渦輪增壓技術(shù)及算法詳解11頁(yè)

1、渦輪增壓技術(shù)103這篇文章涉及較多的渦輪技術(shù)，包括描述壓縮機(jī)的部分特性曲線圖、計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓比和空氣質(zhì)量流量，怎樣在特性曲線圖上繪制點(diǎn)來(lái)幫助你選擇合適的渦輪增壓器。把你的計(jì)算器放在手邊吧。一 壓縮機(jī)部分特性曲線圖1 壓縮機(jī)特性曲線圖是詳細(xì)描述壓縮機(jī)壓縮效率、空氣質(zhì)量流量范圍、增壓性能和渦輪轉(zhuǎn)速等性能特性的一種圖表。下面展示的是一幅典型的壓氣機(jī)特性曲線圖：2 增壓比增壓比（）被定義為出口處絕對(duì)壓力除以進(jìn)口處絕對(duì)壓力注：=增壓比、P2c=壓氣機(jī)出口絕對(duì)壓力、P1c=壓氣機(jī)入口絕對(duì)壓力3 在壓氣機(jī)入口和出口處使用絕對(duì)壓力為計(jì)量單位非常有必要，一定要記住絕對(duì)壓力的基礎(chǔ)是14.7磅/平方英寸（在這個(gè)單

2、位下“a”代表絕對(duì)壓力）這被稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)情況。4 表壓即計(jì)示壓力（在計(jì)量單位為磅/平方英寸下“g”代表表壓力）測(cè)量的是超過(guò)大氣壓力的大小，所以表壓力在大氣壓力下應(yīng)該顯示為“0”。增壓表測(cè)量的岐管壓力是相對(duì)于大氣壓力的，這就是表壓力。這對(duì)于決定壓縮機(jī)出口處的壓力是非常重要的。比如說(shuō)增壓表上讀出的12磅/平方英寸意味著進(jìn)氣歧管的壓力高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力12磅/平方英寸。即：歧管壓力26.7磅/平方英寸=12磅/平方英寸（表壓力）+14.7磅/平方英寸（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力）5 這個(gè)條件下的增壓比就能計(jì)算了：（26.7磅/平方英寸絕對(duì)壓力）/14.7磅/平方英寸（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力）=1.826 然而這是在

3、假定壓氣機(jī)入口處沒(méi)有空氣濾清器影響的情況下7 在決定增壓比的時(shí)候，壓氣機(jī)入口處的絕對(duì)壓力時(shí)常比環(huán)境壓力小，特別是在高負(fù)荷時(shí)。為什么會(huì)這樣呢？因?yàn)槿魏螌?duì)空氣的阻礙（這其中就包括空濾器管道的限制）都會(huì)對(duì)進(jìn)氣造成壓力損耗，在決定增壓比時(shí)，壓氣機(jī)上游的損耗都需要被計(jì)算。這種壓力損耗在某些進(jìn)氣系統(tǒng)上可能達(dá)到或超過(guò)1磅/平方英寸的表顯壓力。在這種情況下壓氣機(jī)入口處壓力應(yīng)該如下取值：壓氣機(jī)入口絕對(duì)壓力=14.7psia 1psig = 13.7psia8 帶入最新的入口處壓力進(jìn)行增壓比計(jì)算應(yīng)該是下面這樣(12 psig + 14.7 psia) / 13.7 psia = 1.95.9 以上計(jì)算方法很好，但

4、是如果你不是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下呢？在這種情況下，在計(jì)算工式中簡(jiǎn)單地用真實(shí)的大氣壓力替代標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力14.7psi能夠使計(jì)算更精確。在較高的海拔下會(huì)對(duì)增壓比有顯著的影響。比如說(shuō)：在丹佛5000尺的海拔高度下，大氣的平均壓力在12.4psia,在這種情況下帶入的進(jìn)氣真空度在壓縮比計(jì)算時(shí)：（12psig + 12.4psia）/（12.4psia 1psig）=2.14(增壓比)這樣的結(jié)果和最原始計(jì)算的增壓比1.82相比有很大的不同。10 從以上的例子總可以看出增壓比取決于很多參數(shù)，不僅僅是增壓器。1. 空氣質(zhì)量流量1 空氣質(zhì)量流量是在給定的一段時(shí)間空氣流過(guò)壓氣機(jī)（或發(fā)動(dòng)機(jī)）的量，常被表示為lb/min

5、(磅/分鐘)。質(zhì)量流量可以使用物理方法測(cè)量。但是許多情況下在選擇適當(dāng)?shù)臏u輪過(guò)程中估計(jì)質(zhì)量流量就已經(jīng)足夠了。2 許多人使用體積流量（表達(dá)為：立方英尺/分鐘CFM或者ft3/min）代替質(zhì)量流量。體積流量可以通過(guò)乘以空氣密度轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度為0.076 lb/ft3。3 質(zhì)量流量我應(yīng)該取多少？一般情況下渦輪增壓的汽油引擎每1 lb/min質(zhì)量流量可以產(chǎn)生9.5-10.5馬力（飛輪上測(cè)得），所以如果一個(gè)引擎想要400馬力那就要求空氣質(zhì)量流量為36-44 lb/min，這樣的計(jì)算只能粗略地幫助你縮小增壓器的選擇范圍。2. 喘振線1 喘振線是壓氣機(jī)特性曲線圖的左邊界，喘振線的左邊是流

6、動(dòng)不穩(wěn)定的區(qū)域。這一區(qū)域內(nèi)壓氣機(jī)內(nèi)氣體從小波動(dòng)變化到大波動(dòng)。如果在這一區(qū)域內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)因?yàn)闇u輪的高軸向負(fù)載導(dǎo)致渦輪失效。2 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在以下兩種情況下渦輪喘振經(jīng)常發(fā)生。第一種也是最嚴(yán)重的一種就是在負(fù)載過(guò)輕時(shí)的喘振。這種情況下很明確就是渦輪太大。喘振經(jīng)常發(fā)生在增壓后節(jié)氣門(mén)快速關(guān)閉時(shí)。隨著節(jié)氣門(mén)快速關(guān)閉氣體質(zhì)量流量快速減少，但是節(jié)氣門(mén)仍然高速旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)生壓力，導(dǎo)致喘振發(fā)生。這立刻驅(qū)使渦輪工作狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出壓氣機(jī)特性曲線圖左邊的區(qū)域立刻導(dǎo)致喘振。一旦渦輪轉(zhuǎn)速減到足夠小減少增壓并將工作狀態(tài)移到穩(wěn)定工作區(qū)域喘振將會(huì)減弱。這種情況常用一個(gè)泄壓閥或者式旁通閥解決。泄壓閥的作用是減少進(jìn)氣壓力到大氣壓力以至于緩慢地降低

7、氣體質(zhì)量流量，防止渦輪喘振發(fā)生，在使用循環(huán)旁通閥的情況下，氣流會(huì)再循環(huán)到渦輪進(jìn)氣口。3 一個(gè)有旁通道的渦殼（看圖2）組成了壓氣機(jī)汽缸的一部分，它的作用是通過(guò)允許氣流不通過(guò)渦輪葉片直接通過(guò)渦輪，把喘振線移到更左邊（看圖3），防止出現(xiàn)喘振。這增加了額外的可用范圍同時(shí)允許更大的增壓器被使用在對(duì)氣流有更高要求同時(shí)要求增壓器不能出現(xiàn)喘振的條件下。渦殼旁通道有一個(gè)較小的副作用，那就是降低了壓氣機(jī)效率。3. 阻塞線阻塞線是壓氣機(jī)特性曲線圖的右邊界。對(duì)于Garrett增壓器曲線來(lái)說(shuō)，典型的阻塞線被定義為特性曲線圖上效率低于58%的點(diǎn)。除此之外快速下降的增壓效率經(jīng)過(guò)這個(gè)點(diǎn)，渦輪轉(zhuǎn)速將接近或者超過(guò)渦輪的極限轉(zhuǎn)速。

8、如果你確實(shí)或者打算讓我輪工作超過(guò)這個(gè)極限轉(zhuǎn)速，建議你還是換個(gè)大渦輪吧。4. 渦輪轉(zhuǎn)速線渦輪轉(zhuǎn)速線是許多固定的轉(zhuǎn)速線。在這些線之間的渦輪轉(zhuǎn)速可以通過(guò)插值法計(jì)算。隨著渦輪轉(zhuǎn)速的升高，增壓比和、或氣體質(zhì)量流量增加。根據(jù)以上多余阻塞線的描述，渦輪速度線非?？拷匦郧€圖的右邊緣。一旦壓氣機(jī)的工作超過(guò)了阻塞極限，渦輪轉(zhuǎn)速升高非?？?，此時(shí)渦輪就已經(jīng)超速了。5. 效能區(qū)域增壓效能區(qū)域是指特性曲線圖上一些代表增壓器效率的任意點(diǎn)所形成的同心區(qū)域?？拷匦郧€圖中心的最小的區(qū)域是效率最高的區(qū)域。隨著轉(zhuǎn)速離開(kāi)這一區(qū)域，增壓效率下降直到達(dá)到喘振或者阻塞區(qū)域。二 計(jì)算增壓器特性曲線圖數(shù)據(jù)這一部分將呈現(xiàn)，計(jì)算增壓壓力和氣

9、體質(zhì)量流量的方法來(lái)達(dá)到所要求的目標(biāo)馬力。這些計(jì)算的數(shù)據(jù)將用來(lái)指導(dǎo)你選擇合適的壓氣機(jī)和渦輪增壓器。在選擇過(guò)程中有明確的馬力目標(biāo)在心里是很重要的。除此之外增壓壓力和空氣流量的計(jì)算也是必要的，把馬力作為目標(biāo)就要求選擇適合的噴油器、噴油泵、調(diào)整器、以及發(fā)動(dòng)機(jī)的其它部件。1. 估算要求的空氣流量和增壓壓力達(dá)到既定的馬力目標(biāo)1 需要知道的參數(shù)：1) 馬力目標(biāo)2) 發(fā)動(dòng)機(jī)排量3) 最大轉(zhuǎn)速4) 環(huán)境條件（大氣壓力和溫度，大氣壓力經(jīng)常給定的數(shù)據(jù)時(shí)汞柱的尺寸，需要進(jìn)行換算到psi）2 需要估算的值：1) 發(fā)動(dòng)機(jī)的體積效率，現(xiàn)在常用的頂置四氣門(mén)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)最大體積效率范圍在95%99%，兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)在85%95%。

10、如果你有發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩曲線，那么你可以用它計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速體積效率。在一個(gè)調(diào)整好的發(fā)動(dòng)機(jī)上，體積效率會(huì)隨著轉(zhuǎn)矩到達(dá)最高點(diǎn)。這個(gè)數(shù)可以被用來(lái)等比例計(jì)算其他轉(zhuǎn)速的體積效率。一個(gè)典型的四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)比兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)有更高的體積效率。2) 進(jìn)氣歧管溫度，具有高體積效率的壓氣機(jī)會(huì)帶來(lái)更低的進(jìn)氣歧管溫度。有中冷器的歧管溫度一般在華氏100103度。沒(méi)有中冷的歧管能夠達(dá)到華氏175300度。3) 單位燃油消耗率（BSFC），描述產(chǎn)生每一馬力所需要的燃料流率。對(duì)于渦輪增壓汽油機(jī)來(lái)說(shuō)燃油消耗率的大體在0.50.6之間變動(dòng)，或者更高。它的單位是lb/(hp*hr)。燃油消耗率越低則說(shuō)明產(chǎn)生相應(yīng)功率時(shí)消耗燃油的速率越

11、小。為了達(dá)到上述的最低燃油消耗率，需要選擇好燃油種類和做好積極的匹配調(diào)整。在下面的方程式中我們將除以60將小時(shí)化為分鐘計(jì)算。4) 為了繪制壓氣機(jī)的工況點(diǎn)，首先計(jì)算空氣流率。Wa = HP * (A/F) * (BSFC/60) 其中Wa = 實(shí)際空氣流率（lb/min） HP = 飛輪端目標(biāo)馬力 A/F = 空燃比 BSFC/60 = 單位燃油消耗率lb/(hp*hr)/603 舉例我有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，我想要它輸出400馬力我想要選擇空燃比為12，燃油消耗率為0.55，把這些參數(shù)帶進(jìn)方程式計(jì)算Wa = 400*12 *(0.55/60) = 44.0(lb/min)這樣，我的壓氣機(jī)特性曲線圖上就要

12、有泵44磅氣體每分鐘的能力作為起始點(diǎn)。注意：我們?cè)谶@個(gè)計(jì)算中沒(méi)有輸入任何發(fā)動(dòng)機(jī)排量和轉(zhuǎn)速。這就意味著對(duì)于任何發(fā)動(dòng)機(jī)想要輸出400馬力那么他就需要44磅每分鐘的泵氣量（這是在假定任何發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率都是0.55的時(shí)候得出的）顯然，一個(gè)小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)和大排量發(fā)動(dòng)機(jī)相比就需要更多大的增壓或者更高的轉(zhuǎn)速。那么究竟需要多高的增壓呢？4 計(jì)算達(dá)到目標(biāo)馬力或者進(jìn)氣量需要的歧管壓力：MAPreq = 想要達(dá)到目標(biāo)馬力需要的歧管絕對(duì)壓力Wa = 實(shí)際空氣流率R = 氣體常數(shù) = 639.6Tm = 進(jìn)氣溫度（F）VE = 體積效率N = 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（RPM）Vd = 發(fā)動(dòng)機(jī)排量（CI）（CI = L * 61

13、.02 ）5 舉例：繼續(xù)上面舉到的例子，假設(shè)一個(gè)2.0L的發(fā)動(dòng)機(jī)其他參數(shù)如下：Wa=44lb/min(上一例子所得)Tm =130（F）VE = 體積效率92% （峰值）N = 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速7200（RPM）Vd = 發(fā)動(dòng)機(jī)排量122（CI），（CI = L * 61.02 ） =41.1psia(記住，這是絕對(duì)壓力需要減去大氣壓力得到表壓力)41.1 psia 14.7 psia (標(biāo)準(zhǔn)大氣壓) = 26.4 psig 表壓力6 作為比較，讓我們?cè)儆?jì)算更大排量的發(fā)動(dòng)機(jī)5.0L Wa=44lb/min(上一例子所得)Tm =130（F）VE = 體積效率85% （峰值）（一臺(tái)帶推桿的V8 發(fā)動(dòng)機(jī)

14、）N = 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速6000（RPM）Vd = 發(fā)動(dòng)機(jī)排量4.942*61.2 = 302（CI），（CI = L * 61.02 ）=21.6 psia(表壓力為6.9)這個(gè)例子闡明了想要達(dá)到400馬力，一個(gè)更大排量的發(fā)動(dòng)機(jī)需要的歧管壓力更低，但是仍然需要44lb/min的泵氣量。這對(duì)于我們選擇增壓器有顯著的指導(dǎo)作用。隨著進(jìn)氣流量和歧管壓力的計(jì)算，我們已經(jīng)快要準(zhǔn)備好在特性曲線圖上繪制點(diǎn)了。下一步就是確定進(jìn)氣歧管和壓氣機(jī)之間有多少壓降。最好的方法就是使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄壓降，但是多數(shù)情況下不現(xiàn)實(shí)。根據(jù)上面計(jì)算空氣流量，中冷器特性、管尺寸、轉(zhuǎn)彎的數(shù)量、節(jié)氣門(mén)體的限制等，氣管內(nèi)的壓降可以計(jì)算出來(lái)，

15、在一個(gè)設(shè)計(jì)的很好的進(jìn)氣系統(tǒng)中，壓降可能是1psi或者更少。在某些限制性的設(shè)置下，尤其是那些已經(jīng)高于氣流水平的設(shè)置下，壓降會(huì)達(dá)到4psi或者更大。對(duì)于我們的舉例，我們假設(shè)壓降為2psi。所以在確定壓氣機(jī)出口處壓力時(shí)，我們需要加上上面計(jì)算的2psi壓降P2c = 壓氣機(jī)出口絕對(duì)壓力 (psia) MAP = 歧管絕對(duì)壓力 (psia) Ploss = 歧管到壓氣機(jī)的壓降對(duì)2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō) = 43.1psi還記得我們?cè)谥v解壓力比時(shí)討論過(guò)的進(jìn)氣壓力會(huì)因?yàn)檫M(jìn)氣系統(tǒng)形狀和空濾器而降低嗎，我們說(shuō)過(guò)典型的壓降大概是1psi，所以那將被帶入到計(jì)算，比如說(shuō)，假設(shè)我們?cè)诤Ｆ矫?，那么?biāo)準(zhǔn)大氣壓力為14.7psi那

16、么我們將減去1psi把大氣壓力換算成壓氣機(jī)入口處的壓力。P1c = 壓氣機(jī)入口處壓力 Pamb = 環(huán)境壓力 Ploss = 進(jìn)氣系統(tǒng)壓力降低值P1c = 14.7 1 = 13.7 psia這樣一來(lái)我們就能計(jì)算增壓比了對(duì)2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō) = 3.147 到現(xiàn)在為止，我們有足夠的信息在壓氣機(jī)特性曲線圖上畫(huà)出這些工況點(diǎn)了。首先我們來(lái)試試GT2860RS這款渦輪，這款渦輪壓氣機(jī)葉片60mm,60的壓氣機(jī)葉輪。顯而易見(jiàn)這款壓氣機(jī)葉輪太小了，兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的工況點(diǎn)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了阻塞線。我們?cè)賮?lái)試試這款GT3076R發(fā)動(dòng)機(jī)，壓氣機(jī)葉輪直徑76mm，56對(duì)于2.0排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一個(gè)比較合適的壓氣機(jī)。它工作

17、的點(diǎn)略微接近壓氣機(jī)特性曲線的阻塞邊界，但這可以得到附加的喘振裕度。發(fā)動(dòng)機(jī)較低的轉(zhuǎn)速將會(huì)處于高效率區(qū)同時(shí)增壓器會(huì)較好的輸出表現(xiàn)而且響應(yīng)較快。對(duì)于5.0排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，這款壓氣機(jī)顯然太小了，無(wú)需考慮。既然我們已經(jīng)找到了可以接受針對(duì)2.0發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)，那么我們計(jì)算一個(gè)更低轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)工作點(diǎn)在特性曲線上所在的位置，然后看一下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行曲線圖。我們可以根據(jù)下面的方程來(lái)計(jì)算：我們將會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者理論推斷使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大扭矩點(diǎn)。這種情況下我們首先選擇5000rpm。式中：Wa=空氣流量（磅/每分鐘）MAP=歧管絕對(duì)壓力=35.1磅/平方英寸R=氣體常數(shù)=639.6Tm=歧管進(jìn)氣溫度=130FVE=充氣效率=0.98N=發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速=5000rpmVd=發(fā)動(dòng)機(jī)排量=122立方英寸把這個(gè)點(diǎn)繪到GT3071R壓氣機(jī)的特性曲線上，如下圖。這個(gè)圖中幾個(gè)點(diǎn)可以很好地代表在該增壓水平下的壓氣機(jī)運(yùn)行線，可以看出，非常適合該壓氣機(jī)的特性曲線。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在5000轉(zhuǎn)以