机与增压器匹配的最佳运行点。总结出各种匹配的要求和匹配不好的原因。1. 增压参数的确定为了保证发动机与增压器的良好匹配，即达到预定的增压发动机各项性能指标，首先要正确确定增压参数。增压参数主要有：1）
2、 增压压力或压比；2） 空气流量（Kg/s）或容积流量（m/s）；3） 涡轮前废气平均温度；4） 大气压力和大气温度。增压参数中最重要的是通过计算正确确定流量和压比。如果流量选择不当，不但使增压器与发动机匹配不好，更重要的是涡轮流通能力确定不当，从而导致增压压力远离设计值。而根据计算得出，如果确定不合适，将导致有较大的偏差。正确确定或也很重要，如果选的过低，将造成达不到预定的增压发动机功率和出现发动机排气温度过高的后果；如果选的过高，又会导致过高的发动机最大爆发压力以及增压器过高的转速。在不同的地方大气压力和大气温度也是不相同的，这要根据当地的情况来决定，一般情况是取标准值。1.1 用计算法确
3、定增压参数增压后发动机所需要的空气流量（即压气机流量）为 = Kg/s (11)式中 燃油消耗率，Kg/（Kw.h ）；过量空气系数；扫气效率。另外，对四冲程发动机又可表示为： (12) 式中 发动机转速，r/min；发动机容积效率。故压气机出口的空气密度： (13)以式（21）求得的代入式（23），即可求得。压气机的压比： (14)式中 压气机多变效率； 压气机进口空气密度；Kg/。这种计算增压比方法的准确度依赖于流量的精确程度，只要稍有偏差，所得即较大变化。与二者是相互关系的，在即定情况下，不能任意加大，否则将得到偏大的涡轮流通能力，从而使匹配工作时增压器达不到预定的转速，将低于设计值。下
4、面举例说明增压参数的确定：4120型增压柴油机，该柴油机给定参数：缸径D（mm）102额定转速n（r/min）3500冲程S（mm）100最大扭矩转速n（r/min）2625缸数i4额定扭矩Me（N.m）245排量Vh（L）3.27增压度3035%额定功率Ne（kw）731.2 标定工况下增压参数的确定计算标定工况下的空气流量和增压比：mA k在标定工况下：=255g/Kw.h，=73Kw得到燃油供应率为： =25573=18615g/h=310.25g/min=0.31Kg/min (15)取柴油机的理论空燃比为： =14.3过量空气系数为：（1）=2.3， （2）=2.1当=2.3时的情况
5、用（1）表示，当=2.1时的情况用（2）表示则 所需空气流量为：(1)=310.252.314.3=10204.1g/min=0.17Kg/S (16)(2)=310.252.114.3=9046.5g/min=0.1508Kg/S (17)四冲程柴油机，冲程系数为： =4由每分钟的活塞排量为： =35003.272=5722.5L/min=5.723/min (28)取容积效率=0.9扫气空气过量系数 =1.0则每分钟进入的空气的容积为： =5722.50.91.0=5.15/min (19)所以增压空气的密度为： (1) =1.981Kg/ (110) (2) =1.757Kg/ (111
6、)取压气机进口空气密度为： =1.205Kg/（相当于20 一大气压的空气）则 (1) (112) (2) (113)预取压气机多变效率=0.8绝热指数k=1.4由 (114)得出增压比 (115) （1）=2.387， （2）=1.935增压后空气温度：假定理想气体则 (116) (117) 所以 (118) 所以增压后空气温度为： （1）K（2）K1.3 最大扭矩工况增压参数的确定根据增压目标，计算确定最大扭矩工况的增压比和空气流量：、 在最大扭矩工况下： =215g/Kwh，=67.3Kw得到燃油供应率： =21567.3=14470g/h=241.16g/min=0.24Kg/min取
7、柴油机的理论空燃比为：=14.3过量空气系数为： （3）=1.9， （4）=1.7当=1.9时的情况用（3）表示，当=1.7时的情况用（4）表示则 所需空气流量Ma为：(3)=6552.3g/min=0.11Kg/S(4)=5862.6g/min=0.098Kg/S四冲程柴油机，冲程系数： =4最大扭矩时转速： =2625r/min每分钟的活塞排量为： =4292L/min=4.292/min取容积效率为： =0.85扫气空气过量系数 =1.0则每分钟进入的空气的容积为： =4.2920.851.0=3.648/min所以增压空气的密度为： （3）=6.5523.648=1.77Kg/ （4）
8、=5.8633.648=1.61Kg/取压气机进口空气密度为： Kg/（相当于20一大气压的空气）则 （3）=1.771.205=1.469 （4）=1.611.205=1.336预取压气机多变效率 =0.8绝热指数k=1.4由 得出增压比 （3）， （4）增压后空气的温度： 所以增压后空气温度为： （3）=2931.96=391K （4）=2931.66=364K1.4 部分负荷工况下增压参数的确定根据柴油机外特性曲线（图1.1），确定50%负荷工况下的流量和增压比：mA k50%负荷工况下： ge=230g/Kwh , Ne=36.5Kw 得到燃油供应率： =23036.5=8395g/h
9、=139.91g/min=0.14Kg/min取柴油机的理论空燃比为：=14.3过量空气系数为： （5）=2.7， （6）=2.5当=2.7时的情况用（5）表示，当=2.5时的情况用（6）表示则 所需空气流量Ma为：(5)=5401.9g/min=0.09Kg/S(6)=5001.8g/min=0.083Kg/S四冲程柴油机，冲程系数： =450%负荷时转速： =1500r/min每分钟的活塞排量为： =2453L/min=2.453/min取容积效率为： =0.85扫气空气过量系数 =1.0则每分钟进入的空气的容积为： =2.4530.851.0=2.085/min所以增压空气的密度为： （
10、5）=5.4022.085=2.59Kg/ （6）=5.0022.085=2.4Kg/取压气机进口空气密度为： Kg/（相当于20一大气压的空气）则 （5）=2.591.205=2.149 （6）=2.41.205=1.992预取压气机多变效率 =0.8绝热指数k=1.4由 得出增压比 （5）， （6）增压后空气的温度： 所以增压后空气温度为： （5）=2933.44=469K （6）=2933.04 =447K图1.1 4102柴油机外特性曲线综合以上三种工作状态，得出增压器的性能参数如下表：表1.1增压器性能参数表I工况过量空气系数空气流量Kg/s增压比增压后空气温度 K标定工况（1）2.
11、30.172.387425.4（2）2.10.15081.935388.8最大扭矩工况（3）1.90.111.96391（4）1.70.0981.66364部分负荷工况（5）2.70.093.44469（6）2.50.0833.044471.5 校核增压器综合效率k（1）= 2.387 =0.17Kg/S （2）=1.935 =0.1508Kg/S （3）=1.96 =0.11Kg/S （4）=1.66 =0.098Kg/S （5）=3.44 =0.09Kg/S （6）=3.04 =0.083Kg/S从压气机特性曲线图1.2查得压气机效率和转速： （1）=0.78 =20000r/min（2）
12、=0.72 =15000r/min（3）=0.77 =15000r/min（4）=0.76 =15000r/min（5）=0.71 =10000r/min（6）=0.73 =10000r/min图1.2 压气机流量外特性曲线2. 发动机与增压器的匹配 总的来说，发动机与增压器的匹配有三个方面，即发动机与压气机匹配、发动机与涡轮的匹配和压气机与涡轮的匹配。下面先分别讨论这三项匹配以及发动机对压气机、涡轮的要求，然后再总的讨论发动机与增压器的匹配。2.1 发动机与压气机的匹配 发动机对压气机的要求是：1） 压气机不但要达到预定的压比，而且要具有高的效率（）。压气机效率越高，在同一时空气温度越低，从
13、而所得到的增压空气密度就越高，增压效果也就越好。怎样评价发动机与压气机的匹配呢？一般讲对匹配的要求是：2）如果发动机的特性线应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的等效率圈相平行。这时匹配最好，（如前面压气机特性图所示）。如果发动机运行线整个位于压气机特性右侧，则表示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工作，在这种情况下，就要重选较大型号的增压器，或加大压气机通流部分尺寸，使压气机特性曲线向右移动。如果发动机运行线整个偏于压气机特性左侧，则一方面发动机低转速时压气机效率低，同时有可能出现喘振。在这种情况下就要选较小型号的增压器或减小压气机通流部分尺寸，使压气机特
14、性向右移动。3）发动机的耗气特性应离开压气机喘振线有一定距离,否则工作时可能出现喘振。2.2 发动机与涡轮的匹配 发动机与涡轮的匹配是否良好主要是看涡轮流通能力的选择是否合适。发动机与涡轮的匹配情况可以借助涡轮特性曲线。发动机对涡轮的要求是：1） 在发动机整个运行范围内涡轮具有较高的效率；2） 要保证在发动机整个运行范围内涡轮具有较高的效率和合适的流通能力，以保证提供给压气机所需的功率，以保证提供给压气机所需要的功率。实践证明涡轮流通能力大小对匹配性能是十分敏感的，故发动机与涡轮的匹配是否良好主要应看涡轮流通能力的选择是否合适。对车用发动机来说，既要保证在最大扭矩点处有足够的增压压力，又要产生
15、标定点处增压器不能过度超速。2.3 压气机与涡轮的匹配压气机与涡轮的平衡条件为：1） 转速相等，即；2） 流量连续对于单独运行的一台涡轮增压器，当管道无泄漏时通过涡轮的燃气质量流量应等于压气机流量与燃料流量之和，即 为简单起见，一般可认为。3） 功率平衡在增压器稳定运转时涡轮的输出功率应等于压气机消耗的功率及机械损失功率之和，即 如用机械效率表示，则增压器的功率平衡可写成 2.4 发动机与增压器的匹配 归纳起来，发动机与增压器如何才算匹配良好呢？1） 发动机运行范围内正处于压气机高效率区，且离压气机喘振线有一定的裕度；2） 发动机运行范围内不出现过高的排气温度；3） 发动机运行范围内增压器转速
16、不超过极限值，也不出现过高的增压压力以及最高爆发压力；4） 发动机负荷特性上增压压力与背压的交点位于低负荷区，且越低越好，增压压力与背压的交点越靠近小负荷，说明发动机与增压器的匹配越良好。5） 增压发动机能达到预定的功率、经济性及烟度等指标，在负荷特性上低负荷范围内不致出现太高的油耗。2.5 运行时匹配不好的原因分析和运行参数的改变2.5.1 压气机喘振柴油机的喘振分单台增压器和多台增压器是产生的压气机喘振，其发生的原因也是不同的：1)环境温度对喘振的影响当环境温度变化较大时，柴油机与涡轮增压器平衡运行线将发生变化。因此对于带有中冷器的柴油机应考虑在低温环境下进行配合调整实验，而无中冷器的柴油
17、机应考虑在高温环境下进行配合调整实验。2)柴油机进气管内压力波动的影响柴油机进气管内压力波动幅度愈大，振频愈低，则压气机喘振线愈往流量大的方向偏移，因而，使平衡运行线易于穿出喘振线。3)柴油机突卸负荷的影响柴油机由全负荷突减至空负荷或者负荷突降幅度较大时，若增压器转速由于惯性而无法随之变动，以致较高时，将会出现短时间的喘振。单台增压器工作：（1） 压气机和涡轮匹配不当时，其它一切正常，仅压气机出口压力PK和涡轮进口压力PT稍高（2） 压气机效率下降时，压气机进口压力PK和涡轮进口压力PT会降低，涡轮进口温度TT会升高（3） 涡轮效率下降时，涡轮进口温度TT和涡轮进口压力PT会升高（4） 机械效
18、率下降时，涡轮进口温度TT会升高，涡轮进口压力PT和压气机出口压力PK会降低多台增压器工作：（1） 机械效率偏低时，涡轮进口压力PT和涡轮排气背压相同（2） 压气机效率偏低时，压气机进口压力P0和压气机出口压力PK相同2.5.2增压压力降低（1） 压气机进口温度过高，压气机进口温度T0和增压器转速n升高，柴油机转速nc降低（2） 涡轮背压过高，涡轮排气背压P2升高，增压器转速n降低（3） 增压器机械效率降低，增压器转速n降低2.5.3增压压力升高（1） 涡轮排气背压降低，涡轮排气背压P2降低，增压器转速n升高（2） 压气机进口温度降低，压气机进口温度T0和增压器转速n降低，柴油机转速nc升高2
19、.6发动机实际循环的近似计算 对实际循环作精确的计算，以便深入了解发动机工作过程中各种现象和其互相作用。实际循环的pv示功图如下：baPcPzVaVbVpVccz图1.3 实测pv示功图2.6.1换气过程 进气终点压力，进气终点温度。 根据统计数据： 四冲程增压柴油机 =（0.900.95） =310380K压气机后的增压压力。2.6.2压缩过程 在实际的发动机中，真正对工质的压缩是开始于进气阀完全关闭之时；在压缩的整个过程中，不断地和气缸壁进行着数量上和方向上不一样的热交换；工质的数量由于泄漏而变，其比热也要变。因此，实际循环过程的多变指数是变化的，这里用简化参数，即以一个指数不变的压缩过程
20、代替实际的变指数压缩过程。 令 =1.34令两个过程的起点状态参数、和终点状态参数、相同，即可以按下式求取压缩终了工质的状态参数：由 (119) 得出 (120) (121) (122) 式中 压缩比2.6.3燃烧过程 燃烧过程中气缸内压力的升高，可用压力升高比表示。一定时，（最高爆发压力，表示柴油机零件所承受的机械负荷的大小，同时对柴油机的经济性有重要的影响）提高，增加，定容燃烧的燃料增多，经济性提高。当然的提高受限于机械负荷与材料水平。 根据图2.2示功图理出z、c两点的气体状态方程：=8314() (123) (124)两式相除：令 初期膨胀比 ，一般为1.11.7。直喷式柴油机值为1.
21、152.20，预燃室式柴油机为1.251.40，非增压柴油机偏向上限值，增压柴油机偏向下限值。这里取=1.5，=1.4则 (125) (126)2.6.4膨胀过程 膨胀过程与压缩过程一样具有热交换和泄漏损失，此外，还发生后燃烧等现象。因此，膨胀过程也是一个变指数多变过程。同样以一个指数不变的多变过程代替，实际的多变指数膨胀过程。令膨胀多变指数=1.28选定值后，膨胀终点的压力和温度可从下式求出： (127) (128)式中 为后期膨胀比2.6.5 平均指示压力与有效功率的计算平均指示压力： (129) (130)平均有效压力： (131)式中 机械效率增压四冲程柴油机：为0.80.92一般取=
22、0.9平均有效功率： (132)式中 排量，L；转速，r/min。指示功率： (133)2.7发动机与增压器的匹配计算 发动机基本参数为： 缸径：D=102mm 行程：S=100mm 缸数：i=4 排量：=3.27L 额定转速：=3500r/min 最大扭矩转速：=2625r/min 额定功率：=73Kw 额定扭矩：=245Kw 增压度为3035%增压匹配计算参数与计算结果（以最大扭矩工况时为例）：表2.2匹配计算结果表名称计算结果名称计算结果功率：（Kw）67.3空气流量：（Kg/S）0.11转速：（r/min）2625压气机效率：0.8燃油消耗率：（g/Kw.h）215增压器转速：（r/m
23、in）100000最大爆发压力：（MPA）10.9932增压器压比：1.96涡轮前压力：（MPA）0.1469大气压力：（MPA）0.101325涡轮前温度：（K）880大气温度：（K）293计算开始根据柴油机型号查参数计算出各种初始值求柴油机各种性能参数输出结果判断是否为最后工况输出结果是 图1.4匹配计算流程一览图小结：匹配计算是否正确直接关系着增压的好坏程度。发动机与增压器的匹配是发动机涡轮和压气机三者之间的匹配。本文主要是发动机与压气机之间的匹配。从图1.4可以看出匹配计算的过程。从表1.2的匹配计算结果和图1.2压气机流量外特性曲线比较可以看出，通过匹配计算得到的增压器转速、增压比、空气流量和功率在压气机技术规格范围内，涡轮前的废气温度和增压后的温度也符合要求，压气机的工作效率在高效率线区域内。这些说明了选用的压气机满足要求，柴油机和压气机的匹配良好。参考文献：1 苏石川 杨宗明 发动机性能与增压.江苏科技大学机动学院2 钱耀南 船舶柴油机.大连海事出版社 19883.朱大鑫 涡轮增压与涡轮器增压.机械工业出版社 19924.曹孝谨 涡轮增压器与柴油机的匹配.国防工业出版社 19845.王新才 曾建秋 内燃机涡轮增压器原理.中国铁道出版社 1990-