柴油机与废气涡轮增压器的匹配设计毕业论文.doc

1绪论柴油机与废气涡轮增压器的匹配设计毕业论文目录摘要IABSTRACTII1 绪 论11.1选题意义11.2增压器概述11.21增压器的发展11.22增压器的分类21.2.3增压器的功用31.3论文的主要内容42柴油机与废气涡轮增压器的特性分析52.1柴油机特性分析52.2涡轮增压器特性分析72.21压气机特性分析72.2.2涡轮机的特性分析103涡轮增压器的基本结构、分类、工作原理123.1涡轮增压器的基本结构123.2涡轮增压器的分类133.3涡轮增压器工作原理164柴油机与废气涡轮增压器匹配174.1柴油机对废气涡轮增压器的基本要求174.2柴油机对废气涡轮增压器的选配原则174.3废气涡轮增压器与柴油机匹配的方法、步骤、计算公式184.3.1匹配设计的方法184.3.2匹配步骤194.3.3匹配计算195柴油机与废气涡轮增压器匹配设计295.1柴油机的选型295.2涡轮增压器的选型295.2.1涡轮增压器的初选型流程305.2.2涡轮增压器的选型结果315.2.3涡轮增压器的匹配实例335.3废气涡轮增压器附属系统简单匹配355.4柴油机与废气涡轮增压器的匹配试验37结论39参考文献41致谢42 2 柴油机与涡轮增压器的特性分析1 绪 论1.1选题意义在国内的内燃机市场一直被国外的增压器厂商所统治，随着全国生产力水平和生产技术的提高迫切需要有自己的一套柴油机与涡轮增压器的匹配流程方案，最近出现了更先进的涡轮增压技术，新的技术出现对柴油机与废气涡轮增压器匹配工作提出了更高的要求，来让柴油机发挥更大的作用。涡轮增压器的匹配目标是对各个参数通过匹配计算后，可以缩小增压器的选择方案和增压器型号，最后通过计算和实验选出最终方案，对涡轮增压器制造厂商而言，可以方便的进行选配，计算速度十分快，十分节约人工和计算机计算成本对日常生活和工业生产意义重大。1.2增压器概述1.21增压器的发展 随着科技的进步，涡轮增压技术朝着部件更少、体积更小、转速更高和压缩比更优秀的方向发展，当今涡轮增压器不断应用到实际当中，已经成为主流的发展方向。随着材料、工艺的不断发展，为柴油机的发展提供了更好的机遇。 涡轮增压器制造工艺的发展，由软件业来领导。在日常的生产中CAD/CAM、CFD对涡轮增压器的设计占了主要的部分，厂家都是先从虚拟图纸着手然后再批量生产，直到成品出现。在学生和老师的日常建模中也时常用到这些软件，它可以让人有据可依，有清晰的脑图来完成建模的过程，最后直到匹配成功，所以说CAD/CAM、CFD对涡轮增压器的影响会十分巨大。今年来可变几何涡轮得到了发展。可变几何涡轮增压系统是导叶可调涡截面的重点。这些导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭，从而增大发动机的进气压力。与以往涡轮增压器相比较，这大大提高了低转速时的响应时间和加速性能。采用可变涡轮截面技术的发动机在任意转速的范围内都高于一般涡轮增压器。在转速范围内的转速会更加节省燃油。1.22增压器的分类内燃机的增压可以分为两个大类分别是机械增压与涡轮增压，但是由于有的增压器这两种方式都有采用，所以还应该有复合增压。 （1）机械增压：发动机输出而来的曲轴的动力来带动压气机转动，压气机对空气进行压缩。近来发展了一种电机驱动耦合涡轮增压方式，当发动机低速排气能量不足时候，电机带动增压器工作；当排气能量超过涡轮增压器正常工作范围时候，涡轮带动电机发电，避免额增压器超速或者增压压力过高。 图1.1 机械增压系统（2） 排气涡轮增压：内燃机工作时候产生的气体通过导管传送到涡轮增压器压气机同涡轮同轴连接，形成涡轮增压器，压缩机驱动更多的新鲜空气进入气缸，达到增压的目的。排气涡轮增压系统由涡轮、压气机和中冷器等组成，排气涡轮增压器又可以分为脉冲系统和定压系统。 图1.2 废气涡轮增压系统 （3）复合增压就是将机械增压和涡轮增压结合起来 （4）气波增压气波增压器是上世纪50年代左右发展而来，气波增压器的结构简单，适应工况环境适应性比较好，加速性也相比上面的三种增压器要好，但是由于气波增压器的体积比其他三种增压器要大，匹配不是很方便，所以没有的到良好的应用。1.2.3增压器的功用 增压器是将空气压缩后进到气缸里，使使空气的密度提高，增强了进入气缸内的气体量，这样就能够增加循环供油量，从而提高内燃机的功率。 增压技术还表现在下面几个方面： （1）增压器体积小，尺寸小，但是可以让发动机在相同的条件下得到更多的输出功率，得到更多的输出功率，相同的排量输出更多的功率，对于柴油机来说十分的节能。 （2）气体在气缸内膨胀，可以使得排气的噪声减小，使发动机的声音降低。 （3）内燃机增压之后使在高原地方的表现和在正常地方的表现力一样，因为高原的空气稀薄，不带增压器的发动机在高原地区性能会受到影响。 （4）柴油机增压后，缸体内部的温度和压力会进一步提高。 （5）增压的柴油机的废气排放量会减少。 （6）增压的技术应用十分广泛，可以在各种柴油机中得到应用。1.3论文的主要内容 柴油机与涡轮增压器的匹配是十分必要而又重要的一部分，柴油机与涡轮增压器的匹配时，柴油机稳定、高速、效率运行的先决条件。本论文设计的主要内容是：1.柴油机特性分析；2.废气涡轮增压器特性分析；3.柴油机与废气涡轮增压器的匹配设计与计算。42柴油机与废气涡轮增压器的特性分析 2.1柴油机特性分析1.负荷特性在柴油机转速保持一定时，其稳态性能指标（有效油耗率和每小时燃油消耗量）随负荷变化而变化的规律，叫柴油机符合特性。 图2.1柴油机的负荷特性柴油机符合特性主要评价柴油机工作的经济性，在符合特性曲线中，每种转速下，最低油耗越小，柴油机经济性越好。曲线变化的幅度小，并且范围比较宽，则认为燃油经济性比较好。柴油机按符合特性运行时，转速固定不变，其充量系数可以认为是基本保持不变的。所以负荷变化时，循环的供油量变化。柴油机空转时，有效功率为0，因此有效油耗率ge为无穷大。有效油耗率随负荷增大而减小。当负荷增加到一定大小时，有效油耗率达到最小值。如果负荷持续的增加，自然用油也会多，但是空气的量不会增加，这样燃烧就不好。2. 速度特性若把油门固定在标定功率位置时得出的速度特性，为柴油机的外特性。柴油机的外特性标志着柴油机所能达到的最高动力性能。 表2.2柴油机的速度特性（1）有效转矩曲线：理论上，若不存在各种损失，则速度特性的转矩曲线应是水平线。但在实际中，柴油机工作时伴随着各种损失，且转速不同时，损失大小也不同。低速时，各循环所占的时间相对较长，散热损失与漏气损失较大，因而热效率降低，有效转矩较低；高转速时，又因为燃烧及时性差且发动机摩擦功率增大，机械效率降低，转矩也会减小。柴油机燃烧过程通常在中等转速下进展最好，因此只有在某一中间转速有效转矩达到最大。（2）有效功率曲线：在一定转速范围内，转矩与转速近乎成一次函数。最大功率和最大转矩的转速是不一样的。（3）燃油消耗率曲线：曲线是平的，以中等速度达到最小值。当转速过低时，燃烧不良，燃油消耗大一些；当转速逐渐升高时，燃烧得到改善，燃油消耗减小；但是如果速度过高，会增加油耗量。 3.万有特性 比较全面的表现柴油机的性能参数，特性曲线中经常使用多的参数特性曲线。 图2.3柴油机的万有特性2.2涡轮增压器特性分析2.21压气机特性分析根据排气在涡轮中流动方向的不相同，可以分为两大类：径流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器。一般而言大型柴油机多采用轴流式，这样会让流量比较大，效率也比较高；车用发动机一般采用径流式，以适应高转、高响应的性能要求。 以下分别对径流式压气机和涡轮机的工作特性简单介绍。 1.压气机中的能量转换 离心式压气机工作时候，空气经过压气机的进气道，以一定的初速度进入压气机的叶轮，在叶轮通道内吸收机械能，使压力和速度有较大的提高，进入到扩压器后，速度降低，压力进一步升高，在这一过程中，空气的温度也相应提高。 图2.4 离心式压气机工作过程简图 2.离心式压气机的特性 （1）压气机的喘振与堵塞：把压气机出现喘振的工作点称为喘振点，对应的流量就是喘振流量。每一速度都有喘振点，所有喘振点称为喘振线。 当压气机的工作在喘振线的右边的时候，工作稳定且效率高，而在喘振线左侧的时候，压气机工作因为喘振就会下降，并且有比较大的波动，比较严重时候会出现机器的损坏，出现了危险状况，因此不能再喘振条件下工作。喘振是叶片式压气机特有的现象，必须十分重视这种现象。 离心式压气机在大流量的时候可能发生堵塞，在小流量的时候可能发生喘振，因此在设计和匹配的时候应保证压气机的工作范围比较大，满足发动机的运转。 图2.5 压气机和涡轮机前后气体状态焓熵图 根据热力学第二定律，压气机的等熵效率可以简化为 （2）压气机的通用特性 该压缩机特征曲线的参数是低于一定量的大气条件下量取得到的，由于涡轮增压器的使用条件，使用的气候，季节的在不同的方面，在大气环境中有比较大的差异，该压缩机附近的影响的状态入口空气的，实际使用的转换所需要的参数的特定的特征，选择不是很方便的。根据气体流量，根据一个类似的参数来绘制压缩机的特性曲线的原理，该压缩机是所谓的通用特性曲线。该曲线不会受环境的变化，这将更加方便使用。 根据相似理论，马赫数相同，那么就可以认为气体的流动是相似的。对于压气机来说，不管大气环境参数怎么变化，只要按照压气机的进口处轴向气流的绝对速度，算得到马赫数，以及按工作轮叶片进口外径处的圆周速度算得到的马赫数相同 ，就满足相似准则： 式子中的是比热容比；是通用气体常数。 压气机的折合参数压气机的折合转速为； 压气机折合流量为 图2.9 压气机的通用特性曲线2.2.2涡轮机的特性分析 1.涡轮中的能量转换 和压气机反过来说，涡轮是排气的能量转化为动能，在叶轮中推动涡轮转动，效率为： 由于发动机的排气速率低，可以让涡轮的进气口处的滞止温度压力等于测量到的排气温度压力。由于涡轮的出口速度比较小，可以认为压力等于大气压力。则涡轮机所发出的功率为 式子中，称为涡轮的膨胀比为涡轮的等熵效率，大概为0.70.9。 2.涡轮机的特性曲线 涡轮机的主要工作的参数有下面这些：排气滞止参数计算的到的膨胀比，排气质量流量，涡轮效率还有转速等。当在不同条件下工作的，这些参数的涡轮机的特性之间的关系是一个涡轮的特性。 流量损失和气体流动速度有关，流体的流速越高，流动损失就越大。撞击损失和余项损失在设计工况点小，偏离设计工况时候，撞击损失和余量损失增加，偏离大，损失大。 涡轮机和压缩机的并行应用的通用特性曲线的通用特性曲线可以方便的匹配和运行的一系列分析。 图2.10 涡轮机的通用特性曲线43 3涡轮增压器的结构分类工作原理3涡轮增压器的基本结构、分类、工作原理3.1涡轮增压器的基本结构涡轮增压器实际上相当于一种空气压缩器，废气由排气管道出来驱动涡轮涡轮通过转子轴驱动压气机，压气机带动更多空气进入气缸下图详细标明了涡轮增压器的结构： 图3.1 涡轮增压器结构图 涡轮增压器的主要零部件：(1)涡轮：涡轮装置是个向心式的装置，分为混流式和径流式，涡轮装置由涡轮叶轮、涡轮隔热罩及涡轮壳组成，废气的进气口位于涡轮壳的外直径的地方。废气的流动过程为先经过涡轮进口，然后进入叶轮叶片，最后从涡轮壳的直径流出来。(2)压气机：离心式的叶轮装置，由压气机叶轮和后盖板还有压气机壳组成，进气口的位置在外直径中心部，空气在压气机内向外流的方向为先经过叶轮，带动叶轮然后从压气机的外壳直径的地方流出。(3)中间壳和转子：涡轮增压器除了涡轮和压气机然后就剩下中间壳和转子组成。中间壳的作用是用来支撑涡轮和压气机的。轴承系统是为了高速转动而设计的不能像曲轴一样去承载很多的载荷，曲轴的作用是定位两个叶轮的位置，定位是为了给其中注入润滑油，注入润滑油可以提高涡轮增压器的寿命并提高涡轮增压器的效率。3.2涡轮增压器的分类根据涡轮排气系统的流动方向可分为径向和轴向流式两大类，轴流式主要用于大型发电机组、工程机械，径流主要应用在小功率的车用发动机。1.按照柴油机的排气管对气体的利用，由可以分为恒压系统和脉冲系统，如图所示： 图3.2 废气涡轮增压的两种基本形式 （a）恒压式 （b）脉冲式 定压系统和脉冲系统的比较 （1）排气能量的利用 脉冲系统因为排气的时候对有排气节流作用，造成的能量损失会比较小，同时还有对排气脉冲能量的利用。定压没有用好脉冲能量，因为排气管过大造成脉冲损失，所以脉冲增压对排气能量的利用要好。在高压系统下，两者的差别不是十分的大，因为高压下定压系统的压力也非常高，损失会变小许多。 （2）扫气作用 在内燃机气叠开扫气时候，脉冲系统的排气管压力正处于低点，因此在部分负荷下，仍能保持足够的扫气压差，保证气缸有良好的扫气作用，让冲量系数提高，减小燃烧室的热量。但是在定压系统中，由于排气管压力波动小，扫气压力减小，不容易保证气缸内的扫气能量。 （3）内燃机的加速性能 在脉冲系统中，由于排气管的容积比较小，排气的压力温度等会很快传递到涡轮中去，使涡轮增压器快速响应，加速性能比较好。而对于定压系统来说，传递会变得十分缓慢造成了加速性差。 （4）增压器的效率 脉冲系统的热效率比较低，定压系统的热效率高。 （5）增压系统的结构 和定压系统相比，脉冲系统尺寸大，且排气管结构复杂。 2.按压比可以分为两级涡轮增压系统、补燃高增压系统 （1）二级涡轮增压空气经两个串联的压气机压气机压缩，压气机分别由两个涡轮驱动，都有空冷器，柴油机排气先经过高压级涡轮，后经过低压级涡轮，一般低压级采用定压系统，高压采用脉冲系统。 选用两级涡轮增压在技术上没有特殊的困难，但是还能获得比单级涡轮更高的增压比，从而使柴油机的功率大幅度提高，另外还具有以下优点： 让空气流量增加，对降低排温和减小油耗有很大用处。 对环境温度，压力变化不敏感。 （2）补燃高增压系统 这种增压系统又叫海帕巴增压系统。它是法国的苏拉尔莫提出的专利商标。该系统在20世纪70年代被提出。 与传统的涡轮增压器相比这种涡轮增压器的不好的地方是：变工况时柴油机流量发生变化，但是压气机的流量变化不大。这样为了防止喘振的发生，只能将匹配的工况点选在压气机效率低的地方，这样的话，低负荷和瞬态的响应就会变得比较差，但是补燃系统将每个部位组成并联的系统，攻克了串联的缺点。 因为补燃室的存在，可以燃烧，独立让涡轮增压器运行，所以在低负荷时候也有足够空气量发出大的扭矩。 根据涡轮增压器的自我调节机制可以分为，可变截面涡轮增压和带放气阀的涡轮增压器。2. 可变截面涡轮增压可变几何涡轮增压系统是导叶可调涡截面的增压器。这些导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭，从而增大发动机的进气压力。采用可变涡轮截面技术的发动机在任意转速的范围内都高于一般涡轮增压器。在转速范围内的转速会更加节省燃油。 图3.3 用转动舌片来改变涡轮进口截面因为可变截面适配的发动机工况十分全面，几乎可以适配各种工况和各种车辆。 4.带放气阀的废气涡轮增压器 带放气阀的废气涡轮增压器简称为废气放气涡轮增压器，它是在涡轮端安装发动机旁通放气阀，当进气压力超过了一定的值得大小的时候这个旁通阀就会开启，从而保证增压压力近似不发生变化。很显然，旁通放气就要损失一部分排气而产生的能量，但是对于转速范围变化很大的发动机来说这种工作方式是十分适合的。3.3涡轮增压器工作原理废气涡轮增压器的工作原理如图所示，涡轮增压器和发动机没有机械联系，是发动机经过气体带动涡轮增压器的旋转。发动机排出的废气经过排气管道排气管连接废气涡轮，如果是恒压系统那么直接连接，如果是脉冲增压系统，那么经过短而细的排气管相连接，是为了更好的利用脉冲能量，废气带动涡轮转动，涡轮和压气机连接在同一根轴上，这个轴不能承载较大的负荷，但是可以高速旋转，压气机快速转动让过多的空气进入中冷器，中冷器再进入气缸就这样周而复始的运动。涡轮增压器的直接工作原理就是发动机排出的废气的热能和动能转化为涡轮增压器的动能。 图3.4 涡轮增压发动机原理示意图 4.柴油机与废气涡轮增压器匹配4柴油机与废气涡轮增压器匹配4.1柴油机对废气涡轮增压器的基本要求 柴油机转速范围从低转速到高转速，它的负荷是从零到高的，或者到冒黑烟，要使得柴油机运行良好，必须使涡轮与压气机配合良好。这就是柴油机和涡轮增压器的配合。 涡轮增压时候它仅仅是和柴油机是气动关系，这样就对匹配造成了困难因此柴油机与废气涡轮增压器应分三个方面进行匹配：柴油机与压气机之间的要求、柴油机与涡轮之间的要求和压气机与涡轮之间的要求，要求需要做到： 1.在较高的负荷下，内燃机良好运行，省油。在部分负荷下有好的性能要求。 2.在设计的柴油机运行下，各种参数达到要求。 3.在任意的工况下都能量好运行，没有堵塞、喘振现象。 4.涡轮增压器和柴油机没有超高的燃烧压力，各种零件的热负荷在合理的范围内。没有增压器的超速现象。 5.车用涡轮增压反应的快。4.2柴油机对废气涡轮增压器的选配原则 柴油机对涡轮增压器的选配原则为： （1）让运行的工况大部分在效率高的地方，运行的时候最低的效率. （2）喘振裕度式中为低速时候的流量， 为压气机的喘振流量。 （3）在高原地区运行的时候要求柴油机的超速余量 （4）压气机没有堵塞现象。（5）柴油机的压缩比与膨胀比在正常的范围内，涡轮的排气温度在正常范围之内（6）使功率性指标和经济性指标达到要求。涡轮增压器与柴油机的匹配不能达到上面所说的原则，就说明匹配不合适。如果压气机的流量小一点在较高工况运行的时候容易使得压气机超速。如果压气机的流量过大，柴油机在中速和低速情况运行时候容易出现喘振的现象。4.3废气涡轮增压器与柴油机匹配的方法、步骤、计算公式4.3.1匹配设计的方法 柴油机与涡轮增压系统的选配有许多的方法可以进行下面就是一些常用的匹配方法：1.参数模型法：利用数学思想，能够抽象简化的建立近似的可以解决实际问题的模型，然后计算或者估算出结果。2.查表法：在大量统计国内外同类型柴油机的匹配参数基础上，选取合适的所需参数和结构基本尺寸，再进行必要的匹配计算后确定。3.按标准选定法：从现有国家标准、企业有关柴油系列标准规定范围内的成熟机型进行选用。4.分析计算法：按拟定的结构匹配方案，从理论或实验数据基础上分析计算确定配套机型的参数值。5.比拟法：也叫类比法。即以同类配套基本机型作为参照机型，其各种参数与主参数有一定关系，且结构、工作条件相近，应用相思理论进行参数的换算，从而确定所配套设计机型基本参数。本次匹配设计主要是基于发动机平均参数模型的思想，利用计算，建立发动机、涡轮增压器、空滤器消音器还有中冷器的模型，最后以实际的例子来进行匹配计算，参数模型法的好处是可以直观的将柴油机与涡轮增压器的各个部分直观的分离开来然后进行计算与匹配。4.3.2匹配步骤 1.柴油机制造厂提出来要求：产品的用途、种类等，并得到涡轮增压器的基本参数和安装的要求。 2.涡轮机制造厂根据柴油机厂提出的要求，来对涡轮增压器选型。 3.双方厂商相互讨论并且签订合同。 4.涡轮增压器制造企业根据试制技术协议书，进行涡轮增压器的总体方案设计。如有重大性能开发或者结构的重大改变，则需通过性能开发试验或可靠性试验。 5.提出一个绘图技术设计的零件展开总体方案，技术，标准和其他部门的审查后的原型试制。 6性能测试，可靠性测试，原型为出厂试验，结果应达到的技术协议的要求，并符合废气涡轮增压器的标准的有关规定。 7.提供与涡轮增压器的原型试验，并与标准柴油机相关的测试和典型用户测试依据。 8.由需求方把测试的结果反馈给供应商，供应商根据反馈问题，改进问题，提出解决方案。 9.改进后的涡轮增压器经小批量生产验证，投入批量生产并供货。4.3.3匹配计算 柴油机的相互关系图其中包括（柴油机、进气管、排气管、压气机、涡轮、消音器、空滤器、中冷器）。 图4.1给了柴油机的和涡轮增压器的相互关系图 整个计算采用的平均参数模型思想。将柴油机和废气涡轮增压器分成发动机压比和流量计算、发动机排温计算、涡轮增压器各参数计算、排气消音器和空滤器模型计算、中冷器模型计算。其中详细计算了单机涡轮增压器，废气放气增压器和脉冲式涡轮增压器各参数的计算1.发动机模型计算根据内燃机的容积效率的计算公式可以推导得出发动机的等转速耗气特性线的计算表达式： （4.1）式中 增压压比n_柴油机转速Vs_柴油机排量，r/min;Rg_气体的常数；Ts_进气温度，K;_冲程系数；-容积效率；扫气系数。如图所示发动机转速不变的时候增压比和流量近似的成正比。 图4.2 增压发动机的等转速耗气特性及运行线， kg/s; （4.2） 式子中， 是发动机的空气流量， kg/s， 有效燃油效率 Ne_有效功率，KW; _过量空气系数； 燃油化学计量空燃比。 压气机的空气流量计算 式子中 z柴油机用到的涡轮增压器的个数发动机外特性上的燃油消耗率，过量空气系数，容积效率等随着发动机的转速有一定的关系，如果没有给出而计算中需要这些可以根据经验公式通过下图描点算出来如图所示： 图4.3 发动机性能参数经验值 2.发动机的排气温度计算 发动机排气温度计算模型是用来求出涡轮前的偏器温度，用来进行下面的涡轮与压气机的匹配计算: 图4.4 理论示功图 排气温度是排气内能大小的标志。由于受涡轮叶片强度的限制，故排气温度一般。 涡轮前排气温度可以根据理论施工图或者柴油机的热平衡方法计算得到。这里按照理论施工图方法来确定的值，这是根据图论结构决定的，它是假定在排气管中流动的气体的动能转换成热不考虑向外辐射，在排气过程中的b_d恒容热，在定压过程d_e中又全部加给了排气，则可以得到： 令 因为和是在不同温度和不同压力下的比定压热容和比定容热容，所以两者之比不是等熵指数则 对于b_d定容过程， 对于d_e等压过程， 则将上式带入表达式中，可得 式中，_e点温度，是纯燃气温度。柴油机扫气过程中，有温度为的扫气空气与之掺混，使排气温度降低为 （4.3）值与排气管的冷却情况，以及后燃现象等有关，一般的值=1.261.32。 3.涡轮增压器模型计算涡轮增压器模型通过涡轮与压气机之间的平衡关系，采用热力学和动力学分别算出涡轮和压气机的各个参数。以车用柴油机为例，车用柴油机一般采用的涡轮增压器是离心式压气机和径流式涡轮。计算的要点就是两个平衡一个相等，涡轮与压气机的流量和能量平衡，转速相等。 图4.5 废气涡轮增压器的计算简图（1） 涡轮和压气机的能量平衡 （4.4）式中：涡轮转子传给轴的功率； 压气机消耗的功率； 涡轮增压器的机械效率。在串联式的涡轮增压柴油机系统中，涡轮和压气机的流量是平衡的，只是在燃气流量中增加了燃油消耗量。在一台柴油机匹配一个涡轮增压器时候， （2）涡轮与压气机的流量平衡 （4.5） 式子中是涡轮的质量流量，kg； 压气机的流量，kg； 相应的燃油流量，kg.。 （3）涡轮与压气机的转速相等 （4.6）式子中: _涡轮的转速，r/min； _压气机的转速，r/min； _涡轮增压器的转速， r/min； （4）涡轮特性参数的计算废气涡轮增压器的主要计算是算出涡轮的输出功径流涡轮的输出功率可以用下式计算 （4.7）式子中：涡轮效率； 涡轮背压。MPa； 涡轮入口压力； 涡轮能量扩大系数。 （5）压气机的特性参数计算 压气机的工作状况可以由四个参数来确定；压气机转速，压气机的空气流量，压气机进口压力，压气机出口温度。压气机的折合转速为； (4.8)压气机折合流量 （4.9）出口温度为 （4.10）式中；为冷却系数因为压气机还不停向外散热，=1.041.1， 4.脉冲涡轮系数的计算 现在发动机中广泛采用的是脉冲涡轮废气增压，包括脉冲系统，脉冲转换系统, mpc等排气系统，分别如图所示： 图4.6 排气增压系统的基本形式 （1）脉冲涡轮效率（脉冲作用效率）脉冲涡轮效率定义为 （4.11）式中一个脉冲波内涡轮轴上输出的能量；一个脉冲波所包含的可用能量。令为一个脉冲波的时间（曲轴转角）则 故 因为在设计时候没有压力波、温度波等曲线，所以难于按式求出。一般采用半径验证方法加以确定，即 （4.12）式中，定压涡轮效率，一般=0.700.80；涡轮效率修正系数。(2)涡轮出口燃气温度 所以 （4.13） 式中，涡轮前燃气平均温度。 5.中冷器模型计算 中冷器的作用是为了降低进气温度，由于中冷器不是本次匹配设计的重点内容因此采用简化计算方法来求出出口温度，即为发动机进气管的温度。 图4.7 中冷器的能量转化图 （4.14）式中_压气机的出口温度 中冷器的介质的温度 中冷器效率 7.各种涡轮增压系统的匹配计算（1）一般单级涡轮增压的匹配一般单级涡轮增压系统与发动机有两种配合状态：如果高速配合，那么低速转矩性能比较差，如果低速配合，那么高速时出现增压过高以及增压器超速的现象。一般单级增压选配的原则是匹配点在标定转速和最大转矩转速之间。设计的转速点根据经验公式的到：至于0.60.8的选取，应该根据发动机设计要求去确定，若注重转矩特性，则应低速配合。（2）废气放气涡轮增压的匹配这种带旁通放气阀的增压器，用等效涡轮的方法来进行计算。 （4.15） （4.16）式中废气放气量 等效涡轮的效率 带废气放气涡轮增压器匹配发动机的原则可以归纳：匹配的工况在柴油机最大转矩的地方。在匹配的工况点下达到规定的压力，使柴油机的性能达到要求。 结论 5柴油机与废气涡轮增压器匹配设计5.1柴油机的选型 以东风康明斯c245 33型柴油机为例进行涡轮增压的匹配计算。 东风康明斯c245 33型柴油机有着许多的优点: （1）动力比较强劲，起步、爬坡，加速都比一般柴油机要好。 （2）可靠性比较好，超过一般产品30%。 （3)保养维修费用低。 （4)冷启动性能好，经过最低温度的考验。 （5)满足国二排放标准。 康明斯c245 33需要的发动机的基本信息如图所示。 表5.1 c245 33康明斯输入的参数表 参数 标定工况 最大转矩工况 低转速工况 排量（L） 8.3 8.3 8.3 转速（r/min） 2200 1400 800 功率（kw） 180 134 49燃油消耗率kg/(kw h) 0.227 0.208 0.224 进气温度（k） 293 293 293进气压力 101 101 1015.2涡轮增压器的选型 涡轮增压器的选型决定着与柴油机的匹配是否合适，好的选型有如下优点： 1.在较高的负荷下，内燃机良好运行，省油。在部分负荷下有好的性能要求。 2.在设计的柴油机运行下，各种参数达到要求。 3.在任意的工况下都能良好运行，没有堵塞、喘振现象。 4.涡轮增压器和柴油机没有超高的燃烧压力，各种零件的热负荷在合理的范围内。没有增压器的超速现象。5.2.1涡轮增压器的初选型流程 因为不同用途的发动机所需要的性能要求不一样，可以先把柴油机根据用途来进行分类选配，要求达到的是涡轮增压器的增压方式和柴油机所需要的性能要求相匹配：（1） 根据柴油机的用途和功用初选出涡轮增压系统形式。 表5.2初选图 (2)估算压比和流量的范围，依次进行选用和排除。（3）根据上表制作了一个初选流程图，根据图示来选配涡轮增压器。输入发动机用途，总体性能 图5.1初选流程选则增压形式顺序增压可变涡轮增压普通/放气估算增压压比流量 涡轮流量超出调节范围放气量20%压比大于4？若小于4，单级增压若大于4，两级增压 增压系统形式确定 5.2.2涡轮增压器的选型结果 康明斯发动机C系类主要应用与卡车和客车之中根据康明斯C的最大扭矩为1025N.m排量为8.3L算得扭矩密度为123.4N.m/L在废气放气涡轮增压的扭矩密度范围之内，估算压比为2.2，废气的放气量小于20%，应该采用废气放气型涡轮增压器进行匹配。 采用脉冲式涡轮增压器，因为脉冲式的涡轮增压器的加速性能较好低速扭矩特性较好而定压式的涡轮增压器没有这些优点所以选用脉冲形式进行匹配。 采用径流式涡轮增压器，因为在对于小流量下的涡轮增压器径流式比轴流式效率要高，叶片数比较少，结构相对来说比较简单，可以达到较高的转速，这些优点在小流量下比轴流式更加有优势。 匹配参数计算： （1）增压比 在标定工况 因为所以带入数据压比为2.25 在最大转矩工况为=2.043 在低速工况为=1.210 (2)空气流量 在标准工况时候=kg/s 在最大扭矩工况时候=0.2011kg/s 在低转速工况时候=0.070kg/s (3)压气机出口温度 在标准工况时候 =416.4K 在最大扭矩工况时候387.5k 在低转速工况时候=325.6K （4）发动机进气管温度 在标准工况下 =327.7 在最大扭矩工况下=318.6K 在低转速工况下=302.4K （5） 涡轮前废气温度 在标准工况下=293+0.26 366+0.26/(1+29)=902.2k 在最大扭矩工况下=876.7k 在低转速工况下=807.3k (6)压气机折合流量 在标准工况下 =0.345kg/s 在最大扭矩工况下=0.213kg/s 在低速工况下=0.06kg/s （7）涡轮的折合流量=0.336+0.020.184=0.172kg/s 在最大扭矩扭矩工况下=0.178kg/s 在低速工况下=0。112kg/s 根据第四章和上述的输出的计算输出的主要结果如下图所示: 2200r/min为标定工况 1400r/min为最大转矩工况 800r/min为低转速工况 表5.2 匹配计算输出的主要结果 转速 2200 1400 800 计算公式 空气流量 0.3362 0.2011 0.070 公式4.2压气机入口压力（kpa） 107 98 100.6 增压压比 2.25 2.043 1.210 公式4.1压气机出口温度（k） 426.3 387.3 325.6压气机出口压力（kpa） 230.4 208.5 122.7 发动机进气管温度（k） 327.7 318.6 302.4公式3.14涡轮前废气温度 902.2 876.7 807.3公式4.3涡轮膨胀比 2.27 1.92 1.14公式4.7压气机折合流量（kg/s） 0.345 0.213 0.06公式4.9涡轮折合流量（kg/s） 0.172 0.178 0.112公式4.15 表5.3 经验公式和默认值参数表 转速 2200 1400 800 备注容积效率% 94 95 89.3经验公式图4.3扫气系数 1 1 1 默认值空燃比 29 24 21.5经验公式图4.3空滤器压降（kpa） 6.4 2.5 0.8经验公式图4.8增压器效率% 74 75 71假定涡轮效率% 67 68 65假定冷却介质温度（K） 298 298 298默认值 5.2.3涡轮增压器的匹配实例 下面是找到的BTP4涡轮增压器的压气机特性曲线图和涡轮机的特性曲线图根据上面算出的结果在下图中进行描点。 表5.4 涡轮增压器特性参数转速 2100 1400 800 增压压比 2.25 2.043 1.210压气机折合流量（kg/s） 0.345 0.213 0.06 图5.2 压气机的特性曲线图的原图 将上图进行描点获得如下图线 折合流量kg/s 图5.3 压气机的通用特性曲线 将图5.3中所算得的压气机折合流量和压比在发动机标准工况下、最大转矩工况下、低转速工况下的折合流量和压比在上面的特性曲线图中进行描点得到下图（1点为最大工况、2为标定工况、3为低速工况） 图5.4 压气机与发动机配合特性曲线图 可以看出整个外特性曲线柴油机都远离了压气机的堵塞区域和喘振线，发动机的最大转矩在最高效的区域，所以说此涡轮增压器与柴油机匹配良好。5.3废气涡轮增压器附属系统简单匹配 1.中冷器的匹配：中冷器是为了让进气温度降低的装置他有利于提高燃油的经济性能，利于废气的排出过程。是很好的辅助装置，是匹配工作中不可或缺的部分 图5.5 中冷器的能量转化图 中冷器冷却后的温度在标准工况下= =327.7k，在最大扭矩工况下为318.6k在低转速工况下为302.4k在各种工况下冷却温度比较良好，在发动机进气的温度范围内，满足要求。 上式中_压气机的出口温度 中冷器的介质的温度 中冷器效率 (2)空滤器和消音器的匹配 空滤器安装在压气机一侧，消音器安装在涡轮端，空滤器主要负责清除空气中的微粒杂质的装置，消音器是为了让声音变小，来吸收噪声，降低噪音。在匹配过程中，它们可以视为节流原件，气体通过它们后的压力损失采用经验公式来计算： 折合流量kgs.sqrt(k)/MPa 图5.6 空滤器的压降 折合流量kgs.sqrt(k)/MPa 图5.7 排气消音器的压力损失 上述康明斯发动机匹配排气消音器的压降在标准工况为10.1kpa,最大转矩工况为4.1kpa，低转速工况为1.2kpa，空滤器的压降为在标准工况时为6.4kpa,最大转矩工况为2.5kpa,低速工况为0.8kpa。5.4柴油机与废气涡轮增压器的匹配试验 实验在实验平台上进行。 试验的柴油机与废气涡轮增压器匹配的工况点分别是柴油机转速2200r/min、1400r/min 800r/min,下进行在测试的过程中，同时要记录柴油机的消耗量、扭矩、功率和气门的位置，发动机由高速到低速运行，每个工况稳定