增压器与柴油机的匹配计算

增压器与柴油机的匹配计算=1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。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） 增压压力pK或压比兀K；2） 空气流量mA（Kg/s）或容积流量mv（m3/s）；3） 涡轮前废气平均温度t；T4） 大气压力p0和大气温度10。增压参数中最重要的是通过计算正确确定流量mA和压比兀k。如果流量mA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Pk远离设计值。而兀k根据mA计算得出，如果mA确定不合适，将导致兀k有较大的偏差。

正确确定pK或兀K也很重要，如果pK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tT过高的后果；如果pK选的过高，又会导致过高的发动机最大爆发压力pmax以及增压器过高的转速。在不同的地方大气压力p0和大气温度10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。区1.1用计算法确定增压参数增压后发动机所需要的空气流量m增压后发动机所需要的空气流量mA（即压气机流量mK）为m=m=Nge'fs-LKg/s

K3600o&(1—1)式中ge式中ge——燃油消耗率，Kg/（Kw.h）；a——过量空气系数;n—扫气效率。另外，对四冲程发动机另外，对四冲程发动机mK又可表示为:mm=—!—-n-v・p・n・nK120hKvs(1—2)式中n式中n 发动机转速，r/min；nv——发动机容积效率。故压气机出口的空气密度:

(1—3)120-m(1—3)以式（2—1）求得的mK代入式（2—3）,即可求得pk。压气机的压比：1p0.286兀k=e-K）r〃 （1—4）p0式中门n——压气机多变效率；p0——压气机进口空气密度；Kg/m3。这种计算增压比方法的准确度依赖于流量mK的精确程度，只要mK稍有偏差，所得兀k即较大变化。兀K与mK二者是相互关系的，在兀K即定情况下，mK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，七将低于设计值。[1]下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30—35%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：mAnk在标定工况下：g=255g/Kw.h,N=73Kw得到燃油供应率为：m-gxN=255x73=18615g/h=310.25g/min=0.31Kg/min(1—5)取柴油机的理论空燃比为：匕=14.3过量空气系数为：J=2.3， (2)J=2.1当气=2.3时的情况用(1)表示，当气=2.1时的情况用(2)表示则所需空气流量mA为：mA=mFx气xL0=310.25x2.3x14.3=10204.1g/min=0.17Kg/S(1—6)mA=mFx气xL0=310.25x2.1x14.3=9046.5g/min=0.1508Kg/S(1—7)四冲程柴油机，冲程系数为：T=4由每分钟的活塞排量为:

V=^—h=3500x3.27《2=5722.5L/min=5.723m3/min(2—8)T取容积效率门=0.9扫气空气过量系数中=1.0则每分钟进入的空气的容积为：TOC\o"1-5"\h\zv0=v-n•甲=5722.5x0.9x1.0=5.15m3/min (1—9)所以增压空气的密度为：p=mA=10.2041=1.981Kg/m3 (1—10)K V0 5.15p=mA=9.0465=1.757Kg/m3 (1—11)K V0 5.15取压气机进口空气密度为：p0=1.205Kg/m3(相当于20°C一大气压的空气)则1.9811.205=1.644(1—1.9811.205=1.644(1—12)1.7571.205=1.458(1—13)预取压气机多变效率

预取压气机多变效率门=0.8绝热指数k=1.4由P0兀—r―径 门=0.8绝热指数k=1.4由P0兀—r―径 =Tk^i

(兀)k-1

K1+ ^门n(1—14)得出增压比—1_k-1kp /P、1-十冗=—K=(—K-)门〃KP° P°(1)兀k=2.387, (2)兀kT.935增压后空气温度：假定理想气体则(1—15)(1—16)p•vn•R p n-^K 『=—K•—0-p0.V0 p nn0R―o=兀RKMm—x1x1=k-4=nK(1—17)所以T所以-K=兀T0(1—18)Tk=T0.R(1—18)K所以增压后空气温度为:T=293x2.387x1205=425.4Kk 1.981T=293x1.935x1205=388.8Kk 1.7571.3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：兀广七在最大扭矩工况下：g=215g/Kwh，N=67.3Kw得到燃油供应率：m=gxN=215x67.3=14470g/h=241.16g/min=0.24Kg/min取柴油机的理论空燃比为：匕=14.3过量空气系数为：气=1.9， (4)气=1.7当气=1.9时的情况用(3)表示，当气=1.7时的情况用(4)表示则所需空气流量Ma为：m=m乂气乂L=6552.3g/min=0.11Kg/Sm=mx气xL=5862.6g/min=0.098Kg/S四冲程柴油机，冲程系数：T=4最大扭矩时转速:n=2625r/min每分钟的活塞排量为：v=^h=2*2625*3.27=4292L/min=4.292m3/minT 4取容积效率为：n=0.85扫气空气过量系数平=1.0则每分钟进入的空气的容积为：v0=v・n•甲=4.292X0.85x1.0=3.648m3/min所以增压空气的密度为：（3） p=mA=6.552-3.648=1.77Kg/m3Kv0，、m（4） P=—A=5.863+3.648=1.61Kg/m3Kv0取压气机进口空气密度为：P0=1.205Kg/m3（相当于20°C一大气压的空气）则（3） %=1.7791.205=1.469P

0

'=1.6191.205=1.336P0预取压气机多变效率门=0.8兀 K兀 K :(冗)k—1K由PK=一P01+1k1k—11—•“P，P、兀=―K=(―K)K P0 P0（3（3）兀k=1.96，兀k=1.66增压后空气的温度:所以增压后空气温度为:1.205Tk=293x1.96Xit^=391K（4）t=293x1.66x1.205=364K

k 1.611.4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 作50%负荷工况下：ge=230g/Kwh, Ne=36.5Kw得到燃油供应率：mF=gxN=230x36.5=8395g/h=139.91g/min=0.14Kg/min取柴油机的理论空燃比为：L0=14.3过量空气系数为：（5）气=2.7， （6）气=2.5当气=2.7时的情况用（5）表示，当气=2.5时的情况用（6）表示则所需空气流量Ma为：（5） mA=mFx气xL0=5401.9g/min=0.09Kg/S（6） mA=mFx气xL0=5001.8g/min=0.083Kg/S四冲程柴油机，冲程系数：T=450%负荷时转速：n=1500r/min每分钟的活塞排量为：v=生^=2x1500x"=2453L/min=2.453m3/min取容积效率为：n=0.85扫气空气过量系数平=1.0则每分钟进入的空气的容积为：v=vF•甲,=2.453x0.85x1.0=2.085m3/min所以增压空气的密度为：（5） p=mA=5.402-2.085=2.59Kg/m3Kv0，、m（6） p=—A=5.002-2.085=2.4Kg/m3Kv0取压气机进口空气密度为：p0=1.205Kg/m3（相当于20°C一大气压的空气）则（5） L=2.597.205=2.149P0（6） Pk=2.47.205=1.992P0预取压气机多变效率n=0.8绝热指数k=1.4兀—r―始 =T(兀)k-1K1+ ^门n得出增压比—1—k-1eP,P、1-于兀 =K=(K)KPoPo(5)兀k=344, (6)兀k=3.04增压后空气的温度：七=气•兀kAPK所以增压后空气温度为：T=293x3.44x1.2°L=469Kk 2.59T=293x3.04x1^=447KK 2.4.2mil)皇着云 Al.・.2mil)皇着云 Al.・ ・I1QOOUOO]|£0021002ftd>发动ttHA/rmin'UI.荟金天6762刀521742375227£-S网19图1.14102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增压器性能参数表过量空气系数空气流量mAKg/s增压比兀K增压后空气温度TKK标定工况'（1）2.30.172.387425.4（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（5）2.70.093.44469

工况（6）2.50.0833.044471.5校核增压器综合效率nk（1（1） 兀k=2.387（2） 兀k=1.935（3） 兀k=1.96（4） 兀k=1.66（5） 兀k=3.44（6） 兀k=3.04mA=0.17Kg/SmA=0.1508Kg/SmA=0.11Kg/SmA=0.098Kg/SmA=0.09Kg/SmA=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）nk=0.78 n=20000r/min（2）nk=0.72 n=15000r/min（3） （3） nk=0.77（4） nk=0.76（5） nk=0.71（6） nK=0.73n=15000r/minn=15000r/minn=10000r/minn=10000r/min。一0.2~~.0：.4LR2.2Z6G」kg/s)图1.2压气机流量外特性曲线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（门K）。压气机效率门K越高，在同一〃k时空气温度气越低，从而所得到的增压空气密度PK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n^=%；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m=m+m为简单起见，一般可认为mT=mK。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，即七=Nk+N如用机械效率表示，则增压器的功率平衡可写成NtF=NK2.4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不超过极限值，也不出现过高的增压压力pk以及最高爆发压力p；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。[1]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K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升高甬2.6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p—V示功图如下：[2]图1.3实测p-v示功图2.6.1换气过程进气终点压力匕，进气终点温度「。根据统计数据：四冲程增压柴油机p=(0.90—0.95)pkT=310—380Kpk——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代替实际的变指数压缩过程。令n]=1.34TOC\o"1-5"\h\z令两个过程的起点状态参数p、T和终点状态参数p、T相同，即可以按aa cc下式求取压缩终了工质的状态参数：由p•Un】=p•Un】 (1—19)\o"CurrentDocument"aa cc得出p=p•(L)n=p•&n (1—20)\o"CurrentDocument"caU acT=T•£n1-1 (1—21)U=匕 (1—22)c£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x=p表示。匕一定时，cp^(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，人增加，定容燃烧的燃料增多，经济性提高。当然p^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：p•U=8314x(M+Mt)xT (1—23)p•U=8314x(L+Mt)xT (1—24)两式相除：令初期膨胀比p=V,p一般为1.1—1.7。C直喷式柴油机X值为1.15—2.20,预燃室式柴油机为1.25—1.40,非增压柴油机偏向上限值，增压柴油机偏向下限值。这里取人=1.5，p=1.4则p=1.5pV=1.4V(1—25)(1—26)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n2=1.28选定n2值后，膨胀终点的压力和温度可从下式求出:,(f)n2-1V2b5n2-1(1—27)(1—28)式中5=匕=兰为后期膨胀比Vp2.6.5平均指示压力p,与有效功率Ne的计算平均指示压力:p''二Xi£—1人X(p-1)+x