天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器的匹配試驗(yàn)研究

1、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器的匹配試驗(yàn)研究摘要隨著全球能源危機(jī)和污染加劇，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能要求和燃料種類越來(lái)越高。我國(guó)也根據(jù)自身的具體情況，逐漸對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車進(jìn)行研究。天然氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)是高新技術(shù)產(chǎn)品的代表之一，天然氣具有節(jié)能、低污染的天然優(yōu)勢(shì)、能滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，同時(shí)更是當(dāng)今能源危機(jī)有效的替代品。而渦輪增壓技術(shù)能提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，提高動(dòng)力性，減少排放等。正是由于各種排放和噪聲法規(guī)的大量出臺(tái)，石油資源的逐漸枯竭和人們對(duì)渦輪增壓技術(shù)的更高要求，車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓技術(shù)迎來(lái)了發(fā)展的黃金時(shí)期。本文研究的是NC4JR120柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與可變截面渦輪增壓器匹配

2、問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與NC4JR120型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的可變截面渦輪增壓器的高效性與經(jīng)濟(jì)性。本文以恒天動(dòng)力南昌有限公司研發(fā)實(shí)驗(yàn)室為研究平臺(tái)，然后擬定了詳細(xì)的試驗(yàn)方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出詳實(shí)準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)分析確定可變渦輪截面極佳的匹配效果。本文對(duì)增壓器運(yùn)行出現(xiàn)的喘振給出了分析，并針對(duì)如何提高增壓器匹配性能提出了調(diào)整建議。關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；增壓器；匹配；試驗(yàn)CNG Engine Matching with Turbocharger and its Experiment AnalysisAbstract As the global energy crisis and environment po

3、llution aggravating, requirements for engine emission and other available fuel are needed too. Our country put a great energy in vehicle engine research gradually according to our background. CNG engine is one of the most advanced technologies, which has the qualities of energy conservation, low pol

4、lution and legal to the nowadays laws and its a good substitute too. At the meantime, turbocharger can improve combustion efficiency, dynamic property and lower the pollution. In the history of internal combustion engine, turbocharger technology has played an important role in increasing power to we

5、ight ratio and fuel economy. So it is called the golden age of internal combustion engine. This dissertation studies the matching problem on NC4JR120 CNG engine. Based on the experiment of matching, the type of turbocharger is finally determined. Platform provided by HengTian engine Cor. before doin

6、g the experiment, some calculations about the experiment have been done. Two turbocharger types are prepared before the experiment. Then a detail experiment plan is carried out. The paper analyses the experiment data and make clear that VNT turbocharger has a better effect. The paper analyses the re

7、ason of surge phenomenon and gives some suggestions to increase the matching behavior.Key words: CNG engine; Turbocharger; Match; Experiment目錄摘要IAbstractII第一章 前言11.1天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)及其分類11.1.1天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)11.1.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的分類21.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓31.2.1增壓的分類31.2.2中冷技術(shù)31.3渦輪增壓器發(fā)展?fàn)顩r41.3.1國(guó)外發(fā)展41.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展的狀況51.4選題來(lái)源及意義61.5本文的研究?jī)?nèi)容

8、61.6本章小結(jié)6第二章 渦輪增壓系統(tǒng)原理及選型72.1渦輪增壓系統(tǒng)的原理72.1. 離心式壓氣機(jī)72.1.2廢氣渦輪82.2增壓系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程及性能的影響92.3 渦輪增壓器模型分析102.3.1壓氣機(jī)模型102.3.2渦輪模型112.3.3增壓器動(dòng)力學(xué)模型112.3.4發(fā)動(dòng)機(jī)模型112.4渦輪增壓器的選型122.4.1天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介122.4.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)選型132.5本章小結(jié)15第三章 試驗(yàn)組織163.1 試驗(yàn)條件163.2試驗(yàn)方案163.3試驗(yàn)用主要設(shè)備、儀器173.4 數(shù)據(jù)采集173.4.1 采集手段173.4.2 試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖183.5 本章小結(jié)18第四章 試驗(yàn)結(jié)

9、果與分析194.1增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)194.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)VNT匹配規(guī)律194.3增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性204.4增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性214.5 離心壓氣機(jī)喘振分析234.7 改進(jìn)建議264.7.1增壓器安裝建議264.7.2日常保養(yǎng)和使用264.6本章小結(jié)27第五章 總結(jié)28參考文獻(xiàn)29致謝30附錄A 外文翻譯-原文部分31附錄B 外文翻譯-譯文部分38附錄C 試驗(yàn)平臺(tái)圖片43附錄D EIM0301D測(cè)控儀操作規(guī)程45第一章 前言1.1天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)及其分類1.1.1天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)天然氣在21世紀(jì)世界能源供應(yīng)領(lǐng)域中占有中要的地位。由于天然氣汽車在排放方面具有明顯的優(yōu)越性，于使

10、用汽油車相比，天然氣汽車顆粒物排放幾乎為零，氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧乓诧@著降低，所以天然氣汽車在改善空氣質(zhì)量方面有這重要的意義。與此同時(shí)，天然氣汽車技術(shù)也得到了前所未有的發(fā)展，從過(guò)去的常壓天然氣汽車發(fā)展到壓縮天然氣，但是汽車在使用中仍存在一些問(wèn)題，其中最為突出的是發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、發(fā)送機(jī)服飾與早期磨損的問(wèn)題。（1）社會(huì)環(huán)保效益顯著藍(lán)色燃料是以甲烷為主要成分的氣態(tài)碳?xì)浠衔锶剂?，包括天然氣、石油伴生氣、煤層氣、煉廠氣等。正是由于藍(lán)色燃料這種蘊(yùn)藏的廣泛性、普遍性、所以不同的地區(qū)的藍(lán)色氣體成分有較大的差別，以此燃料為動(dòng)力的汽車被統(tǒng)稱為藍(lán)色動(dòng)力汽車。藍(lán)色燃料通常含甲烷85%，氮含量約10%，

11、其余還包括乙烷、丙烷、氫、二氧化碳、一氧化氮、硫化氫和氦等。該混合氣體燃燒后鎖生成的有害氣體顯著低于汽油和柴油的，特別是當(dāng)代先進(jìn)的藍(lán)色動(dòng)力乘用車可以綜合降低各類廢氣污染排放量的8212%，其中，非甲烷碳?xì)浠衔锟山档?6%，碳?xì)浠衔锟偭拷档?0%，一氧化碳可降低87%，二氧化碳可降低20%-30%，氮氧化合物可降低83%，鉛化物可降低100%，硫化物可降低70%以上。此外，當(dāng)在人口稠密的地區(qū)行駛時(shí)，藍(lán)色動(dòng)力汽車的臭氧煙霧生成量減少80%，溫室氣體排放量降低20%，不在有黑煙排出。為了減少汽車尾氣中有害物質(zhì)對(duì)大氣的污染，世界各國(guó)都制定了汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，而且其中有害成分的限制在逐年難度。使用天然氣

12、作為汽車燃料可以大量降低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中各種有害成分，這也是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家使用天然氣作為汽車燃料的一個(gè)最主要的原因。（2）有較高的經(jīng)濟(jì)效益在相同的當(dāng)量熱值時(shí)，世界各國(guó)一般將1立方米天然氣的價(jià)格控制為1L汽油、柴油的一半。隨著石化油氣的逐漸枯竭，天然氣的價(jià)格優(yōu)勢(shì)將更加明顯。如果各類發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率比較近，則天然氣汽車的燃料費(fèi)用大約是汽油車或柴油車的一半。這不僅彌補(bǔ)了由于汽車的運(yùn)行費(fèi)用大幅降低。就汽車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，天然氣容易擴(kuò)散，在發(fā)動(dòng)機(jī)中容易和空氣均勻混合，燃燒比較完全干凈，不易積炭，抗暴性能好，不會(huì)稀釋潤(rùn)滑油，因而使發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的零件磨損大大減少，使發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和潤(rùn)滑油的使用期限大幅增長(zhǎng)。這些都會(huì)降低汽

13、車的保養(yǎng)和運(yùn)行費(fèi)用，提高汽車的經(jīng)濟(jì)性。（3）使用安全經(jīng)過(guò)美國(guó)、俄羅斯、意大利、加拿大、阿根廷、荷蘭、澳大利亞等許多國(guó)家?guī)资甑氖褂帽砻鳎細(xì)馄囀且环N清潔安全的代用燃料汽車。汽車燃用天然氣比燃用汽油、柴油更安全。從燃點(diǎn)看，天然氣的自然溫度高達(dá)650-680e，遠(yuǎn)高于汽油的228-471e、柴油的200-300e， 這一特性決定了天然氣達(dá)到自然點(diǎn)起火的可能性比汽油、柴油小的多；從著火界限看，天然氣著火界限范圍為5%-15%，汽油為113%-716%。天然氣比空氣輕，稍有泄漏，很快就會(huì)擴(kuò)散到大氣中，要形成天然氣點(diǎn)燃的濃度比汽油難得多，因此，天然氣作為汽車燃料是安全的。（3）燃料費(fèi)和維修費(fèi) 大大降低

14、 按目前市場(chǎng)價(jià)格，1L93#為汽油8元，1立方米壓縮天然氣116元，1立方米天然氣動(dòng)力值等于1113L汽油。如一輛公交車每天用汽油250元，用壓縮天然氣只需花100元左右；一輛出租車每天用油70元，用壓縮天然氣只需花30元左右。燃油稅開(kāi)征后減半征收燃?xì)舛?。發(fā)動(dòng)機(jī)使用天然氣做燃料，運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低、不積碳、能拖延發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命，不需經(jīng)常更換汽油和火花塞，可節(jié)約50%以上的維修費(fèi)用。1.1.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的分類 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的分類方法常見(jiàn)的有根據(jù)攜帶天然氣的方式和燃料種類多少分兩種。根據(jù)燃料儲(chǔ)存的方式不同，可分為壓縮天然氣，液化天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、吸附天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)（ANG）和加氫壓縮天然氣（HCNG）發(fā)

15、動(dòng)機(jī)，根據(jù)燃料種類多少，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可分為兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、單燃料天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。 兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)即具有兩套相互獨(dú)立的燃料供給系統(tǒng)，一套供給天然氣，另一種供給天然氣之外的的燃料，兩套燃料供給系統(tǒng)可分別但不可同時(shí)共同向氣缸供給燃料，如汽油、壓縮天然氣兩用發(fā)動(dòng)機(jī)。兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改動(dòng)較小，易于實(shí)現(xiàn)，但由于不能對(duì)兩種燃料進(jìn)行優(yōu)化匹配，所以不能充分發(fā)揮兩種燃料的性能。 在CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展初期，由于加氣站設(shè)備不普及，同時(shí)制造廠家尚未開(kāi)發(fā)出充分發(fā)揮CNG的性能的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此將現(xiàn)生產(chǎn)的汽油機(jī)改裝為CNG、汽油機(jī)械式化油器兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)將CNG通過(guò)進(jìn)氣混合器將CNG

16、通入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣中。在燃料供給系統(tǒng)中，通過(guò)電磁閥切換供給CNG或汽油燃料。 為適應(yīng)商用車降低排放污染和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的發(fā)展需要，在CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展初期采用CNG和柴油的摻燒的方法，即通過(guò)在原柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)總增加天然氣混合器，將天然氣吸入，使天然氣與空氣形成可燃混合氣，混合氣進(jìn)入缸內(nèi)后，用柴油噴射引燃，柴油和CNG的供給想需求量進(jìn)行匹配，降低原柴油的供給量，低負(fù)荷時(shí)空燃比過(guò)大，甚至導(dǎo)致失火，而在大負(fù)荷時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比沿用柴油機(jī)壓縮比，非常容易爆震，同時(shí)由于部分負(fù)荷柴油噴射量較小，噴油器的潤(rùn)滑和冷卻問(wèn)題成為影響發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的新問(wèn)題。玉柴柴油機(jī)/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)表明，機(jī)械式的雙燃料發(fā)動(dòng)

17、機(jī)由于兩種燃料均采用機(jī)械式控制，替代比只能達(dá)到50%，并且由于控制精度有限，柴油的增壓壓力的波動(dòng)導(dǎo)致CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣量的變化從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。目前國(guó)外雙燃料技術(shù)發(fā)展水平較高，加拿大西港公司所采用高壓雙燃料電控系統(tǒng)中，CNG和柴油共用一個(gè)噴嘴，可單獨(dú)精確控制柴油、天然氣的噴射時(shí)間和噴射量，CNG對(duì)柴油的替代率高達(dá)90%以上，同時(shí)達(dá)到滿足歐四的排放法規(guī)需求，代表了雙燃料的發(fā)展方向。單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)即只用一種品種的燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，如CNG發(fā)動(dòng)機(jī)或LPG發(fā)動(dòng)機(jī)。單燃料天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)天然氣的特性對(duì)燃燒系統(tǒng)、燃燒供給系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性開(kāi)發(fā)，充分發(fā)掘發(fā)動(dòng)機(jī)的潛能，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放均比雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)好，

18、是目前氣體發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。如根據(jù)天然氣辛烷值高的特點(diǎn)，增大壓縮比，同時(shí)利用增壓中冷、稀薄燃燒技術(shù)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、可靠性同時(shí)降低排放、汽耗。國(guó)外CNG發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分采用此種形式。并且采用電控噴射、增壓中冷、高能點(diǎn)火，二元催化等發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的高新技術(shù)。利用柴油機(jī)改裝的火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在國(guó)內(nèi)外均已投放市場(chǎng)。1.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓1.2.1增壓的分類 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓方式主要分為三類：機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓裝置（如螺桿式、離心式等），實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣的壓縮。機(jī)械增壓的特點(diǎn)是：不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓，但消耗有效功率，總體布置有一定的局限性，增壓壓力一般也不超過(guò)0.150.17MPa

19、，但是由于是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接驅(qū)動(dòng)，所以對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)比較好，對(duì)于加速性要求較高的車輛，如某些跑車所配備的發(fā)動(dòng)機(jī)就使用機(jī)械增壓。 排氣渦輪增壓利用排氣能量使排氣在渦輪中進(jìn)一步膨脹做功，用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)的增壓方式。特點(diǎn)是不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，增壓器的布置比較靈活，渦輪還能降低部分排氣噪聲，進(jìn)一步減少排氣中的有害成分。渦輪增壓包括多種方式，如二級(jí)渦輪增壓等等。目前渦輪增壓是應(yīng)用最廣泛的增壓方式。 氣波增壓利用排氣系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)效應(yīng)來(lái)壓縮進(jìn)氣；可變長(zhǎng)度進(jìn)氣管直接利用進(jìn)氣壓力波和進(jìn)氣慣性來(lái)增加進(jìn)氣量，實(shí)際上也是一種氣波增壓。氣波增壓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低工況時(shí)有較高的增壓壓力，工況的適應(yīng)性好；但是質(zhì)量和體積

20、較大，安裝受限制，效率較低，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲比較大，這些缺點(diǎn)限制了氣波增壓的應(yīng)用。另外還可以將多種增壓方式加以組合，稱為復(fù)合增壓，以獲得更好的增壓效果。比如將渦輪增壓和機(jī)械增壓組合，形成串聯(lián)式或并聯(lián)式的復(fù)合增壓。1.2.2中冷技術(shù) 增壓中冷天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是在壓氣機(jī)出口和發(fā)動(dòng)機(jī)入口之間安置空氣中間冷卻器（中冷器），使增壓后的空氣溫度降低、密度增大，增加循環(huán)進(jìn)氣量。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度每下降1，最高燃燒溫度和排氣溫度就下降23。增壓中冷降低了增壓后進(jìn)氣的溫度，就能降低最高壓力、壓力升高率，以及最高燃燒溫度，緩解了熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的增加。因此可以較大幅度的提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，還可以提高經(jīng)濟(jì)性，降低排放，尤其是NOx

21、的排放水平。 中冷器的冷卻方式按照冷卻介質(zhì)的不同，有水冷式和風(fēng)冷式兩種。 水冷式根據(jù)冷卻水系的不同分為兩種方式： 用柴油機(jī)冷卻系的冷卻水冷卻這種方式不需要另設(shè)水路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是由于冷卻水的溫度較高，在高負(fù)荷時(shí)對(duì)增壓空氣的冷卻效果較差，因此只能用于增壓度不大的柴油機(jī)中。 用獨(dú)立的冷卻水系冷卻柴油機(jī)有兩套冷卻水系，其中的一套用于中冷器。這種方式最好。水冷式中冷器一般應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)中置或后置的車輛上，以及大排量發(fā)動(dòng)機(jī)上。例如奔馳S400CDI轎車和奧迪A8TDI轎車搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)都使用了水冷式中冷器。風(fēng)冷式根據(jù)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇的動(dòng)力不同，分為兩種方式： 用曲軸驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇把中冷器置于冷卻水箱前面，用柴油機(jī)曲軸

22、驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇與行駛時(shí)的迎面風(fēng)冷卻中冷器和水箱。這是車用柴油機(jī)的普遍冷卻方式，但在低負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣過(guò)冷，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。 用壓縮空氣渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇由壓氣機(jī)分出一小股氣流驅(qū)動(dòng)一個(gè)渦輪，帶動(dòng)風(fēng)扇來(lái)冷卻中冷器。這種方式雖然效果較差，但是冷卻風(fēng)量隨負(fù)荷變化，兼顧了不同負(fù)荷時(shí)的燃燒性能，而且尺寸小，安裝方便。1.3渦輪增壓器發(fā)展?fàn)顩r1.3.1國(guó)外發(fā)展 美國(guó)、歐洲、日本和澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)的重型卡車柴油機(jī)已100%采用增壓器，中小型汽車柴油機(jī)采用增壓器的達(dá)80%，轎車柴油機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)的和汽油機(jī)采用渦輪增壓的也在不斷增多。車用發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用徑流式渦輪增壓器。國(guó)外徑流式渦輪增壓器產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)主要集中在

23、美國(guó)的聯(lián)信渦輪增壓系統(tǒng)公司、Schwizer(施韋策)公司、英國(guó)的Holset公司、德國(guó)的KKK公司、日本的MHI和IHI等幾個(gè)大的集團(tuán)公司。美國(guó)Allied Signal公司目前生產(chǎn)Garrert牌、AIReseareh牌、Roto-Master牌、Rajay牌渦輪增壓器以及Garrett牌中冷器，生產(chǎn)廠遍及世界10個(gè)國(guó)家(美國(guó)、墨西哥、巴西、愛(ài)爾蘭、英國(guó)、法國(guó)、意大利、日本、南韓和中國(guó))。德國(guó)KKK公司是世界上生產(chǎn)小型渦輪增壓器的著名廠商之一。為適應(yīng)汽油機(jī)增壓的需要，KKK公司積極開(kāi)展陶瓷渦輪和隔熱渦輪箱的研制開(kāi)發(fā)工作，采用的新技術(shù)主要有;應(yīng)用電子控制的增壓壓力調(diào)節(jié)裝置來(lái)控制轎車或卡車發(fā)動(dòng)

24、機(jī)的增壓；采用可調(diào)噴嘴的可變截面渦輪增壓器并開(kāi)發(fā)出一套相配套的電子控制裝置；旁通閥和渦輪箱鑄成一體，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高可靠性和降低成本；帶有兩個(gè)渦輪增壓器的順序增壓器。瑞士的ABB公司以生產(chǎn)軸流式渦輪增壓器為主，但也有部分徑流式渦輪增壓器產(chǎn)品。此外，國(guó)外生產(chǎn)徑流式渦輪增壓器的公司還有美國(guó)的AerodyneDalls（愛(ài)羅達(dá)因達(dá)勒斯）公司、德國(guó)的MTU公司、日本的Kornatsu(小松)、Toyota(豐田)、Nissan(日產(chǎn))和Hitaehi(日立)等公司，但這些公司小型徑流渦輪增壓器產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模較小。1.3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展的狀況我國(guó)從1958年開(kāi)始渦輪增壓技術(shù)的研究工作，經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)發(fā)、

25、生產(chǎn)，增壓技術(shù)有了較大的發(fā)展，目前我國(guó)共有增壓器生產(chǎn)廠家100余家，具有較大生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)質(zhì)量水平較高并具有一定開(kāi)發(fā)能力的廠家有：湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司、山東壽光康躍增壓器廠、鳳城汽車增壓器廠、沈陽(yáng)黎明增壓器廠、重慶江津增壓器廠、山東濰坊富源增壓器有限公司、無(wú)錫霍爾塞特公司（中英對(duì)照合資）等。目前國(guó)內(nèi)在增壓器開(kāi)發(fā)技術(shù)、制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模等方面處于領(lǐng)先水平的是成立于1994年首家美國(guó)獨(dú)資企業(yè)霍尼韋爾渦輪增壓系統(tǒng)（上海）有限公司和中英合資企業(yè)無(wú)錫霍爾塞特工程有限公司，經(jīng)過(guò)10余年發(fā)展，它們已經(jīng)分別達(dá)到30萬(wàn)臺(tái)以上的產(chǎn)銷規(guī)模。渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與增壓發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)發(fā)展的要求密切相關(guān)，主要是滿

26、足更高要求的排放法規(guī)和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的全工況性能。因此，要求渦輪增壓系統(tǒng)有更高的熱效率；在增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配上采用電子控制系統(tǒng)，使增壓系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳匹配；對(duì)渦輪增壓器要求尺寸更小，質(zhì)量更輕，同時(shí)要具有良好的可靠性，易于實(shí)現(xiàn)系列化生產(chǎn)等等。車用渦輪增壓技術(shù)的特征總體來(lái)說(shuō),當(dāng)今的車用渦輪增壓技術(shù)主要具有以下4點(diǎn)特征：（1）小型化在發(fā)動(dòng)機(jī)重量及體積增加很少的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要做重大改變，即很容易提高功率20% 50%。由于不像機(jī)械增壓時(shí)壓比受到限制,故近年來(lái)高增壓的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。高增壓時(shí)，功率提高甚至可大于100%。因此，采用渦輪增壓技術(shù)，可在功率保持不變的前提下，大大降

27、低發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸、這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛的小型化、輕量化和降低成本有巨大的吸引力。（2）節(jié)能渦輪增壓器的原理是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)同軸的壓氣機(jī)工作，壓氣機(jī)對(duì)將進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣進(jìn)行壓縮，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓后耗油率可降低5% 10%。因此我們能用小功率的帶渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)代替大功率的自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。（3）環(huán)保渦輪增壓器能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能，必將降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體和CO2的排放量。若把自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)改成同樣排量的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，因其空氣供應(yīng)充足，碳煙和CO的排放大幅度減少；由于燃燒充分，燃燒溫度

28、升高，燃燒室的化學(xué)反應(yīng)更趨強(qiáng)烈，HC化合物的排放也會(huì)降低。但吸入氣缸的空氣量增加和燃燒室溫度升高，使平均有效NOx的排放量增加。同時(shí)，提高了充氣溫度，縮短了滯燃期，降低了燃燒噪聲。（4）高原功率補(bǔ)償在高原條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸進(jìn)氣流量減少，空氣中的含氧量降低，使燃燒過(guò)程惡化，后燃現(xiàn)象加重，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，冒煙加重。為了更好地組織燃燒，提高氧的利用率，采用渦輪增壓技術(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，補(bǔ)償因進(jìn)氣不足而損失的功率。1.4選題來(lái)源及意義采用增壓技術(shù)可以提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并可以節(jié)約能源、降低噪聲，可以在高海拔地區(qū)使用時(shí)恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)因空氣稀薄導(dǎo)致的功率下降，適應(yīng)高海拔地區(qū)車輛和工程機(jī)械作業(yè)的

29、要求。特別是近年來(lái)世界各國(guó)對(duì)汽車排放法規(guī)控制越來(lái)越嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器技術(shù)被放到越來(lái)越突出的位置。因此，作者認(rèn)為有必要以NC4JR120柴油機(jī)改造天然氣系統(tǒng)的匹配為課題進(jìn)行研究，意義在于：（1）進(jìn)一步提高該型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，發(fā)掘潛在的動(dòng)力性能；（2）滿足用戶需要、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，從而進(jìn)一步打開(kāi)市場(chǎng)，提高市場(chǎng)占用率。1.5本文的研究?jī)?nèi)容 作者以南昌恒天動(dòng)力有限公司天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室為研究平臺(tái)，先期進(jìn)行了試驗(yàn)計(jì)算，初定了兩種增壓器，擬定詳細(xì)的試驗(yàn)方案。經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定哪種增壓器具有更佳的匹配效果。論證使用葉片可調(diào)渦輪增壓器的可行性和運(yùn)行的高效性，對(duì)增壓器運(yùn)行出現(xiàn)的喘振給出了分析，并針對(duì)

30、如何提高增壓器匹配性能提出調(diào)整建議。1.6本章小結(jié)本章簡(jiǎn)明講述了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)和種類，渦輪增壓器的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)加裝渦輪增壓器的簡(jiǎn)易方法就可以大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，減少有害污染物的排放，如何使渦輪增壓器與天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的性能達(dá)到最佳被提到日程上來(lái)。各國(guó)紛紛致力研究提升渦輪增壓技術(shù)，不斷改進(jìn)渦輪增壓器的設(shè)計(jì)制造理論和工藝，提出新設(shè)計(jì)的理念。本人以南昌恒動(dòng)有限公司天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室為研究平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定哪種增壓器具有更佳的匹配效果。第二章 渦輪增壓系統(tǒng)原理及選型 發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓方式有許多種，按照壓縮空氣時(shí)源動(dòng)力和渦輪增壓器結(jié)構(gòu)的不同，增壓方式可分為機(jī)械增壓、

31、廢氣渦輪增壓、氣波增壓、復(fù)合增壓等。不同的增壓方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但目前應(yīng)用最為廣泛的增壓方式是廢氣渦輪增壓。2.1渦輪增壓系統(tǒng)的原理 所謂廢氣渦輪增壓，就是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫高壓廢氣，來(lái)驅(qū)動(dòng)增壓器渦輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)與之同軸的壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)葉輪從大氣中吸入空氣，利用壓氣機(jī)葉輪對(duì)空氣壓縮做功，使空氣的壓力增高，從而提高空氣的密度，使得進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣增多，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大幅度提升。發(fā)動(dòng)機(jī)采用廢氣渦輪增壓后機(jī)械效率明顯提高，燃油消耗率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性得到改善，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較大的過(guò)量空氣系數(shù)情況下，燃燒較完全，排氣污染得到改善。因此，廢氣渦輪增壓系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

32、 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)采用單離心式壓氣機(jī)，渦輪部分一般采用單級(jí)渦輪。按照廢氣在渦輪中流動(dòng)方向來(lái)區(qū)分，有徑流式和軸流式兩種。一般車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)多采用徑流式廢氣渦輪增壓，大功率發(fā)動(dòng)機(jī)多采用軸流式增壓，混流式渦輪增壓也越來(lái)越多。目前車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用帶旁通閥結(jié)構(gòu)的徑流式廢氣渦輪增壓器，渦輪增壓系統(tǒng)主要由離心式廢氣渦輪兩部分。2.1.1離心式壓氣機(jī) 廢氣渦輪增壓器中的離心式壓氣機(jī)一般由以下幾個(gè)部分組成：進(jìn)氣裝置,工作輪，擴(kuò)壓器，出氣蝸殼。 （1）導(dǎo)流罩(也稱吸氣殼)：它是壓氣機(jī)的進(jìn)氣裝置。新鮮空氣從機(jī)車外壁通過(guò)濾清器吸入后，經(jīng)導(dǎo)流罩進(jìn)入壓氣機(jī)的工作葉輪。為減少損失，保證在工作輪進(jìn)口截面處獲得均勻的氣流

33、，常使空氣沿著壓氣機(jī)的軸線方面進(jìn)入工作輪。這種軸向進(jìn)氣道略呈收斂形，以形成有利的吸氣條件。根據(jù)能量守恒原理，氣流通過(guò)收斂形的進(jìn)氣道后，速度稍有提高，故在工作輪進(jìn)口處的氣流壓力和溫度均比進(jìn)口的大氣狀態(tài)有所降低，這有助于外界空氣通過(guò)進(jìn)氣道源源不斷地流入。 （2）工作葉輪：是離心式壓氣機(jī)的主要部分，是安裝在渦輪所帶動(dòng)的壓氣轉(zhuǎn)軸上的高速旋轉(zhuǎn)元件。它的作用是把渦輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成空氣的動(dòng)能和壓力能。工作葉輪的葉片一般為徑向直葉片，空氣沿著這些葉片組成的流道內(nèi)流動(dòng)，并在極大的離心力作用下被甩向輪緣后流入擴(kuò)壓器，因?yàn)闅饬鳒囟萒、壓力P、速度C均大有提高，因而擁有高的動(dòng)能和壓力能。為減小流動(dòng)損失，使氣流無(wú)沖擊地

34、進(jìn)入工作輪，通常把工作輪葉片的前緣部分做成彎曲形狀，稱之為導(dǎo)風(fēng)輪，起進(jìn)氣導(dǎo)向作用。工作輪主要有封閉式和半封閉式兩種。封閉式工作輪指葉片所組成的流道兩側(cè)被輪蓋和輪盤封閉，使空氣流經(jīng)工作輪流道時(shí)與殼體之間沒(méi)有摩擦，因此氣流損失較小，效率較高，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而很少采用。半封閉式工作葉輪只有輪盤，沒(méi)有輪蓋，空氣流經(jīng)流道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣流損失，并且部分氣流會(huì)從一個(gè)流道越過(guò)葉片頂部進(jìn)入另一個(gè)流道，造成潛流損失，但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，并有足夠強(qiáng)度和剛度而得到廣泛應(yīng)用。 （3）擴(kuò)壓器：通常由無(wú)葉擴(kuò)壓器和有葉擴(kuò)壓器兩部分組成。它的作用是把從壓氣機(jī)葉輪來(lái)的高速空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，在擴(kuò)壓器中氣流的運(yùn)動(dòng)速度降低，

35、壓力增高。無(wú)葉擴(kuò)壓器又稱縫隙式擴(kuò)壓器，它是一個(gè)環(huán)形的空腔，具有平行的稍為收斂形的間壁。它的作用是使流出工作葉輪的高速氣流的速度均勻并使其稍有下降，以減小進(jìn)入葉片擴(kuò)壓器時(shí)的流動(dòng)損失。特別是當(dāng)工作葉輪出口處的氣流速度超過(guò)音速時(shí)，通過(guò)無(wú)葉擴(kuò)壓器可使氣流速度下降到小于音速，避免氣流沖擊波。 （4）出氣蝸殼：它的作用是收集從擴(kuò)壓器來(lái)的增壓空氣，使增壓空氣沿著按氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并沿著其圓周逐漸增大的流通截面。2.1.2廢氣渦輪 廢氣渦輪主要由渦輪進(jìn)氣殼，噴嘴環(huán)，工作輪，渦輪出氣殼和渦輪軸五個(gè)部分組成。 廢氣渦輪的主要部件是噴嘴環(huán)和工作輪。噴嘴環(huán)是徑向排列著的導(dǎo)向葉片的圓環(huán)，在工作輪的圓周邊緣上嵌有一圈的工作

36、葉輪片。當(dāng)廢氣流進(jìn)工作輪葉片時(shí)，由于氣流在通道內(nèi)轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生離心作用，以及氣流的相對(duì)速度增加對(duì)葉片產(chǎn)生反作用的緣故，氣流在葉片的凹面上壓力提高，而在葉片的凸面則壓力減小。作用在工作葉片表面壓力的合力，就形成了推動(dòng)工作輪旋轉(zhuǎn)地扭矩。 按照廢氣在渦流中的流動(dòng)方向，廢氣渦輪可分為軸流式和徑流式兩大類。在軸流式渦輪中，廢氣沿渦輪旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)。當(dāng)流量較大時(shí)效率較高，適用于大流量的廢氣渦輪增壓器。在徑流式渦輪中，廢氣沿與渦輪旋轉(zhuǎn)軸線垂直的平面徑向流動(dòng)。在流量較小時(shí)，它的效率較高，制造又較簡(jiǎn)單，適用于小流量的廢氣渦輪增壓器。 （1）渦輪進(jìn)氣殼。渦輪進(jìn)氣殼把發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器連接起來(lái)，將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣，按照噴嘴環(huán)

37、進(jìn)口形狀均勻地進(jìn)入噴嘴環(huán)，以減少流動(dòng)損失，充分利用廢氣能量。由于廢氣溫度高（一般控制在600內(nèi)），速度也高，渦輪進(jìn)氣殼的通道截面要按一定規(guī)律變化，通道表面要求光滑，以減少氣流阻力損失。 （2）噴嘴環(huán)。噴嘴環(huán)安裝在渦輪進(jìn)氣殼與工作輪之間，廢氣從這里引入工作輪。噴嘴環(huán)的導(dǎo)向葉片均勻地分布在噴嘴環(huán)上，葉片間的通道是漸縮的，葉片在噴嘴環(huán)的出口處有一定的出口角，這樣，廢氣在流過(guò)噴嘴環(huán)后，均勻、高速并朝著一定的方向沖擊工作輪葉片。噴嘴環(huán)對(duì)渦輪的工作性能影響很大，因此對(duì)制造加工的要求較高，通道的表面要求光潔，導(dǎo)向葉片的出口角及噴嘴環(huán)出口面積都要求精確。 （3）工作輪。工作輪是把從噴嘴環(huán)出來(lái)的高速?gòu)U氣的功能和

38、壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的。其結(jié)構(gòu)依徑流式渦輪與軸流式渦輪而不同。徑流式渦輪的工作輪葉片一般都與輪盤做成一體。葉片的葉形目前大都采用拋物線形，工作輪的形式有半開(kāi)式和星形。軸流式渦輪的工作輪由工作葉輪和輪盤組成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。其連接方式有整體式和裝配式兩種。 （4）渦輪出氣殼。渦輪出氣殼是將已作了功的廢氣引出渦輪增壓器，它在渦輪增壓器的幾個(gè)殼體中間，起著支架的作用，支撐整個(gè)增壓器的重量。 （5）渦輪軸。渦輪軸將渦輪工作輪和壓氣機(jī)工作輪連接在一起，傳遞扭矩。工作輪與渦輪軸的連接方式有體式和裝配式兩種。整體式是將工作輪的輪盤與渦輪軸鍛成一體，或焊接成一體。這種渦輪在工作時(shí)，輪盤不會(huì)松脫，動(dòng)平衡不易破壞，零

39、件少。但有部分零件損壞后不易修復(fù)。裝配式優(yōu)缺點(diǎn)與整體式正好相反，其是將工作輪的輪盤與渦輪軸用鍵連接。2.2增壓系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程及性能的影響 一臺(tái)性能優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)，主要表現(xiàn)在比功率大、比質(zhì)量小、燃油消耗率低，排放污染小，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，操作方便，等等。而影響內(nèi)燃機(jī)功率大小的因素很多，可以表達(dá)為：其中，為有效功率, 為氣缸數(shù)，為氣缸工作容積，為燃料低熱值，為化學(xué)計(jì)量比，也就是燃燒1燃料所需要的理論空氣量；為沖程數(shù)；是充量系數(shù)；是指示熱效率；是空燃比；是機(jī)械效率；是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣密度。 由上式可知，提高內(nèi)燃機(jī)的功率主要有下列途徑：結(jié)構(gòu)方面，增大氣缸直徑和活塞行程，增加氣缸數(shù)。 在

40、工作過(guò)程方面，采用二沖程，提高充量系數(shù)，改善燃燒過(guò)程，優(yōu)化空燃比。 在提高機(jī)械效率方面，減少摩擦損失，優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)扇、水泵、機(jī)油泵等輔助系統(tǒng)。 在運(yùn)行方面，適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，等等。 但是，簡(jiǎn)單的更改發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑等幾何參數(shù)，會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，而且大大增加發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)成本；二沖程則會(huì)降低熱效率；高轉(zhuǎn)速增加了摩擦損失，而且增加了運(yùn)動(dòng)件的慣性力。只有采用增壓技術(shù)改進(jìn)柴油機(jī)，可以提高充量密度，大大提高功率，改善燃燒過(guò)程和經(jīng)濟(jì)性，降低排放以及噪聲。目前，世界上對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行增壓已經(jīng)是基本設(shè)計(jì)。從動(dòng)力性角度，內(nèi)燃機(jī)所能發(fā)出的最大功率主要是由燃料有效燃燒發(fā)出的熱量決定的，而這受到每循環(huán)吸入氣缸內(nèi)實(shí)際空

41、氣量的限制。如果空氣在進(jìn)入氣缸前得到壓縮，空氣密度增加，則可以進(jìn)入更多的新鮮空氣，因而可以增加循環(huán)供油量，獲得更大的輸出功率。從經(jīng)濟(jì)性角度，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣得到壓縮，換氣過(guò)程形成正的泵氣功，渦輪增壓還能利用一部分排氣能量，發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率有所提高；因?yàn)橛袙邭庾饔?，缸?nèi)殘余廢氣系數(shù)降低，同時(shí)減少了對(duì)進(jìn)氣的加熱，充量系數(shù)得到提高；機(jī)械效率也隨增壓度的提高而提高。所以根據(jù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率有所降低，經(jīng)濟(jì)性提高。從排放角度，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用相對(duì)較大的過(guò)量空氣系數(shù)，所以燃燒可以更充分，HC、CO和碳煙排放都降低。CO是柴油不完全燃燒的產(chǎn)物，增壓后，過(guò)量空氣系數(shù)增大，排放中的CO減少。的生成率隨溫度升高

42、而急劇上升；發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后，缸內(nèi)溫度升高，加速了NO的生成。由于增壓后，缸內(nèi)富氧，溫度較高，燃燒反應(yīng)加快，因而HC含量減少。發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓在發(fā)動(dòng)機(jī)的總質(zhì)量和體積基本不變的情況下，輸出功率得到較大提高，提高了升功率、比質(zhì)量功率和比體積功率，降低了單位功率的造價(jià)；增壓有利于高原稀薄空氣條件下恢復(fù)功率；增壓可以使滯燃期縮短，降低壓力升高率和燃燒噪聲；對(duì)于渦輪增壓，排氣在渦輪中進(jìn)一步膨脹，降低了排氣噪聲。2.3 渦輪增壓器模型分析渦輪增壓系統(tǒng)模型由壓氣機(jī)模型、渦輪模型、增壓器動(dòng)力學(xué)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型四大組成部分。廢氣渦輪增壓器是由壓氣機(jī)和燃?xì)鉁u輪組成，壓氣機(jī)通常采用單級(jí)離心式、徑向葉輪和無(wú)葉擴(kuò)壓器，而燃?xì)鉁u

43、輪的型式取決于增壓器的大小，小型渦輪增壓器的廢氣渦輪一般采用徑流式渦輪，大型廢氣渦輪增壓器則采用單級(jí)軸流式渦輪。廢氣渦輪增壓器在穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中必須滿足渦輪與壓氣機(jī)能量平衡、流量平衡及轉(zhuǎn)速相等三個(gè)條件。2.3.1壓氣機(jī)模型壓氣機(jī)的質(zhì)量流量、效率、轉(zhuǎn)矩和壓比有如下關(guān)系：根據(jù)增壓器生產(chǎn)廠家提供的壓氣機(jī)特性曲線，給出壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速和流量，即可得出壓氣機(jī)的壓比和效率，由、和,根據(jù)牛頓定律，可求出壓氣機(jī)消耗的扭矩，即 （2-1）式中，為氣體常數(shù)；為等熵指數(shù)；為環(huán)境溫度。2.3.2 渦輪模型渦輪的質(zhì)量流量、效率、轉(zhuǎn)速、膨脹比有如下關(guān)系： , 。根據(jù)渦輪特性曲線，給出渦輪的轉(zhuǎn)速和流速，即可得出膨脹比和效率。由、

44、 和，根據(jù)牛頓定律，可求出渦輪所發(fā)出的扭矩,即 （2-2）式中，為氣體常數(shù)；為等熵指數(shù)；為燃燒室出口溫度。2.3.3 增壓器動(dòng)力學(xué)模型廢氣對(duì)渦輪所做的功一部分用于壓氣機(jī)壓縮空氣，另一部分則消耗于摩擦損失（不計(jì)散熱損失）得增壓器轉(zhuǎn)子扭矩的平衡方程： （2-3） （2-4） 式中，為增壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，,為摩擦系數(shù)。2.3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)模型（1）發(fā)動(dòng)機(jī)流量忽略殘余廢氣系數(shù)，進(jìn)入氣缸的氣體流量可按下式計(jì)： （2-5）式中，為氣體充氣效率，僅是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，可由發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得；為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排量；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；為增壓壓力；為增壓溫度。（2）扭矩按下式計(jì)算： （2-6）式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率；發(fā)動(dòng)機(jī)

45、轉(zhuǎn)速和空燃比的函數(shù)，可由臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得；為單位時(shí)間噴入氣缸的燃油量；為燃油低熱值。（3）摩擦扭矩 可采用一個(gè)反映平均摸彩壓力與轉(zhuǎn)速間函數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式： （2-7）式中，為平均摩擦壓力；為系數(shù)；為活塞平均速度。摩擦損失扭矩： （2-8）（4）發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡方程： （2-9）式中，為負(fù)載扭矩；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2.4渦輪增壓器的選型2.4.1天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介NC4JR120天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)為1臺(tái)多點(diǎn)噴射電控柴油機(jī)，排量為2.8L，壓縮比為11.2，最高轉(zhuǎn)速為3600r/min。在原柴油機(jī)的電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加裝1套天然氣電控噴射系統(tǒng)，電子點(diǎn)火系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制、點(diǎn)或

46、控制，怠速控制及VNT控制等功能。圖2-1天然氣供氣系統(tǒng)NC4JR120天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)主要由高壓氣瓶、天然氣氣路關(guān)電磁閥、天然氣噴射閥組成，氣瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)存的約20MPa高壓天然氣經(jīng)減壓閥后壓力降低為0.5MPa左右，然后供入天然氣噴射閥噴入各缸進(jìn)氣歧管。系統(tǒng)中的天然氣噴射閥選用了KEIHIN燃?xì)鈬娮臁?.4.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)選型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓面臨著與汽油機(jī)增壓同樣的技術(shù)難題，其主要技術(shù)瓶頸在于爆燃、混合氣控制、熱負(fù)荷和增壓器的特殊要求等方面：（1）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后，由于進(jìn)氣溫度和壓力提高及燃燒受熱零件熱負(fù)荷升高等原因，將促使爆燃發(fā)生。本文中原柴油機(jī)的電控系統(tǒng)匹配有爆震傳感器，爆震控

47、制功能確保了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制的可靠性；（2）混合器式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行增壓時(shí)，氣流流經(jīng)混合器喉口的壓力是變化的，使混合氣的濃度難于精確控制。本文采用電控燃?xì)鈬娚浼夹g(shù)，降低了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器匹配的難度；（3）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，膨脹比小，排氣溫度比柴油機(jī)高200-300攝氏度。因此，增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷嚴(yán)重，應(yīng)采用空-空中冷器冷卻進(jìn)氣；（4）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)增壓比低、流量范圍廣、熱負(fù)荷高、最高轉(zhuǎn)速高且轉(zhuǎn)速范圍大。這就要求增壓器體積小、耐高溫性能好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、效率高。為了適應(yīng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，同時(shí)避免爆震現(xiàn)象出現(xiàn)，一般情況下采用對(duì)增壓壓力進(jìn)行控制。常用控

48、制方法為： （1）采用放氣閥。在放氣閥包括進(jìn)行進(jìn)氣放氣閥和排氣放氣閥。采用排氣放氣閥是較為普遍的方案，為了確保低速性能，放氣點(diǎn)懸在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)處，發(fā)動(dòng)機(jī)高速工作時(shí)，通過(guò)旁通閥放出渦輪前的一部分廢氣，以降低增壓器轉(zhuǎn)速和壓比來(lái)限制最高燃燒壓力。這是目前采用較多的方法，不足之處是由于放走了一部分廢氣，造成了能量損失，犧牲了增壓器的效率，發(fā)動(dòng)機(jī)高工況情況的燃料消耗率有所增加。 車用發(fā)動(dòng)機(jī)一般采取高工況下放部分廢氣不經(jīng)過(guò)渦輪做功而直接排入大氣。與變截面渦輪增壓方式相比，在高工況下由于部分排氣沒(méi)有經(jīng)過(guò)渦輪做功便排出，是一種能量上的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性不如前者，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，可靠性高，通過(guò)與發(fā)動(dòng)機(jī)的良

49、好匹配，通過(guò)提高常用工況的性能，犧牲部分非常用工況的性能的方式，一樣可以滿足使用要求。（2）采用可變截面渦輪增壓器?？勺儨u輪截面增壓器包括：通過(guò)改變噴嘴環(huán)葉片角度的VNT及軸向變 渦輪形式的渦輪增壓器。由于VNT可以在不損害高工況經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)使低俗轉(zhuǎn)矩提高，并可擴(kuò)大低油耗運(yùn)行區(qū)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性?？勺兘孛鏈u輪增壓系統(tǒng)的基本工作原理是從低速到高速通過(guò)分段或連續(xù)改變渦輪截面，來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)低工況時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)。燃?xì)馔ㄟ^(guò)渦輪噴嘴葉片時(shí)，根據(jù)柴油機(jī)外界負(fù)荷的變化來(lái)改變噴嘴環(huán)葉片的角度和當(dāng)量流通面積，使進(jìn)入渦輪葉片的氣流參數(shù)發(fā)生變化，從而達(dá)到渦輪增壓器與柴油機(jī)在各工況下有良好的匹配。變截面渦輪增壓系統(tǒng)

50、還可以提高柴油機(jī)的瞬態(tài)特性和降低瞬態(tài)排放。噴嘴出口面積可由以下公式計(jì)算：噴嘴環(huán)出口面積；噴嘴環(huán)截面形心半徑；噴嘴環(huán)出口氣流角變截面增壓器有多種實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)有葉噴嘴，改變?nèi)~片的安裝角，可以改變氣流的出口角度，從而改變噴嘴環(huán)的出口截面積，相當(dāng)于改變了面徑比()；對(duì)于無(wú)葉噴嘴，則在渦殼內(nèi)設(shè)置輔助裝置用以改變值。通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)葉片角度來(lái)改變蝸殼噴嘴出口面積。發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，通過(guò)關(guān)小噴嘴換環(huán)減小渦輪流通截面積，使增壓壓力提高，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速特性；發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)，噴嘴環(huán)逐漸打開(kāi)，渦輪流通截面積增大，使增壓壓力相對(duì)減小，解決增壓過(guò)量的問(wèn)題。本文采用上海菱重生產(chǎn)的TF035HM作為普通增壓器，再加裝步進(jìn)電機(jī)

51、作為VNT截面可調(diào)增壓器，可調(diào)渦輪增壓器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)控制，控制方案如下圖所示。通過(guò)改變可變噴嘴環(huán)控制拉桿位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪噴嘴環(huán)葉片角度的調(diào)整，并通過(guò)可變噴嘴環(huán)控制拉桿位置，傳感器檢測(cè)的控制拉桿的實(shí)際位置，對(duì)可變噴嘴渦輪增壓器進(jìn)行閉環(huán)控制。圖2-2 VNT增壓器執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.5本章小結(jié)本章介紹了渦輪增壓器的組成與原理，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪增壓器的選型。渦輪增壓器由離心式壓氣機(jī)和廢氣渦輪組成。壓氣機(jī)由進(jìn)氣裝置、工作輪、擴(kuò)壓器、出氣蝸殼組成。廢氣渦輪由噴嘴環(huán)和工作輪等組成，渦輪增壓器的調(diào)節(jié)方式有排氣調(diào)節(jié)和變截面調(diào)節(jié)。分析了渦輪增壓器模型,并且確定了發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)和渦輪增壓器的型號(hào)。第三章 試驗(yàn)組織

52、3.1 試驗(yàn)條件在進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在以下大氣狀態(tài)下進(jìn)行：溫度（）：283KT313K 0=273.15K氣壓（）：80kPa110 kPa當(dāng)試驗(yàn)的大氣狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)（溫度=298K，干空氣壓=99 kPa）有差異時(shí)，應(yīng)對(duì)實(shí)測(cè)功率進(jìn)行校正，對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，有：=式中：校正功率（即標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的功率）； 校正系數(shù)； 實(shí)測(cè)功率為使試驗(yàn)有效，校正系數(shù)ad應(yīng)滿足：0.91.1。在試驗(yàn)中，預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)，使水溫、油溫達(dá)到要求。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)按下述要求控制:冷卻水溫度：85士10 ；燃?xì)鉁囟?8士5 ；渦前溫度720，渦后溫度620；機(jī)油溫度95士15，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中盡量保持不變。3.2試驗(yàn)方案 試驗(yàn)在恒

53、天動(dòng)力南昌有限公司NC4JR120試驗(yàn)平臺(tái)EIM0301D測(cè)控儀上進(jìn)行。方案：試驗(yàn)增壓器匹配試驗(yàn)分別在工況點(diǎn)3600 r/min、3200 r/min、2800 r/min、2400r/min、2000r/min、1600r/min、1200r/min、800r/min下的外特性點(diǎn)，在測(cè)量的過(guò)程中同時(shí)記錄天然氣消耗量、扭矩、功率，節(jié)氣門位置調(diào)到最大位置，根據(jù)工況點(diǎn)順序，發(fā)動(dòng)機(jī)由高速向低速進(jìn)行，依次調(diào)節(jié)WE33水力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)改變負(fù)荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)在每一工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行不少于1分鐘后，測(cè)量并記錄各個(gè)數(shù)據(jù)。3.3試驗(yàn)用主要設(shè)備、儀器表3-1 試驗(yàn)設(shè)備列表名 稱型 號(hào) 規(guī) 格精 度制 造 廠WE33水力測(cè)功

54、機(jī)1%杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速氣耗儀ToCeiL-CMF0250.35%上海同圓發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工程技術(shù)有限公司排氣表EIM0301D測(cè)控儀1%杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公司油溫表EIM0301D測(cè)控儀1%杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公司水溫表EIM0301D測(cè)控儀1%杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公司油壓表EIM0301D測(cè)控儀2.5%杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公司大氣壓力計(jì)定槽式0.5%長(zhǎng)春氣象儀表廠濕度測(cè)量計(jì)YB-272大氣干濕球溫度計(jì)上海醫(yī)用儀表廠空氣流量計(jì)ZA13.F7德國(guó)AERZEN公司 3.4 數(shù)據(jù)采集3.4.1 采集手段發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的功率、曲軸轉(zhuǎn)角和油管壓力等信號(hào)分別送入WE33水力測(cè)功機(jī)、ToCei

55、L-CMF025發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速氣耗儀等儀器并實(shí)時(shí)顯示。如果情況異常，須重新采集。3.4.2 試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖 NC4JR120增壓器排氣表空氣流量計(jì)大氣廢氣油溫表油壓表測(cè)功器濕度計(jì)大氣壓力計(jì)氣耗儀 水溫表圖3-1 試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖3.5 本章小結(jié)本章介紹了試驗(yàn)進(jìn)行的外部條件，對(duì)冷卻系統(tǒng)水溫、排氣溫度、機(jī)油溫度等都進(jìn)行了限定，這樣保證了試驗(yàn)的規(guī)范性。其次，提出了增壓器匹配試驗(yàn)的方案，即在所選工況點(diǎn)由高速到低速測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性點(diǎn)。最后，詳細(xì)羅列了試驗(yàn)所用到的試驗(yàn)儀器，講述了部分儀器的檢測(cè)原理，并展示了總體試驗(yàn)平臺(tái)的簡(jiǎn)圖。第四章 試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)所用測(cè)功機(jī)為杭州奕科機(jī)電

56、技術(shù)有限公司生產(chǎn)的WE33水力測(cè)功機(jī)，采用ZA13.F7空氣流量計(jì)測(cè)量進(jìn)氣量。排氣溫度采用鎳鉻康銅熱電偶檢測(cè)，增壓器前后壓力采用定槽式大氣壓力計(jì)，并采用增壓器轉(zhuǎn)速表檢測(cè)增壓器工作狀態(tài)。為兼顧增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及熱負(fù)荷，混合氣過(guò)量空氣系數(shù)確定在1.2左右。渦輪噴嘴環(huán)開(kāi)度的調(diào)控目標(biāo)確定為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性以最佳動(dòng)力性為優(yōu)化目標(biāo)。試驗(yàn)過(guò)程中以最高排氣溫度和最高增壓壓力為約束條件，考慮渦輪增壓器渦輪材料的耐溫限制，最高排氣溫度限制在720攝氏度以內(nèi)，并且考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷限制，最高增壓比限定在1.8以內(nèi)。通過(guò)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與VNT的匹配試驗(yàn)，研究了增壓天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)VNT調(diào)節(jié)規(guī)律，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同增壓方式下的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性對(duì)比，以驗(yàn)證可調(diào)截面渦輪增壓器的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。4.2天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)VNT匹配規(guī)律 通過(guò)匹配試驗(yàn)得