涡轮增压器设计对汽油发动机性能的影响外文翻译资料

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涡轮增压器设计对汽油发动机性能的影响

用于给定发动机的涡轮增压器的规格涉及到涡轮增压器与发动机性能的匹配。使涡轮增压器增压比和质量流量与发动机的质量流量和功率相匹配的理论考虑使得设计者可以选择一系列适合于发动机的潜在的涡轮增压器。最终，通过测试，在几个待定的涡轮增压器中做出选择。在本文中，使用两种类型的稳定流实验来将三种不同的涡轮增压器同中冷式涡轮增压汽油机进行匹配。第一组测试是测量三个涡轮增压器的压气机和涡轮机的稳定流动性能。第二组测试测量每个涡轮增压器的稳定流量在设计点与非设计点下的发动机性能。测试结果显示了整个热力循环在设计点和非设计点的性能，这被应用于识别哪种涡轮增压器可以适用于不同的发动机负荷。

介绍

无论是二冲程还是四冲程热力循环，无论它们是自然吸气的还是涡轮增压中冷，无论它们是由汽油，柴油还是其他燃料供能，活塞式发动机都可以在其最小至最大速度和功率范围内运行。发动机的喷油MAP图（图1）在确定最小和最大速度，最小和最大功率，轴承和涡轮增压器限制以及其它操作限制的同时，在功率-速度或扭矩-速度图上显示出等效率线。发动机性能的不同测量值，例如效率，扭矩或功率等可以在较小的速度和功率范围内得到优化，例如利用喷射和气门正时，歧管调节等方法，其在发动机的速度-功率图上的位置由发动机负荷决定。偏离最佳范围的性能指标的降低值不如涡轮机中的相应降低值高。 涡轮机的性能很大程度上取决于叶片的入口角、出口角和流经其它流道时的角度。因此在一个狭窄的操作范围内才能表现出高性能。通常，涡轮机的转速比活塞发动机曲轴转速要高出一个数量级，因此，就相同的质量流量而言，涡轮机比活塞发动机要小得多。

汽油和柴油发动机输送的有效功率在工作循环中受到参与发动机内部循环的空气的质量流量的限制。质量流量正比于——进气密度。(Heywood, 1988[1]）

(1)

(2)

(3)

(4)

（F/A）是运行条件下的燃空当量比。对于自然吸气的发动机来说，这个体积效率大约是0.85，而对于涡轮增压发动机来说则介于0.95至1.1之间，这取决于发动机的技术水平。（对于二冲程发动机来讲，）

柴油发动机中，在给定的转速下，通过改变进入气缸的燃料量Delta;F 来改变负荷。 这种方法在汽油发动机中效率较低，汽油机在其给定的转速下，主要通过控制进气歧管处的流量来控制负荷，从而降低进入汽缸的空气的压力和密度。喷油式汽油机还可以改变喷油正时和喷油量，而缸内直喷汽油机可以改变部分喷射汽油机的容积效率。燃油蒸汽会从占据进入气缸的空气的一部分体积。

在自然吸气的发动机中，P是由空气进入汽缸时的温度和压力决定的。 密度的增加是由可变增压以及涡轮增压系统中的压气机（通常带有中冷）来实现的。 在机械增压系统中，压气机由发动机机械地驱动。 在涡轮增压中，压气机由废气涡轮机驱动。R.Diesel于1896年在德国提出了涡轮增压的基本构想（在第一台奥托循环发动机成功发明18年之后） 在本世纪初D.Clark（英格兰，1901）、A.Rauau和L.雷诺（法国）发明了增压装置。 用于柴油发动机的涡轮增压器的想法由A.Buchi Switzerland在1905年申请了专利。 汽油机涡轮增压器最早由Rateau于1917年发明。起初，涡轮增压发动机仅用于赛车。 1954年左右通用公司研发了第一台用于民用轿车的涡轮增压汽油机。

机械增压的驱动器是直接机械地与发动机转速相耦合，而且压气机对发动机速度和质量流量的变化响应迅速。 涡轮增压的驱动器与发动机转速是间接地热力学地耦合，并且它们的压气机对发动机速度和质量流量的变化响应慢一些，这被称为“涡轮迟滞”。这可以通过减小涡轮增压器的旋转惯性来改进，也可以通过偶尔使用两个（或者更多）较小的涡轮增压器并联，而不是用一个较大的涡轮增压器来改善。（有时用两个涡轮增压器，在它们之间布置中冷器，串联使用以进一步增加进气压力，特别是在一些船用柴油机中） Winterbone和Jai-In（1991）[2]由多项式拟合得到传递函数模型，用实验数据对系数进行评估，然后其他的发动机传递函数一起用来预测柴油机的瞬态响应。

图1 发动机热力流动站（左）燃油匹配图(中) 压气机图（右）

活塞发动机和涡轮机不同的质量流率和运行速度不能自然地匹配，而且任何活塞发动机与涡轮增压器的匹配组合都要经过仔细的规划。必须仔细选择涡轮增压器的几何结构，使得其在压气机出口和涡轮机入口条件下操作时，让使涡轮增压器性能保持良好的速度和质量流量的范围与活塞发动机的速度和质量流量的范围一致。入口条件涉及到发动机的进气歧管和排气歧管[3,4]、操作周期、或任务剖面[5]。显然，对于活塞式发动机来说，运行在一个很窄的速度和功率范围内时才会选择使用涡轮增压器，让使其高效率的质量流率和增压比的范围与发动机的一致。 在一个大的速度和功率范围内，对于发动机的运行，一定要采取一些折衷的办法。例如，汽车发动机有时配备有废气门，当在发动机很少运行的高速高质量流量的条件下，只是让部分废气流经涡轮机; 而且涡轮增压器在发动机经常运行的低速小功率的情况下可以实现更好地匹配，发动机的运行也更加迅速[6]。

涡轮增压匹配

压气机入口处的总压力p1低于大气压。 总温度T1与大气相当。 首先对受制于热应力和机械应力的目标输出功率估计增压压力p2。（这个压力对于汽车发动机来说可以达到大约1.8个大气压，对于低速船舶柴油机而言可以达到3到4个大气压）通过使用理想的气体模型，估计涡轮增压器的总效率，并用于计算压气机出口处的温度。

=

或 (5)

中冷器输出端空气的总压力略低于，相对应的空气温度和密度可以通过中冷器的效率估得。

(6)

(7)

(8)

公式8中的近似值是忽略了中冷器的压降而算得的。中冷器输出端的静态密度是通过i处的整体条件和流动面积估算出来的。

涡轮增压器的基本尺寸由发动机所需的空气量确定，见公式（3）（体积效率是从以前的经验值估算出来的）上述计算可以针对几个设计点和非设计点的操作条件（例如最大功率，最佳速度和功率，部分负荷等）通过使用适当的起始值p1和T1来重复进行。

如果发动机转速恒定但负荷增加，则质量流量将随着充气密度或增压比的增加而几乎成比例地增加。（式（3）和（8）中，这些发动机恒速线位于图1，是虚线。它们的斜率随着中冷器的效率增加而减小。）较低的发动机速度更接近喘振线，较高的发动机速度处于较高的压气机质量流量下。发动机负荷线在同一图中以虚线示出，并且在较高的压气机增压比下有较高的负荷线。

现在可以通过用稳态流量试验获得的压气机特性图来选择适当的涡轮增压器。特性图由涡轮增压器制造商提供，并可将其与发动机的喷油MAP图进行比较。 涡轮增压器压气机图用于确定最小气流，连续运行的限制和最小压气机效率。 显然，在上面概述的估计中，以以往的典型发动机喷油MAP图和压气机特性图为经验是十分必要的。

当气缸的排气阀首先打开时，气体以迅速衰减的压力脉冲进入到排气系统[7-9]。在脉冲涡轮增压中，这些脉冲在入口远未开启时就从两个或三个气缸成组地聚集了起来，这样可以避免废气通过入口回流。然后这些脉冲直接被引入到了涡轮。涡轮入口处多变的条件使得脉冲增压的效率低于定压增压;然而，脉冲增压在低负荷的条件下是有利的，脉冲为废气的低温做出一定的补偿。在定压涡轮增压中，来自所有气缸的废气以有限的脉冲压力恢复进入到公共歧管。

提供恒定压力的涡轮机在高功率输出下可以更有效地操作，而脉冲增压涡轮机可以更好地对发动机的输出变化做出及时的响应（更少的涡轮迟滞）。船用发动机在20世纪70年代之前用的是脉冲增压，但是随着平均有效压力（bmep）的增加，天平已经向定压涡轮增压倾斜[8]。尽管脉冲流和稳流操作之间存在着实际差异，性能MAP图通常还是从稳流测试中获取，并且被用来匹配涡轮增压器和发动机。选择压气机扩压器以满足足够的喘振裕度。 然后，涡轮机蜗壳可用于改变有效涡轮面积，从而改变可从涡轮获得的能量，并因此改变压气机压力。尽管这些都是可以计算的，但发动机和涡轮增压器的最终调整还是基于试验台架完成的。（例如发动机喷射正时和持续期，以及如何在几个涡轮增压器做出选择）

图2 压气机和涡轮机几何结构

涡轮增压器几何结构

经过上述类似的分析，Garrett将几个不同的压气机和涡轮机叶轮、扩压器、涡壳组合成用于三菱4G63发动机的涡轮增压器。这个发动机是一个2升直列四缸涡轮增压中冷燃油喷射四冲程汽油机，压缩比为8.5：1，采用双顶置凸轮机构。 这款发动机自1994年以来一直在三菱日蚀上使用。涡轮增压器压气机和涡轮机的性能以及相应的发动机性能使用这三个涡轮增压器——MT-9，MT-13和MT-15来进行测试，如图2所示。压气机修整性越高，越高，越高，涡轮增压器的转速越大。当涡轮机在发动机上运行时，用废气门限制涡轮机的质量流量，以便在发动机的中速范围内优化涡轮增压器的性能。

涡轮增压器测试

在第一组稳定流测试中，在涡轮增压器测试台架中测量出单独的压气机和涡轮机性能。涡轮机（不连接废气门，即全质量流量）在稳定流动条件下由实验室干燥的压缩空气驱动，所用的干燥压缩空气由大型螺杆式压气机供应。涡轮机入口处的阀用于控制涡轮机质量流率。通过这个控制阀，空气进入一个大约两立方米的罐子、一个过滤器、一个压力调节器和连接到涡轮进口法兰的扩压器。废气从涡轮机出口排放到实验室的大气环境中。压气机入口从大气中接收空气。气体从压气机出口流经一组整流器，经过测量站，进入一个体积约为4升的圆柱形罐，并通过一个用于控制压气机输送压力和质量流量的控制阀离开该罐。相比于将涡轮增压器和压气机连接起来，压气机和涡轮机质量流率、增压比的这种解耦可以获得操作范围更广的性能图。

通过外部泵将循环润滑油从一个四加仑的油箱输送到涡轮增压器。在每个涡轮增压器中将涡轮增压器轴上用于固定压气机叶轮的合金螺母用磁化螺母代替。 磁化螺母激活安装在铝合金压气机入口周围的感应铜线圈，并且线圈电压输出的频率通过示波器用于对涡轮增压器速度进行测量。

在整流器之后，使用静态和总压传感器、热电偶测量压气机出口处以及涡轮机入口和出口处的总压力、静压力和总温度。（压气机入口处的总条件是环境实验室条件）热电偶为ANSI J型，用铁做正极，铜镍做负极，并在273K和373K的温度下加以校准。压力传感器为Kulite ITQ-1000系列，使用重量计测试仪来校准。为了获得截面积平均速度和质量流量，并进而得到总的和静态性质，在每个测试站和每个流动条件下测量圆周速度的分布，并将结果用于从中间通道速度导出面积平均速度。这些性质用于导出质量流量、增压比和压气机及涡轮机的功。把数据放大，然后导入PC数据采集系统（莱伯泰科公司）。

在涡轮机进口阀位置的大约十个设置中的每一个设置中，在从阀门全开到发生喘振时阀门部分关闭这之间的几个（大约10个）设置下进行测量，从而改变压气机质量流率和速度 。 每个测量点的值都是距离平均值偏差在50％以内的至少十个测量结果的统计平均值。

图3 涡轮增压器MT-9压气机（左）和涡轮机（右）的测量性能（全效率线：等熵（实线）和多变（点画线）

图4 涡轮增压器MT-13压气机（左）和涡轮机（右）的测量性能（全效率线：等熵（实线）和多变（点画线）

图5 涡轮增压器MT-15压气机（左）和涡轮机（右）的测量性能（全效率线：等熵（实线）和多变（点画线）

图6 测量的发动机喷油MAP图：左MT-9; 中间MT-13; 和右MT-15

测量的稳流压气机和涡轮机性能图分别示于图 3、4、5。 增压比与校正质量流量的压气机性能数据显示：喘振区域（S）; 涡轮增压器速度线Nc=Nt;总等熵线（实线）以及多变效率线（点画线）。压气机性能数据还显示了对带有涡轮增压的发动机进行的第二组测试所得到的发动机转速范围Ne和全开节流操作（WTO）。涡轮机的性能图表示为比功率质量流量，并且它们表示出了以下线：涡轮增压器转速Nt（几乎垂直）;涡轮机的总-总增压比（几乎水平）; 总等熵线（实线）和多变效率线（点画线）。

汽油机测试

在第二组稳定流测试中，每个涡轮增压器都安装在4G63发动机上，相应的发动机性能图用Dynamatic涡流测力计测量，其字段被用于通过Digalog系列1000A控制器来控制发动机转矩或速度。发动机的冷却风扇现已被淘汰，而由一个管壳式水-水换热器来冷却，并保持冷却温度在353K到368K之间。中冷器也是由水来冷却的，这就使得它通过发动机测试测得的效率介于60%到65%之间。这种燃油喷射发动机的性能是由发动机的电子控制单元ECU和其RAM监视器来测量的。 发动机的输出功率在一系列的运行速度下系统地变化。 在每个操作条件下（发动机转速和转矩（由测力计控制器测量）），将测量的耗油量作为喷射器打开时刻的函数。 除了这些测量值之外，还记录了空气流速和水温。从2000rpm

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