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涡轮增压设计对汽油机性能的影响Theodosios Korakianitis（James Watt教授，机械工程学院，格拉斯哥大学，格拉斯哥G12 8QQ苏格兰 e-mail: t.alexandermech.gla.ac.uk）T. Sadoi(内燃机设计部门，三菱汽车公司，东京，日本)摘要：一份给定的内燃机的涡轮增压器规格说明书通常包含给与活塞式内燃机匹配的表现性能。在对合适的增压比、质量流量及内燃机质量流量、动力表现做出综合的理论性的考虑后，设计师们才能想方设法追求一系列潜在的内燃机增压器匹配性设计。最后，在各种候选增压器做出最终抉择就要通过测试了。在这篇论文中，我们应用两个恒流实验匹配三个汽车增压中冷汽油机上的不同增压器。第一个实验测量这三个增压器的压缩机和涡轮稳流性能。第二个实验用于测量各个增压器的稳流设计点和非设计点性能。从这些测量结果可以得到设计点和非设计点在整个热力循环过程中的性能，这就可以判定不同种类的内燃机协定需匹配何种增压器。简介无论它们是以两冲程还是四冲程的热力循环运行,无论它们是自然进气式还是增压中冷式,无论他们是燃汽油,柴油还是其它燃料,活塞式内燃机可以在很大的最小和最大速度、功率幅度下运转。内燃机的燃料图(如图1所示)显示了在功率-速度图或转矩-速度图上的热效率轮廓，在这张图上我们可以找出最小和最大速度,最小最大功,极限负荷和极限增压比以及一些其它的运行极限.不同的内燃机性能指标(效率,转矩,马力)都可以优化到最优值,比如喷射,进气正时,歧管调整等等,在一定幅度速度和马力范围内,发动机的运行职责指示了这些指标在发动机速度-功图上的位置.涡轮机的性能高度决定于气体从所有的(叶栅和其它)入口及出口通道的角度,而且因此会在一个很小运行范围角度下呈现出高性能.代表性地,涡轮运行轴的转速要比活塞式发动机高一个数量级,因此涡轮比活塞式发动机质量流量比例要小。图1.发动机热力流动示意图(左)发动机燃料匹配图(中)压缩机图(右) 汽油机和柴油机传送的制动能量W是被流通于内燃机运行循环系统中的空气质量比m决定的.这个质量流量比m正比于p,即充许进入活塞式内燃机气缸中的进气密度。 公式当中的（F/A）是指工作状态下的燃空比。一般来说自然吸气式发动机的体积效率约为 0.85，然而涡轮增压式发动机一般在0.95-1.1之间，取决于发动机所采取相应的技术（对于两冲程发动机来说V是指扫气泵的扫气量）。 在柴油机某一转速下，负荷是由改变喷入气缸的燃料（F）的数量来控制的。在汽油机中这样的调节方法会使效率下降，在汽油机中某一特定转速下负荷是通过在进气歧管中调节进气量来控制的，从而可以减少进入气缸中的气体的压力和密度。燃料喷射式汽油机同样可以改变喷油定时和喷入燃料的量，而缸内直喷式汽油机通过在进气歧管口处注入到发动机中可以增加容积效率，因为燃气占了进气的部分容积。 在自然吸气式发动机中，Pa,i是由进入气缸中的温度和压力决定的。在各种机械增压和涡轮增压方案中，密度可以通过压缩器增加（通常伴有中冷器）。在机械增压中，压缩机是由发动机通过机械方式驱动的。在涡轮增压中，压缩器是由排气燃气轮机驱动的。德国的R.狄塞尔已于1986年介绍了涡轮增压技术的基本思想（只晚于第一次成功提出奥托循环18年）。在本世纪初，D.克拉克（英国，1901）和A.拉托、L.雷诺（法国）秘诀了机械增压设备。A.波希（瑞士， 1905）获得了柴油发动机涡轮增压研究的专利。A.拉托最先于1917年开发了汽油机涡轮增压技术。起初，涡轮发动机只被用于赛车用发动机。1954年左右，美国通用汽车公司开发了第一台用于乘用汽车发动机的涡轮增压器。 机械增压驱动器直接与发动机转速耦合，而且这种方式下的增压器能根据发动机速度及质量流量快速改变。涡轮增压的驱动器（涡轮）是间接（气动热力学）响应发动机速度的，而且它们的压缩器对发动机的速度、质量流量的反应也较慢，有一种情况就是“涡轮增压器滞后”现象。通过减少涡轮增压器转动惯量可以改进装置，并且有时会使用两个（或更多）相同的小一点的涡轮增压器，不过不会以一个比一个大的形式布置（偶尔是两个涡轮增压器，有时在他们之间会有一个中冷器，这一系列装置用于进一步提高进气压力，特别是在一些船用发动机中）。温特伯和加（1991）2从多项式衍生出了传递函数模型，这些多项式必须匹配从实验数据评价出来的系数，并且用从其它传递函数模型得来的系数来评价柴油发动机对瞬变的反应。发动机和涡轮机组不能够很好地自然配合，因此增压器跟活塞式发动机的配合必须经过认真的规划和调试。增压器的几何形状必须小心选择，这样才能够保证在工作周期或者发动机流动性能下，压缩机的出口和涡轮机的入口以及进排气管处，增压器的速度范围和流动性能跟活塞式发动机相匹配。很显然，涡轮增压器只能与活塞式发动机很窄的转速和功率范围相匹配，因此增压器的质量流量和压缩率范围要与大功率下发动机的性能及职责相匹配。发动机工作在大范围的转速和功率下时，必须要做一个合理的折衷。比如说，汽车发动机有时要配合排气门，因此发动机很少工作在高转速和大质量流量下。有一部分废气流进涡轮机，这样涡轮增压机才能够更好的与发动机经常运转的低转速和小功率工况匹配。涡轮增压器匹配压缩机进口的总压p1小于大气压力（流动摩擦损失），总的温度T1大约与大气温度相同（图1）。根据推进压力p2可以估计发动机的功率输出（对于车用柴油机p2可达1.8个大气压，而对于船用柴油机则可达34个大气压力），它服从热量和机械应力规律。涡轮增压器的总效率用理想的气体模型来估计，而压缩出口的温度则通常用计算求得。（5）中冷器出口处的空气总压力P略小于p2。相应的空气温度和密度可以从在Eq里面的中冷器的效率估计出其近似值。（8）式忽略了中冷器的压力降。中冷器出口处的静止密度P是根据i点的总体条件和流动面积计算得的。涡轮增压器的基础尺寸由发动机所需求的空气量来决定，与Eq有关（3）（容积效率由之前的经验值来估算）。以上的计算在设计工况下用适当的p1 和 T1初始值可以重复几次（比如最大功率点、标定转速和功率点、空转点等）。如果发动机以恒定转速运行但是负荷递增，那么质量流量率将会随着负荷密度或者压缩率的递增相应成比例地递增（Eqs.（3）和（8）。这些发动机的恒速线Ne如涡轮增压器的脉谱图图1中的虚线所示。其斜率随着中冷器的效率下降而减小（Eq.（8）。发动机低转速线在激增线附近，高转速线在大质量流量线上。发动机的负载线也密集地展示在图1上，同时高负荷线出现在压缩机的高压缩率下。 我们现在可以根据压缩机制造商提供的特性图（可从稳流测试获得）以及通过跟发动机燃料图谱（图1所示）比较，来选择合适的涡轮增压机。涡轮增压器压缩机脉谱图是用来确定最小空气流量、连续运转的限制和最小压缩效率的。显然，用典型发动机燃料脉谱图和压缩机特性图凭借经验估算输出线是必要的。当排气门或者气缸阀口第一次开启的时候，气体形成一个快速压力减少进入排气系统的脉动 7-9。用脉冲给（发动机）增压的脉冲组织形成两个或三个气缸，并且从正时进气阀流出或者开启阀口，以避免排气逆流流经进气门。这些脉冲在涡轮机的涡壳内定向。在涡轮机进气口多变的工况下使脉冲充气效率低于恒压效率；然而，脉冲补偿低温废气充气，这有利于在低负载情况。在恒压增压时从所有气缸中进入的废气进入一个有限恢复脉冲压力的普通歧管。涡轮机提供恒定的压力能更有效地运作并且拥有高输出，而脉冲充气轮机更能适应变引擎输出（没有涡轮迟滞）。在上世纪70年代就可以控制船用发动机的脉冲，但随着平均有效压力（ bmep ）的增加，预示着可以实现恒压增压。尽管脉冲和稳态流操作有实际差别，但传统的性能图是还是从稳态流操作中获得的，而且用他们来对涡轮与发动机做匹配。压缩机轮廓将选定以便能留有足够的溢出空间。然后，水轮机蜗壳可以用来改变有效的涡轮区域，从而改变了涡轮机可用能量，因而改变压缩机的压力。虽然所有这一切都可以计算出，最后匹配发动机的涡轮增压器还需在试验台上进行。（比如，发动机喷油定时和持续时间，各工况下的涡轮增压器的选择）涡轮增压器几何形状在类似上述情况下， Garrett结合几种不类型的压缩机和涡轮机的轮叶，扩散器和涡螺的涡轮增压器安装到三菱4G63发动机上。这是一个（ 1.997 ）2升同轴4缸涡轮增压中冷器，压缩比8.5:1,顶置式双凸轮轴四冲程汽油发动机，向其中中注入燃料。从1994年以来，这种发动机已经被用于三菱的Eclipse车中。这种涡轮增压器和压缩机的性能用了三个涡轮增压器，MT-9，MT-13 和MT-15进行了相应的发动机性能测试，如图2所示。压缩机“trim”越高和越高，涡轮速度越大。通过涡轮的质量流量率在发动机运行时是由废气排出口限制的，为了能大幅度转速下优化涡轮增压器性能。图2 压缩机和涡轮几何形状涡轮增压器的测试在涡轮增压器试验台第一次测量了稳流试验独立压缩机和涡轮机的性能。涡轮机（切断废气排出口，相当于全质量流量）在稳流状况下，由实验室的大型拧紧压缩机提供的干燥压缩空气驱动。涡轮入口有个阀门用来控制涡轮质量流量率。通过这个控制阀门空气进入一个大水槽，一个过滤器，一个压力调节器，和涡轮入口的扩散器。涡轮出口排气到大气中去。压缩器入口接收从大气中进入的空气。压缩机出口流经一套矫直机，经过测量点，进入到一个4公升体积的圆柱槽，从这个圆柱槽出来后，经过一个用于控制压缩器传送压力和质量流量率的控制阀门。压缩器的退耦、涡轮的质量流量率以及压力比导致比结合发动机的涡轮增压器得到的性能图有更宽的运行范围。涡轮增压器由一个外部的泵从一个四加仑的油槽提供再循环润滑油。固定在每个涡轮增压器上轴叶上的合金螺母由磁化螺母代替。安装在铝合金压缩器入口的磁化螺母亲激活一个感应铜线圈，线圈输出压力的频率通过一个示波器用来测量涡轮增压器速度。通过流体矫直机后，压缩器出口及涡轮入口、出口的总压力，静压力以及总温度通过压力传感器、热电偶来测量（压缩器入口的总状况为周围的实验状况）。热电偶用ANSI编码J类型，正极为铁，负极为铜-镍合金，并用标准化的273-373K标准。压力传感器为库利特ITQ-1000系列，并且它们用重力校准仪器校准过。为了得到平均速率和质量流量，并且因而得到总的及静的压力，圆周速度分布图在各位置和各流动状态下均要测量，并且用来导出平缓行驶下的区域平均速度。这些属性用来导出质量流量率，压力比，压缩机和涡轮功率。这些数据将被放大并输送给计算机数据采集系统（Labtech）在每大约十个涡轮机进气阀位置的设定，测量点取自从阀门开启直到不完全关闭的位置中几个（约十个）压缩机排气阀设置，这样，不断改变压缩机质量流动率和速度。每个测量点来源于至少在从平均值中标准偏差的50%之内的十个测量的统计学的平均值。图3、4和5分别显示了测量稳定流动压缩机和涡轮机性能图。压力比对修正的质量流量比的压缩机性能图显示：沸腾区（S）；涡轮压缩机速度线Nc=Nf；总对总的等熵线（实线）和多变（虚线和点划线）效率线。压缩机性能图还显示活塞-发动机每分钟转速Ne和宽口油门操作（WOT），由发动机涡轮增压器的第二套测试衡量。涡轮性能图表现了特定的功率与质量流量比，并说明了下列一些线：涡轮压缩机速度Nl（几乎垂直）；涡轮机总对总的压力比（几乎水平）；总对总的等熵线（实线）和多变（虚线和点划线）效率线。图3 MT-9涡轮增压器的压缩机和涡轮测量性能图4 MT-13涡轮增压器的压缩机和涡轮测量性能图5 MT-15涡轮增压器的压缩机和涡轮测量性能汽油发动机试验 在第二套稳定流动测试中，每个涡轮增压器均被安装在4G63发动机上。相应的发动机性能图用Dynamatic涡流测功机测量。通过Digalog系列1000A控制器，热力涡流测功机被用来控制发动机的扭矩或速度。发动机冷却液风扇已经被淘汰，而通过水对水的管壳式换热器对发动机进行冷却。这种换热器能保持发动机冷却液温度在353和368K之间。中冷器也可以用水冷却，使整个发动机试验中它的效率仍保持在60%到65%之间。该直喷式发动机的性能用发动机的电子控制单元（ECU）和它的内存监视来测量。发动机的功率输出随着一系列运行速度成系统地变化。在每个运行状态（发动机转速和扭矩由底盘式功率控制器测量），燃油消耗由喷油器开启时间来测量。除了这些测量，空气流动速度和水温亦被记录。在从2000rpm到5000rpm之间每300-500rpm打开节流阀时，取扭矩的100%,80%, 60%, 40%, 和20%（或者更多）作为测量点。在每个测量点，这些数据在5秒内增多了15到20倍。此外，每个测量点取自至少在从平均值中标准偏差的50%之内的十个测量的统计学的平均值。图6显示了每三个涡轮增压器相应的发动机燃油图。除了发动机测量，温度、压力传感器和被用在涡轮增压器试验的热电偶现在已经安装在发动机压缩机管道上，并且质量流动速度、压力比和压缩机效率已经计算出来。压缩机图3、4和5显示了相应的发动机运行速度。在高效率区域，涡轮废气阀门限制了压缩机的运行范围。Sadoi给出了更详细的实验10.图6 测量的发动机燃料图：左MT-9;中MT-13;右M-15除了发动机测量，用于涡轮增压器测量的温度和压力传感器以及热电偶现在安装在发动机压缩机管道上，这样质量流量率，压缩比以及压缩机效率就得到了测量。相应的内燃机运行速度在压缩机图3、4、5上表示出来了，当接近高效状态时，涡轮废气排出口会对压缩机的运行幅度进行限制。Sadoi提出了实验的更多细节10。结果讨论借助上述测试结果我们就可以讨论涡轮增压器设计对非设计工况循环性能的影响。 相同压缩比和涡轮增压器速度下，压缩器质量流量比的大小关系是：MT-9_MT-13_MT-15。比如，=1.6, =100,000rpm时，三种型号的压缩器的质量流量比为MT-9=0.06 kg/s; MT-13=0.075 kg/s; MT-15=0.118 kg/s。 相同涡轮增压器速度及相同压缩效率下的压缩器质量流量率的关系仍然是MT-9MT-13MT-15。比如，当=100,000rpm, =0.65时，三种增压器的质量流量率分别为：MT-9=0.115 kg/s; MT-13=0.123 kg/s; MT-15=0.148 kg/s。 MT-9和MT-13的喘振线几乎在同一位置，但MT-15的喘振线在一个高质量流量率上。因此，在一个低质量流量率下（低发动机速度）很难对MT-15做进一步增压。 在宽节气门下最大加速度发生在汽车齿轮2500-6000rpm转速下。这个范围内在最大节气门下MT-13压缩器效率最高。最大节气门时MT-9运行在最大效率点的右边（最大效率发生在更低质量流量率时）。最大节气门时MT-15运行在最大效率点的左边（最大效率发生在更高质量流量率时）。在2000-2500rpm（美国高速路合法速度）时，MT-9在压缩器喘振附近运行。因此，MT-13在最大加速度时是最好的压缩器。最高压缩器效率范围分别是：MT-9=0.0650.100 kg/s; MT-13=0.0750.11 kg/s; and MT-15=0.100.14kg/s。低质量流量率下MT-9压缩器效率最高（低发动机速度下最好）。高质量流量率下MT-15压缩器效率最高（高发动机速度，良好行驶状况下最好）。相同压缩比和焓降下涡轮质量比的关系为：MT-9MT-13MT-15。比如，=1.8，=100，000rpm时，三种压缩器的质量流量率分别为：MT-9=0.098 kg/s; MT-13=0.093 kg/s; MT-15=0.089 kg/s。涡轮效率随着涡轮质量流量率增加而增加。 MT-15的涡轮最小，所以在最低质量率下它能提供一个给定压力比。MT-9是高发动机速度下最好的涡轮，MT-15是低发动机速度下最好的涡轮。MT-13是综合性能表现最好的涡轮。 图6，7的发动机性能图与压缩机性能图上的发动机速度线的观察相一致。拥有MT-13的发动机在中转速及功率下能给出大范围平稳的热效率，和综合起来比较最好的各速度下的最大功率和最大扭矩。对比MT-13的内燃机性能，综合分析MT-9最高热效率（32）的范围更窄，速度更低，功率更高;MT-15的最高热效率范围更窄，速度更高，功率更低。配备MT-13的发动机拥有更好的扭矩和功率曲线（图7），尤其是在2500-6000rpm转速范围内。MT-9在低发动机转速下的扭矩更好（3000rpm以下），但转速高于3000rpm时扭矩开始减小，而且在5000rpm转速下时，MT-9在三个涡轮增压器中功率最差。MT-15的扭矩在通常运转范围内都是最差的，但在4500rpm以上时开始增加。 在美国，2000rpm的发动机转速通常是高速公路速度。在2000发动机转速下的曲线与喘振线（MT-13）相隔最远，那么这个涡轮增压器是三个之中最适合的。通常，发动机在较低负荷和低速下运转，这时，MT-13的燃油图热效率（大范围内的平稳热效率）可以超过28%。图7 发动机功率扭矩图结论 三个涡轮增压器的测量的所有稳流设计工况及非设计工况的热力循环（内燃机）性能非常接近，所以不可能通过计算就轻松的得到三者的不同。理论上的涡轮增压器匹配对接近某个涡轮增压器框架的模糊范围是有用的，但是最终的测试必须通过调查不同涡轮增压器在各个设计工况及非设计工况的气缸内燃机循环范围。 不同的涡轮增压器只对不同运行类型的发动机有利。 涡轮增压器的性能由压缩器和涡轮的规格一同决定，而且涡轮对发动机的匹配不如压缩器灵敏。致谢 T. Sadoi依靠三菱汽车公司的帮助完成了SM论文，Mitsubishi Motor公司捐赠了测试发动机以及三个试验涡轮增压器。我们感谢三菱汽车公司内燃机计公司的总经理Akira Kijima先生，他损赠了发动机并且在该项目上给予的非常实用的意见。我们同样要感谢我们的合作伙伴F. Pekar, M. Lee及Allied Signal有限公司的K. Chong。术语(A/F)= air-fuel ratio空燃比Bmep=brake mean effective pressure平均有效压力Cp= isobaric specific heat capacity等熵有效热容(F/A)=1/(A/F), fuel-air ratio燃空比LHVF= lower heating value of fuel燃料低热值m, = mass, mass-flow rate质量，质量流量率N =shaft speed, rev/sec曲轴速度Nc=2, 1 =four-stroke, two-stroke cycle constant四冲程，两冲程循环常数p =pressure压力R =universal gas constant/molecular weight大气压力常数r=pressure ratio压力比T =temperature温度Vd =engine displaced volume内燃机排量W, =work, power功，功率 =corrected pressure, p/p0 修正压力 = intercooler effectiveness中冷器效率 =thermal efficiency热效率 = volumetric efficiency容积效率 = polytropic total-to-total efficiency多变总-总效率 = isentropic total-to-total efficiency等熵总-总效率 =corrected temperature, T/T0 修正温度 =density密度Subscripts0=ambient air 周围大气1=compressor inlet 压缩器入口2=compressor outlet 压缩器出口a=air 大气c =compressor 压缩器e =piston_ engine 气缸发动机f =fuel 燃料i =intercooler outlet/cylinder inlet 中冷器出口，气缸入口ot = brake power output 有效功率输出t =turbine 涡轮参考文献1Heywood, J. B., 1988, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York.2 Winterbone, D. E., and Jai-In, S., 1991, “The Application of Modern ControlTheory to a Turbocharged Diesel Engine Power Plant,” Proc. Inst. Mech. Eng.Part 1, J. Systems Control Eng., 105, p. 11.3Horlock, J. H., and Winterbone, D. E., 1982, The Thermodynamics and GasDynamics of