涡轮增压技术及算法详解.docx

涡轮增压技术 103这篇文章涉及较多的涡轮技术，包括描述压缩机的部分特性曲线图、计算发动机的增压比和空气质量流量，怎样在特性曲线图上绘制点来帮助你选 择合适的涡轮增压器把你的计算器放在手边吧一 压缩机部分特性曲线图[1] 压缩机特性曲线图是详细描述压缩机压缩效率、空气质量流量范围、增 压性能和涡轮转速等性能特性的一种图表下面展示的是一幅典型的压 气机特性曲线图：HoneyuenI熬U島QU■ I 1 I J -q --T F®™-11 I L ^J-ff- LB m F V I 4 « P W I -I ■ 4 -I V■ —7 —-卜-|— «< -—-轉一f ■鼻-卜呵"1 — J " 1 " " ct -卜■ di |i | 1 ■ di ■ ■ ■ | ■ » ■ H ■ ■ *■ -S li ■ 1T1 i I a * 亠 * |i" J J *|中？M中」■, PM」* W <■■■*><-1 L>胆丄 __I I__ ■ 1_J i__I JJ * I_■ ■ ■ !L.t if FT ■ TT f，手彳“斗丨・；'■ ll B I f 1 I I ■ J 1[2] 增压比增压比（）被定义为出口处绝对压力除以进口处绝对压力注:nr=增压比、P2c=压气机出口绝对压力、P1c=压气机入口绝对压力[3] 在压气机入口和出口处使用绝对压力为计量单位非常有必要，一定要记 住绝对压力的基础是14.7磅/平方英寸（在这个单位下“a”代表绝对压 力）这被称为标准大气压力和标准情况。

⑷ 表压即计示压力（在计量单位为磅/平方英寸下“g”代表表压力）测量 的是超过大气压力的大小，所以表压力在大气压力下应该显示为“ 0” 增压表测量的岐管压力是相对于大气压力的，这就是表压力这对于决 定压缩机出口处的压力是非常重要的比如说增压表上读出的 12 磅/平 方英寸意味着进气歧管的压力高于标准大气压力12磅/平方英寸即：歧管压力26.7磅/平方英寸=12磅/平方英寸（表压力） +14.7磅/平方英寸（标准大气压力）[5] 这个条件下的增压比就能计算了：（26.7磅/平方英寸[绝对压力]）/14.7磅/平方英寸（标准大气压力）=1.82[6] 然而这是在假定压气机入口处没有空气滤清器影响的情况下[7] 在决定增压比的时候，压气机入口处的绝对压力时常比环境压力小，特 别是在高负荷时为什么会这样呢？因为任何对空气的阻碍（这其中就 包括空滤器管道的限制）都会对进气造成压力损耗，在决定增压比时， 压气机上游的损耗都需要被计算这种压力损耗在某些进气系统上可能 达到或超过1磅/平方英寸的表显压力在这种情况下压气机入口处压 力应该如下取值：压气机入口绝对压力=14.7psia - Ipsig = 13.7psia[8] 带入最新的入口处压力进行增压比计算应该是下面这样（12 psig + 14.7 psia） / 13.7 psia = 1.95.[9] 以上计算方法很好，但是如果你不是在标准大气压下呢？在这种情况下 在计算工式中简单地用真实的大气压力替代标准大气压力 14.7psi 能够 使计算更精确。

在较高的海拔下会对增压比有显著的影响比如说：在丹佛5000尺的海拔高度下，大气的平均压力在12.4psia，在 这种情况下带入的进气真空度在压缩比计算时：（12psig + 12.4psia） /（12.4psia - Ipsig）=2.14（增压比）这样的结果和最原始计算的增压比1.82相比有很大的不同[10] 从以上的例子总可以看出增压比取决于很多参数，不仅仅是增压器1. 空气质量流量[1] 空气质量流量是在给定的一段时间空气流过压气机（或发动机）的量， 常被表示为lb/min（磅/分钟）质量流量可以使用物理方法测量但是许 多情况下在选择适当的涡轮过程中估计质量流量就已经足够了[2]许多人使用体积流量（表达为：立方英尺/分钟CFM或者ft3/min）代替 质量流量体积流量可以通过乘以空气密度转换成质量流量标准大气 压下空气密度为 0.076 lb/ft3⑶ 质量流量我应该取多少？ 一般情况下涡轮增压的汽油引擎每1 lb/min质 量流量可以产生9.5-10.5马力（飞轮上测得），所以如果一个引擎想要 400马力那就要求空气质量流量为36-44 lb/min,这样的计算只能粗略地 帮助你缩小增压器的选择范围。

2. 喘振线[1] 喘振线是压气机特性曲线图的左边界,喘振线的左边是流动不稳定的区 域这一区域内压气机内气体从小波动变化到大波动如果在这一区域 内连续运转会因为涡轮的高轴向负载导致涡轮失效[2] 根据经验在以下两种情况下涡轮喘振经常发生第一种也是最严重的一 种就是在负载过轻时的喘振这种情况下很明确就是涡轮太大喘振经 常发生在增压后节气门快速关闭时随着节气门快速关闭气体质量流量 快速减少,但是节气门仍然高速旋转长生压力,导致喘振发生这立刻 驱使涡轮工作状态远远超出压气机特性曲线图左边的区域立刻导致喘 振一旦涡轮转速减到足够小减少增压并将工作状态移到稳定工作区域喘 振将会减弱这种情况常用一个泄压阀或者式旁通阀解决泄压阀的作 用是减少进气压力到大气压力以至于缓慢地降低气体质量流量,防止涡 轮喘振发生,在使用循环旁通阀的情况下,气流会再循环到涡轮进气口[3] 一个有旁通道的涡壳（看图 2）组成了压气机汽缸的一部分,它的作用 是通过允许气流不通过涡轮叶片直接通过涡轮,把喘振线移到更左边（看图 3）,防止出现喘振这增加了额外的可用范围同时允许更大的增 压器被使用在对气流有更高要求同时要求增压器不能出现喘振的条件 下。

涡壳旁通道有一个较小的副作用,那就是降低了压气机效率3. 阻塞线阻塞线是压气机特性曲线图的右边界对于Garrett增压器曲线来说，典型的阻塞线被定义为特性曲线图上效率低于58%的点除此之外快速下降的增压效 率经过这个点，涡轮转速将接近或者超过涡轮的极限转速如果你确实或者打算 让我轮工作超过这个极限转速，建议你还是换个大涡轮吧4. 涡轮转速线涡轮转速线是许多固定的转速线在这些线之间的涡轮转速可以通过插值法 计算随着涡轮转速的升高，增压比和、或气体质量流量增加根据以上多余阻 塞线的描述，涡轮速度线非常靠近特性曲线图的右边缘一旦压气机的工作超过 了阻塞极限，涡轮转速升高非常快，此时涡轮就已经超速了5. 效能区域增压效能区域是指特性曲线图上一些代表增压器效率的任意点所形成的同 心区域靠近特性曲线图中心的最小的区域是效率最高的区域随着转速离开这 一区域，增压效率下降直到达到喘振或者阻塞区域二 计算增压器特性曲线图数据这一部分将呈现，计算增压压力和气体质量流量的方法来达到所要求的目标 马力这些计算的数据将用来指导你选择合适的压气机和涡轮增压器在选择过 程中有明确的马力目标在心里是很重要的除此之外增压压力和空气流量的计算 也是必要的，把马力作为目标就要求选择适合的喷油器、喷油泵、调整器、以及 发动机的其它部件。

1. 估算要求的空气流量和增压压力达到既定的马力目标[1] 需要知道的参数1) 马力目标2) 发动机排量3) 最大转速4) 环境条件(大气压力和温度，大气压力经常给定的数据时汞柱的尺 寸，需要进行换算到 psi)[2] 需要估算的值：1) 发动机的体积效率，现在常用的顶置四气门多缸发动机最大体积效 率范围在 95%~99%，两气门发动机在 85%~95%如果你有发动机的 扭矩曲线，那么你可以用它计算出发动机不同转速体积效率在一 个调整好的发动机上，体积效率会随着转矩到达最高点这个数可 以被用来等比例计算其他转速的体积效率一个典型的四气门发动 机比两气门发动机有更高的体积效率2) 进气歧管温度，具有高体积效率的压气机会带来更低的进气歧管温 度有中冷器的歧管温度一般在华氏 100~103 度没有中冷的歧管 能够达到华氏 175~300 度3) 单位燃油消耗率(BSFC),描述产生每一马力所需要的燃料流率对 于涡轮增压汽油机来说燃油消耗率的大体在0.5~0.6之间变动，或者 更高它的单位是lb/(hp*hr)燃油消耗率越低则说明产生相应功率 时消耗燃油的速率越小为了达到上述的最低燃油消耗率，需要选 择好燃油种类和做好积极的匹配调整。

在下面的方程式中我们将除 以 60 将小时化为分钟计算4) 为了绘制压气机的工况点，首先计算空气流率Wa = HP * (A/F) * (BSFC/60)其中Wa =实际空气流率(lb/min)HP = 飞轮端目标马力A/F = 空燃比BSFC/60 =单位燃油消耗率[lb/(hp*hr)]/60[3] 举例我有一台发动机，我想要它输出400马力我想要选择空燃比为12，燃油 消耗率为 0.55，把这些参数带进方程式计算Wa = 400*12 *(0.55/60) = 44.0(lb/min)这样，我的压气机特性曲线图上就要有泵 44磅气体每分钟的能力作为 起始点注意：我们在这个计算中没有输入任何发动机排量和转速这就意味着 对于任何发动机想要输出400马力那么他就需要44磅每分钟的泵气量(这是在假定任何发动机的燃油消耗率都是 0.55 的时候得出的)显然，一个小排量的发动机和大排量发动机相比就需要更多大的增压或者更高的转速那么究竟需要多高的增压呢？[4] 计算达到目标马力或者进气量需要的歧管压力：MAPreq = 想要达到目标马力需要的歧管绝对压力Wa = 实际空气流率R = 气体常数 = 639.6Tm =进气温度(F)VE = 体积效率N = 发动机转速( RPM )Vd =发动机排量(CI) (Cl = L * 61.02 )[5] 举例：继续上面举到的例子，假设一个2.0L的发动机其他参数如下:Wa=44lb/m in (上一例子所得)Tm =130(F)VE = 体积效率 92% (峰值)N = 发动机转速 7200( RPM)Vd = 发动机排量 122(CI)，(CI = L * 61.02 )44*6 却花叫460 + 130)92*7200/^22=41.1psia(记住,这是绝对压力需要减去大气压力得到表压力)41.1 psia - 14.7 psia (标准大气压)=26.4 psig 表压力[6] 作为比较，让我们再计算更大排量的发动机5.0LWa=44lb/m in (上一例子所得)Tm =130(F)VE = 体积效率 85% (峰值)(一台带推杆的 V8 发动机)N = 发动机转速 6000( RPM)Vd = 发动机排量4.942*61.2 = 302(CI)，(CI = L * 61.02 )44*639.6*^460+130)□5*6000^*302=21.6 psia(表压力为6.9)这个例子阐明了想要达到400马力，一个更大排量的发动机需要的歧管 压力更低，但是仍然需要 44lb/min 的泵气量。

这对于我们选择增压器有 显著的指导作用随着进气流量和歧管压力的计算，我们已经快要准备好在特性曲线图上 绘制点了下一步就是确定进气歧管和压气机之间有多少压降最好的 。