英語論文翻譯-渦輪增壓設(shè)計(jì)對(duì)汽油機(jī)性能的影響.doc

1、渦輪增壓設(shè)計(jì)對(duì)汽油機(jī)性能的影響Theodosios Korakianitis(James Watt教授,機(jī)械工程學(xué)院，格拉斯哥大學(xué)，格拉斯哥G12 8QQ蘇格蘭 email： t.alexandermech。gla.ac。uk)T。 Sadoi(內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)部門,三菱汽車公司，東京,日本）摘要：一份給定的內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器規(guī)格說明書通常包含給與活塞式內(nèi)燃機(jī)匹配的表現(xiàn)性能。在對(duì)合適的增壓比、質(zhì)量流量及內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量流量、動(dòng)力表現(xiàn)做出綜合的理論性的考慮后，設(shè)計(jì)師們才能想方設(shè)法追求一系列潛在的內(nèi)燃機(jī)增壓器匹配性設(shè)計(jì)。最后，在各種候選增壓器做出最終抉擇就要通過測(cè)試了。在這篇論文中，我們應(yīng)用兩個(gè)恒流實(shí)驗(yàn)匹配三

2、個(gè)汽車增壓中冷汽油機(jī)上的不同增壓器。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量這三個(gè)增壓器的壓縮機(jī)和渦輪穩(wěn)流性能。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)用于測(cè)量各個(gè)增壓器的穩(wěn)流設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能。從這些測(cè)量結(jié)果可以得到設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)在整個(gè)熱力循環(huán)過程中的性能，這就可以判定不同種類的內(nèi)燃機(jī)協(xié)定需匹配何種增壓器。簡(jiǎn)介無論它們是以兩沖程還是四沖程的熱力循環(huán)運(yùn)行，無論它們是自然進(jìn)氣式還是增壓中冷式,無論他們是燃汽油，柴油還是其它燃料,活塞式內(nèi)燃機(jī)可以在很大的最小和最大速度、功率幅度下運(yùn)轉(zhuǎn)。內(nèi)燃機(jī)的燃料圖（如圖1所示）顯示了在功率速度圖或轉(zhuǎn)矩-速度圖上的熱效率輪廓，在這張圖上我們可以找出最小和最大速度，最小最大功,極限負(fù)荷和極限增壓比以及一些其它的運(yùn)行極

3、限。不同的內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)（效率，轉(zhuǎn)矩，馬力)都可以優(yōu)化到最優(yōu)值，比如噴射，進(jìn)氣正時(shí)，歧管調(diào)整等等,在一定幅度速度和馬力范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行職責(zé)指示了這些指標(biāo)在發(fā)動(dòng)機(jī)速度-功圖上的位置。渦輪機(jī)的性能高度決定于氣體從所有的（葉柵和其它）入口及出口通道的角度，而且因此會(huì)在一個(gè)很小運(yùn)行范圍角度下呈現(xiàn)出高性能.代表性地,渦輪運(yùn)行軸的轉(zhuǎn)速要比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此渦輪比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量流量比例要小.圖1。發(fā)動(dòng)機(jī)熱力流動(dòng)示意圖(左）發(fā)動(dòng)機(jī)燃料匹配圖（中）壓縮機(jī)圖(右) 汽油機(jī)和柴油機(jī)傳送的制動(dòng)能量W是被流通于內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行循環(huán)系統(tǒng)中的空氣質(zhì)量比m決定的。這個(gè)質(zhì)量流量比m正比于p，即充許進(jìn)入活塞式內(nèi)燃機(jī)氣

4、缸中的進(jìn)氣密度. 公式當(dāng)中的（F/A）是指工作狀態(tài)下的燃空比。一般來說自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的體積效率約為 0。85，然而渦輪增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)一般在0。951.1之間,取決于發(fā)動(dòng)機(jī)所采取相應(yīng)的技術(shù)(對(duì)于兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說V是指掃氣泵的掃氣量）。 在柴油機(jī)某一轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷是由改變噴入氣缸的燃料（F）的數(shù)量來控制的。在汽油機(jī)中這樣的調(diào)節(jié)方法會(huì)使效率下降，在汽油機(jī)中某一特定轉(zhuǎn)速下負(fù)荷是通過在進(jìn)氣歧管中調(diào)節(jié)進(jìn)氣量來控制的,從而可以減少進(jìn)入氣缸中的氣體的壓力和密度。燃料噴射式汽油機(jī)同樣可以改變噴油定時(shí)和噴入燃料的量，而缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)通過在進(jìn)氣歧管口處注入到發(fā)動(dòng)機(jī)中可以增加容積效率，因?yàn)槿細(xì)庹剂诉M(jìn)氣的部分容積。 在

5、自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中，Pa，i是由進(jìn)入氣缸中的溫度和壓力決定的.在各種機(jī)械增壓和渦輪增壓方案中，密度可以通過壓縮器增加（通常伴有中冷器）。在機(jī)械增壓中，壓縮機(jī)是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)的。在渦輪增壓中，壓縮器是由排氣燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的.德國(guó)的R。狄塞爾已于1986年介紹了渦輪增壓技術(shù)的基本思想（只晚于第一次成功提出奧托循環(huán)18年)。在本世紀(jì)初，D?？死耍ㄓ?guó)，1901）和A.拉托、L.雷諾(法國(guó)）秘訣了機(jī)械增壓設(shè)備.A.波希（瑞士， 1905）獲得了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓研究的專利。A。拉托最先于1917年開發(fā)了汽油機(jī)渦輪增壓技術(shù)。起初，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)只被用于賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)。1954年左右,美國(guó)通用汽車公司

6、開發(fā)了第一臺(tái)用于乘用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器。 機(jī)械增壓驅(qū)動(dòng)器直接與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速耦合，而且這種方式下的增壓器能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)速度及質(zhì)量流量快速改變。渦輪增壓的驅(qū)動(dòng)器（渦輪）是間接(氣動(dòng)熱力學(xué)）響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)速度的，而且它們的壓縮器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度、質(zhì)量流量的反應(yīng)也較慢，有一種情況就是“渦輪增壓器滯后”現(xiàn)象。通過減少渦輪增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以改進(jìn)裝置,并且有時(shí)會(huì)使用兩個(gè)（或更多）相同的小一點(diǎn)的渦輪增壓器，不過不會(huì)以一個(gè)比一個(gè)大的形式布置（偶爾是兩個(gè)渦輪增壓器，有時(shí)在他們之間會(huì)有一個(gè)中冷器，這一系列裝置用于進(jìn)一步提高進(jìn)氣壓力,特別是在一些船用發(fā)動(dòng)機(jī)中)。溫特伯和加(1991)2從多項(xiàng)式衍生出了傳遞函數(shù)模型,這些多項(xiàng)

7、式必須匹配從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)出來的系數(shù)，并且用從其它傳遞函數(shù)模型得來的系數(shù)來評(píng)價(jià)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)瞬變的反應(yīng).發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)組不能夠很好地自然配合，因此增壓器跟活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的配合必須經(jīng)過認(rèn)真的規(guī)劃和調(diào)試。增壓器的幾何形狀必須小心選擇，這樣才能夠保證在工作周期或者發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)性能下,壓縮機(jī)的出口和渦輪機(jī)的入口以及進(jìn)排氣管處,增壓器的速度范圍和流動(dòng)性能跟活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配。很顯然，渦輪增壓器只能與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)很窄的轉(zhuǎn)速和功率范圍相匹配，因此增壓器的質(zhì)量流量和壓縮率范圍要與大功率下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及職責(zé)相匹配。發(fā)動(dòng)機(jī)工作在大范圍的轉(zhuǎn)速和功率下時(shí)，必須要做一個(gè)合理的折衷.比如說,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)要配合排氣門，因此發(fā)動(dòng)機(jī)

8、很少工作在高轉(zhuǎn)速和大質(zhì)量流量下。有一部分廢氣流進(jìn)渦輪機(jī)，這樣渦輪增壓機(jī)才能夠更好的與發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)的低轉(zhuǎn)速和小功率工況匹配.渦輪增壓器匹配壓縮機(jī)進(jìn)口的總壓p1小于大氣壓力（流動(dòng)摩擦損失），總的溫度T1大約與大氣溫度相同（圖1）。根據(jù)推進(jìn)壓力p2可以估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出（對(duì)于車用柴油機(jī)p2可達(dá)1。8個(gè)大氣壓，而對(duì)于船用柴油機(jī)則可達(dá)34個(gè)大氣壓力）,它服從熱量和機(jī)械應(yīng)力規(guī)律.渦輪增壓器的總效率用理想的氣體模型來估計(jì)，而壓縮出口的溫度則通常用計(jì)算求得。(5）中冷器出口處的空氣總壓力P略小于p2。相應(yīng)的空氣溫度和密度可以從在Eq里面的中冷器的效率估計(jì)出其近似值。（8）式忽略了中冷器的壓力降。中冷器出口

9、處的靜止密度P是根據(jù)i點(diǎn)的總體條件和流動(dòng)面積計(jì)算得的。渦輪增壓器的基礎(chǔ)尺寸由發(fā)動(dòng)機(jī)所需求的空氣量來決定，與Eq有關(guān)(3）（容積效率由之前的經(jīng)驗(yàn)值來估算）。以上的計(jì)算在設(shè)計(jì)工況下用適當(dāng)?shù)膒1 和 T1初始值可以重復(fù)幾次（比如最大功率點(diǎn)、標(biāo)定轉(zhuǎn)速和功率點(diǎn)、空轉(zhuǎn)點(diǎn)等)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行但是負(fù)荷遞增，那么質(zhì)量流量率將會(huì)隨著負(fù)荷密度或者壓縮率的遞增相應(yīng)成比例地遞增(Eqs。（3)和（8)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)的恒速線Ne如渦輪增壓器的脈譜圖圖1中的虛線所示.其斜率隨著中冷器的效率下降而減小(Eq.（8）。發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速線在激增線附近，高轉(zhuǎn)速線在大質(zhì)量流量線上.發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載線也密集地展示在圖1上，同時(shí)高負(fù)荷線

10、出現(xiàn)在壓縮機(jī)的高壓縮率下。 我們現(xiàn)在可以根據(jù)壓縮機(jī)制造商提供的特性圖（可從穩(wěn)流測(cè)試獲得）以及通過跟發(fā)動(dòng)機(jī)燃料圖譜（圖1所示）比較，來選擇合適的渦輪增壓機(jī)。渦輪增壓器壓縮機(jī)脈譜圖是用來確定最小空氣流量、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的限制和最小壓縮效率的。顯然，用典型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料脈譜圖和壓縮機(jī)特性圖憑借經(jīng)驗(yàn)估算輸出線是必要的。當(dāng)排氣門或者氣缸閥口第一次開啟的時(shí)候，氣體形成一個(gè)快速壓力減少進(jìn)入排氣系統(tǒng)的脈動(dòng) 79。用脈沖給（發(fā)動(dòng)機(jī))增壓的脈沖組織形成兩個(gè)或三個(gè)氣缸，并且從正時(shí)進(jìn)氣閥流出或者開啟閥口,以避免排氣逆流流經(jīng)進(jìn)氣門。這些脈沖在渦輪機(jī)的渦殼內(nèi)定向.在渦輪機(jī)進(jìn)氣口多變的工況下使脈沖充氣效率低于恒壓效率；然而，脈沖補(bǔ)償

11、低溫廢氣充氣，這有利于在低負(fù)載情況。在恒壓增壓時(shí)從所有氣缸中進(jìn)入的廢氣進(jìn)入一個(gè)有限恢復(fù)脈沖壓力的普通歧管.渦輪機(jī)提供恒定的壓力能更有效地運(yùn)作并且擁有高輸出，而脈沖充氣輪機(jī)更能適應(yīng)變引擎輸出（沒有渦輪遲滯）。在上世紀(jì)70年代就可以控制船用發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖，但隨著平均有效壓力( bmep )的增加，預(yù)示著可以實(shí)現(xiàn)恒壓增壓。盡管脈沖和穩(wěn)態(tài)流操作有實(shí)際差別，但傳統(tǒng)的性能圖是還是從穩(wěn)態(tài)流操作中獲得的，而且用他們來對(duì)渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)做匹配。壓縮機(jī)輪廓將選定以便能留有足夠的溢出空間。然后，水輪機(jī)蝸殼可以用來改變有效的渦輪區(qū)域，從而改變了渦輪機(jī)可用能量，因而改變壓縮機(jī)的壓力。雖然所有這一切都可以計(jì)算出,最后匹配發(fā)動(dòng)機(jī)

12、的渦輪增壓器還需在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。（比如，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油定時(shí)和持續(xù)時(shí)間，各工況下的渦輪增壓器的選擇）渦輪增壓器幾何形狀在類似上述情況下, Garrett結(jié)合幾種不類型的壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的輪葉，擴(kuò)散器和渦螺的渦輪增壓器安裝到三菱4G63發(fā)動(dòng)機(jī)上。這是一個(gè)（ 1.997 ）2升同軸4缸渦輪增壓中冷器,壓縮比8.5：1,頂置式雙凸輪軸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，向其中中注入燃料。從1994年以來，這種發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)被用于三菱的Eclipse車中。這種渦輪增壓器和壓縮機(jī)的性能用了三個(gè)渦輪增壓器,MT-9，MT-13 和MT-15進(jìn)行了相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試，如圖2所示.壓縮機(jī)“trim”越高和越高，渦輪速度越大.通過渦輪的質(zhì)

13、量流量率在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是由廢氣排出口限制的，為了能大幅度轉(zhuǎn)速下優(yōu)化渦輪增壓器性能。圖2 壓縮機(jī)和渦輪幾何形狀渦輪增壓器的測(cè)試在渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)第一次測(cè)量了穩(wěn)流試驗(yàn)獨(dú)立壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的性能。渦輪機(jī)(切斷廢氣排出口，相當(dāng)于全質(zhì)量流量)在穩(wěn)流狀況下，由實(shí)驗(yàn)室的大型擰緊壓縮機(jī)提供的干燥壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。渦輪入口有個(gè)閥門用來控制渦輪質(zhì)量流量率。通過這個(gè)控制閥門空氣進(jìn)入一個(gè)大水槽，一個(gè)過濾器，一個(gè)壓力調(diào)節(jié)器，和渦輪入口的擴(kuò)散器。渦輪出口排氣到大氣中去。壓縮器入口接收從大氣中進(jìn)入的空氣。壓縮機(jī)出口流經(jīng)一套矯直機(jī)，經(jīng)過測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)入到一個(gè)4公升體積的圓柱槽,從這個(gè)圓柱槽出來后,經(jīng)過一個(gè)用于控制壓縮器傳送壓力和質(zhì)量流

14、量率的控制閥門。壓縮器的退耦、渦輪的質(zhì)量流量率以及壓力比導(dǎo)致比結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器得到的性能圖有更寬的運(yùn)行范圍。渦輪增壓器由一個(gè)外部的泵從一個(gè)四加侖的油槽提供再循環(huán)潤(rùn)滑油.固定在每個(gè)渦輪增壓器上軸葉上的合金螺母由磁化螺母代替。安裝在鋁合金壓縮器入口的磁化螺母親激活一個(gè)感應(yīng)銅線圈，線圈輸出壓力的頻率通過一個(gè)示波器用來測(cè)量渦輪增壓器速度。通過流體矯直機(jī)后，壓縮器出口及渦輪入口、出口的總壓力，靜壓力以及總溫度通過壓力傳感器、熱電偶來測(cè)量(壓縮器入口的總狀況為周圍的實(shí)驗(yàn)狀況).熱電偶用ANSI編碼J類型，正極為鐵，負(fù)極為銅鎳合金，并用標(biāo)準(zhǔn)化的273373K標(biāo)準(zhǔn)。壓力傳感器為庫(kù)利特ITQ1000系列，

15、并且它們用重力校準(zhǔn)儀器校準(zhǔn)過.為了得到平均速率和質(zhì)量流量，并且因而得到總的及靜的壓力，圓周速度分布圖在各位置和各流動(dòng)狀態(tài)下均要測(cè)量，并且用來導(dǎo)出平緩行駛下的區(qū)域平均速度.這些屬性用來導(dǎo)出質(zhì)量流量率，壓力比，壓縮機(jī)和渦輪功率。這些數(shù)據(jù)將被放大并輸送給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Labtech）在每大約十個(gè)渦輪機(jī)進(jìn)氣閥位置的設(shè)定，測(cè)量點(diǎn)取自從閥門開啟直到不完全關(guān)閉的位置中幾個(gè)（約十個(gè)）壓縮機(jī)排氣閥設(shè)置，這樣,不斷改變壓縮機(jī)質(zhì)量流動(dòng)率和速度。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)來源于至少在從平均值中標(biāo)準(zhǔn)偏差的50%之內(nèi)的十個(gè)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)學(xué)的平均值。圖3、4和5分別顯示了測(cè)量穩(wěn)定流動(dòng)壓縮機(jī)和渦輪機(jī)性能圖。壓力比對(duì)修正的質(zhì)量流量比的壓縮機(jī)

16、性能圖顯示：沸騰區(qū)（S)；渦輪壓縮機(jī)速度線Nc=Nf；總對(duì)總的等熵線（實(shí)線）和多變(虛線和點(diǎn)劃線）效率線。壓縮機(jī)性能圖還顯示活塞-發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速Ne和寬口油門操作（WOT），由發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的第二套測(cè)試衡量。渦輪性能圖表現(xiàn)了特定的功率與質(zhì)量流量比，并說明了下列一些線：渦輪壓縮機(jī)速度Nl（幾乎垂直）；渦輪機(jī)總對(duì)總的壓力比(幾乎水平）；總對(duì)總的等熵線（實(shí)線)和多變（虛線和點(diǎn)劃線）效率線。圖3 MT9渦輪增壓器的壓縮機(jī)和渦輪測(cè)量性能圖4 MT13渦輪增壓器的壓縮機(jī)和渦輪測(cè)量性能圖5 MT-15渦輪增壓器的壓縮機(jī)和渦輪測(cè)量性能汽油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn) 在第二套穩(wěn)定流動(dòng)測(cè)試中,每個(gè)渦輪增壓器均被安裝在4G63

17、發(fā)動(dòng)機(jī)上。相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能圖用Dynamatic渦流測(cè)功機(jī)測(cè)量。通過Digalog系列1000A控制器，熱力渦流測(cè)功機(jī)被用來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩或速度。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液風(fēng)扇已經(jīng)被淘汰，而通過水對(duì)水的管殼式換熱器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻。這種換熱器能保持發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度在353和368K之間。中冷器也可以用水冷卻,使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中它的效率仍保持在60%到65%之間。該直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的性能用發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元（ECU）和它的內(nèi)存監(jiān)視來測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出隨著一系列運(yùn)行速度成系統(tǒng)地變化。在每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩由底盤式功率控制器測(cè)量)，燃油消耗由噴油器開啟時(shí)間來測(cè)量。除了這些測(cè)量，空氣流動(dòng)速度和水溫亦被

18、記錄。在從2000rpm到5000rpm之間每300-500rpm打開節(jié)流閥時(shí)，取扭矩的100,80， 60， 40%， 和20（或者更多)作為測(cè)量點(diǎn)。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)在5秒內(nèi)增多了15到20倍。此外，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)取自至少在從平均值中標(biāo)準(zhǔn)偏差的50之內(nèi)的十個(gè)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)學(xué)的平均值。圖6顯示了每三個(gè)渦輪增壓器相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油圖。除了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量，溫度、壓力傳感器和被用在渦輪增壓器試驗(yàn)的熱電偶現(xiàn)在已經(jīng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)管道上，并且質(zhì)量流動(dòng)速度、壓力比和壓縮機(jī)效率已經(jīng)計(jì)算出來。壓縮機(jī)圖3、4和5顯示了相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度。在高效率區(qū)域，渦輪廢氣閥門限制了壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍。Sadoi給出了更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)

19、10.圖6 測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料圖：左MT9；中MT13;右M-15除了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量,用于渦輪增壓器測(cè)量的溫度和壓力傳感器以及熱電偶現(xiàn)在安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)管道上，這樣質(zhì)量流量率,壓縮比以及壓縮機(jī)效率就得到了測(cè)量。相應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行速度在壓縮機(jī)圖3、4、5上表示出來了，當(dāng)接近高效狀態(tài)時(shí)，渦輪廢氣排出口會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行幅度進(jìn)行限制.Sadoi提出了實(shí)驗(yàn)的更多細(xì)節(jié)10。結(jié)果討論借助上述測(cè)試結(jié)果我們就可以討論渦輪增壓器設(shè)計(jì)對(duì)非設(shè)計(jì)工況循環(huán)性能的影響。 相同壓縮比和渦輪增壓器速度下，壓縮器質(zhì)量流量比的大小關(guān)系是:MT-9_MT-13_MT-15。比如，=1。6, =100,000rpm時(shí),三種型號(hào)的壓縮器的質(zhì)量

20、流量比為MT9=0.06 kg/s; MT-13=0。075 kg/s； MT15=0。118 kg/s. 相同渦輪增壓器速度及相同壓縮效率下的壓縮器質(zhì)量流量率的關(guān)系仍然是MT9MT13MT-15。比如,當(dāng)=100,000rpm, =0.65時(shí),三種增壓器的質(zhì)量流量率分別為：MT9=0.115 kg/s； MT-13=0。123 kg/s; MT-15=0.148 kg/s. MT9和MT-13的喘振線幾乎在同一位置，但MT-15的喘振線在一個(gè)高質(zhì)量流量率上。因此，在一個(gè)低質(zhì)量流量率下（低發(fā)動(dòng)機(jī)速度）很難對(duì)MT-15做進(jìn)一步增壓。 在寬節(jié)氣門下最大加速度發(fā)生在汽車齒輪25006000rpm轉(zhuǎn)速

21、下。這個(gè)范圍內(nèi)在最大節(jié)氣門下MT13壓縮器效率最高.最大節(jié)氣門時(shí)MT9運(yùn)行在最大效率點(diǎn)的右邊（最大效率發(fā)生在更低質(zhì)量流量率時(shí)）。最大節(jié)氣門時(shí)MT15運(yùn)行在最大效率點(diǎn)的左邊（最大效率發(fā)生在更高質(zhì)量流量率時(shí)).在2000-2500rpm（美國(guó)高速路合法速度）時(shí),MT9在壓縮器喘振附近運(yùn)行。因此,MT13在最大加速度時(shí)是最好的壓縮器.最高壓縮器效率范圍分別是：MT9=0。0650。100 kg/s; MT13=0。0750。11 kg/s; and MT15=0。100.14kg/s。低質(zhì)量流量率下MT9壓縮器效率最高（低發(fā)動(dòng)機(jī)速度下最好）。高質(zhì)量流量率下MT15壓縮器效率最高（高發(fā)動(dòng)機(jī)速度，良好行

22、駛狀況下最好).相同壓縮比和焓降下渦輪質(zhì)量比的關(guān)系為：MT9MT13MT15。比如，=1。8,=100，000rpm時(shí),三種壓縮器的質(zhì)量流量率分別為:MT9=0。098 kg/s; MT13=0。093 kg/s； MT15=0。089 kg/s。渦輪效率隨著渦輪質(zhì)量流量率增加而增加。 MT15的渦輪最小，所以在最低質(zhì)量率下它能提供一個(gè)給定壓力比。MT-9是高發(fā)動(dòng)機(jī)速度下最好的渦輪，MT15是低發(fā)動(dòng)機(jī)速度下最好的渦輪。MT-13是綜合性能表現(xiàn)最好的渦輪. 圖6，7的發(fā)動(dòng)機(jī)性能圖與壓縮機(jī)性能圖上的發(fā)動(dòng)機(jī)速度線的觀察相一致。擁有MT-13的發(fā)動(dòng)機(jī)在中轉(zhuǎn)速及功率下能給出大范圍平穩(wěn)的熱效率，和綜合起來

23、比較最好的各速度下的最大功率和最大扭矩.對(duì)比MT-13的內(nèi)燃機(jī)性能，綜合分析MT-9最高熱效率（32）的范圍更窄，速度更低,功率更高;MT-15的最高熱效率范圍更窄，速度更高，功率更低。配備MT-13的發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更好的扭矩和功率曲線（圖7)，尤其是在25006000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。MT-9在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的扭矩更好（3000rpm以下）,但轉(zhuǎn)速高于3000rpm時(shí)扭矩開始減小，而且在5000rpm轉(zhuǎn)速下時(shí)，MT-9在三個(gè)渦輪增壓器中功率最差。MT15的扭矩在通常運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)都是最差的，但在4500rpm以上時(shí)開始增加。 在美國(guó)，2000rpm的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通常是高速公路速度.在2000發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

24、下的曲線與喘振線(MT13）相隔最遠(yuǎn)，那么這個(gè)渦輪增壓器是三個(gè)之中最適合的。通常，發(fā)動(dòng)機(jī)在較低負(fù)荷和低速下運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí),MT13的燃油圖熱效率（大范圍內(nèi)的平穩(wěn)熱效率）可以超過28。圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)功率扭矩圖結(jié)論 三個(gè)渦輪增壓器的測(cè)量的所有穩(wěn)流設(shè)計(jì)工況及非設(shè)計(jì)工況的熱力循環(huán)（內(nèi)燃機(jī))性能非常接近,所以不可能通過計(jì)算就輕松的得到三者的不同。理論上的渦輪增壓器匹配對(duì)接近某個(gè)渦輪增壓器框架的模糊范圍是有用的，但是最終的測(cè)試必須通過調(diào)查不同渦輪增壓器在各個(gè)設(shè)計(jì)工況及非設(shè)計(jì)工況的氣缸內(nèi)燃機(jī)循環(huán)范圍。 不同的渦輪增壓器只對(duì)不同運(yùn)行類型的發(fā)動(dòng)機(jī)有利。 渦輪增壓器的性能由壓縮器和渦輪的規(guī)格一同決定，而且渦輪對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的

25、匹配不如壓縮器靈敏.致謝 T。 Sadoi依靠三菱汽車公司的幫助完成了SM論文，Mitsubishi Motor公司捐贈(zèng)了測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)以及三個(gè)試驗(yàn)渦輪增壓器。我們感謝三菱汽車公司內(nèi)燃機(jī)計(jì)公司的總經(jīng)理Akira Kijima先生,他損贈(zèng)了發(fā)動(dòng)機(jī)并且在該項(xiàng)目上給予的非常實(shí)用的意見。我們同樣要感謝我們的合作伙伴F. Pekar， M。 Lee及Allied Signal有限公司的K. Chong.術(shù)語(A/F)= airfuel ratio空燃比Bmep=brake mean effective pressure平均有效壓力Cp= isobaric specific heat capacity等熵有效

26、熱容(F/A）=1/(A/F）， fuelair ratio燃空比LHVF= lower heating value of fuel燃料低熱值m, = mass, massflow rate質(zhì)量，質(zhì)量流量率N =shaft speed, rev/sec曲軸速度Nc=2, 1 =fourstroke, twostroke cycle constant四沖程，兩沖程循環(huán)常數(shù)p =pressure壓力R =universal gas constant/molecular weight大氣壓力常數(shù)r=pressure ratio壓力比T =temperature溫度Vd =engine displac

27、ed volume內(nèi)燃機(jī)排量W， =work， power功，功率 =corrected pressure， p/p0 修正壓力 = intercooler effectiveness中冷器效率 =thermal efficiency熱效率 = volumetric efficiency容積效率 = polytropic totalto-total efficiency多變總-總效率 = isentropic totalto-total efficiency等熵總總效率 =corrected temperature, T/T0 修正溫度 =density密度Subscripts0=ambien

28、t air 周圍大氣1=compressor inlet 壓縮器入口2=compressor outlet 壓縮器出口a=air 大氣c =compressor 壓縮器e =piston_ engine 氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)f =fuel 燃料i =intercooler outlet/cylinder inlet 中冷器出口，氣缸入口ot = brake power output 有效功率輸出t =turbine 渦輪參考文獻(xiàn)1Heywood, J. B., 1988, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill， New York。2 Winterbone, D。 E。, and JaiIn, S。， 1991, “The Application of Modern ControlTheory to a Turbocharged Diesel Engine Power Plant,” Proc。 Inst. Mech。 Eng。Part 1， J. Systems Control Eng., 105, p. 11。3Horlock， J。 H., and Winterbone， D。 E。， 1982, The Thermodynamics and GasDynamics of Inter