渦輪增壓技術(shù)及算法詳解

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。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：244*I*4*I4VAtos*事J*MhM藉陸，*I1aI1A.|-IJ*|.1iI.1！，-”用?L,w，Td3附*144*(-4H-r+ir)一金警4VII“沖卜，riifv4葉噂41號f141KliM149，叫6Mlf”“*ri|Fiw口*

2、1.1,增壓比He）被定義為出口處絕對壓力除以進(jìn)口處絕對壓力增壓比（注:He=增壓比、P2c=壓氣機(jī)出口絕對壓力、Plc=壓氣機(jī)入口絕對壓力3在壓氣機(jī)入口和出口處使用絕對壓力為計(jì)量單位非常有必要，一定要記住絕對壓力的基礎(chǔ)是14.7磅/平方英寸（在這個單位下“a”代表絕對壓力）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）測量的是超過大氣壓力的大小，所以表壓力在大氣壓力下應(yīng)該顯示為“0”。增壓表測量的岐管壓力是相對于大氣壓力的，這就是表壓力。這對于決定壓縮機(jī)出口處的壓力是非常重要的。比如說增壓表上讀出的12磅/平方英寸意味著進(jìn)氣歧管的壓力高于標(biāo)準(zhǔn)大

3、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）247ttiX1（15這個條件下的增壓比就能計(jì)算了：（26.7磅/平方英寸絕對壓力）/14.7磅/平方英寸（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力）=1.826然而這是在假定壓氣機(jī)入口處沒有空氣濾清器影響的情況下7在決定增壓比的時候，壓氣機(jī)入口處的絕對壓力時常比環(huán)境壓力小，特別是在高負(fù)荷時。為什么會這樣呢？因?yàn)槿魏螌諝獾淖璧K（這其中就包括空濾器管道的限制）都會對進(jìn)氣造成壓力損耗，在決定增壓比時，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1磅/平方英寸的表顯壓力。在這種

4、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（12psig+14.7psia）/13.7psia=1.95.9以上計(jì)算方法很好，但是如果你不是在標(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。在較高的海拔下會對增壓比有顯著的影響。比如說：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：（12psig+12.4psia/（12.4psiaTpsig）=2.141曾壓比

5、）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間空氣流過壓氣機(jī)（或發(fā)動機(jī)）的量，常被表示為lb/min（磅/分鐘）。質(zhì)量流量可以使用物理方法測量。但是許多情況下在選擇適當(dāng)?shù)臏u輪過程中估計(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0.076lb/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1lb/min質(zhì)量流量可以產(chǎn)生9.5-1

6、0.5馬力（飛輪上測得），所以如果一個引擎想要400馬力那就要求空氣質(zhì)量流量為36-44lb/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，喘振線的左邊是流動不穩(wěn)定的區(qū)域。這一區(qū)域內(nèi)壓氣機(jī)內(nèi)氣體從小波動變化到大波動。如果在這一區(qū)域內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)會因?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)載過輕時的喘振。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)氣門快速關(guān)閉時。隨著節(jié)氣門快速關(guān)閉氣體質(zhì)量流量快速減少，但是節(jié)氣門仍然高速旋轉(zhuǎn)長生壓力，導(dǎo)致喘振發(fā)生。這立刻驅(qū)使渦輪工作狀態(tài)

7、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)域喘振將會減弱。這種情況常用一個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，氣流會再循環(huán)到渦輪進(jìn)氣口。3一個有旁通道的渦殼（看圖2）組成了壓氣機(jī)汽缸的一部分，它的作用是通過允許氣流不通過渦輪葉片直接通過渦輪，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允許更大的增壓器被使用在對氣流有更高要求同時要求增壓器不能出現(xiàn)喘振的條件下。渦殼旁通道有一個較小的副作用，那就是降低了壓氣機(jī)效率

8、。3 .阻塞線阻塞線是壓氣機(jī)特性曲線圖的右邊界。對于Garrett增壓器曲線來說，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)過這個點(diǎn)，渦輪轉(zhuǎn)速將接近或者超過渦輪的極限轉(zhuǎn)速。如果你確實(shí)或者打算讓我輪工作超過這個極限轉(zhuǎn)速，建議你還是換個大渦輪吧。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)的工作超過了阻塞極限，渦輪轉(zhuǎn)速升高非?？?，此時渦輪就已經(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

9、些代表增壓器效率的任意點(diǎn)所形成的同心區(qū)域。靠近特性曲線圖中心的最小的區(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)算增壓壓力和氣體質(zhì)量流量的方法來達(dá)到所要求的目標(biāo)馬力。這些計(jì)算的數(shù)據(jù)將用來指導(dǎo)你選擇合適的壓氣機(jī)和渦輪增壓器。在選擇過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)動機(jī)排量3）最大轉(zhuǎn)速4）環(huán)境條件（大氣壓力

10、和溫度，大氣壓力經(jīng)常給定的數(shù)據(jù)時汞柱的尺寸，需要進(jìn)行換算到psi）2需要估算的值：1）發(fā)動機(jī)的體積效率，現(xiàn)在常用的頂置四氣門多缸發(fā)動機(jī)最大體積效率范圍在95%99%兩氣門發(fā)動機(jī)在85%95%如果你有發(fā)動機(jī)的扭矩曲線，那么你可以用它計(jì)算出發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速體積效率。在一個調(diào)整好的發(fā)動機(jī)上，體積效率會隨著轉(zhuǎn)矩到達(dá)最高點(diǎn)。這個數(shù)可以被用來等比例計(jì)算其他轉(zhuǎn)速的體積效率。一個典型的四氣門發(fā)動機(jī)比兩氣門發(fā)動機(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)會帶來更低的進(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

11、產(chǎn)生每一馬力所需要的燃料流率。對于渦輪增壓汽油機(jī)來說燃油消耗率的大體在0.50.6之間變動，或者更高。它的單位是lb/（hp*hr）。燃油消耗率越低則說明產(chǎn)生相應(yīng)功率時消耗燃油的速率越小。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舉例我有一臺發(fā)動機(jī)，我想要它輸出400馬力我想要選擇空燃比為12,燃油消耗

12、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)特性曲線圖上就要有泵44磅氣體每分鐘的能力作為起始點(diǎn)。注意：我們在這個計(jì)算中沒有輸入任何發(fā)動機(jī)排量和轉(zhuǎn)速。這就意味著對于任何發(fā)動機(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)動機(jī)的燃油消耗率都是0.55的時候得出的）顯然，一個小排量的發(fā)動機(jī)和大排量發(fā)動機(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:一”(460+1)二%*萬MAPreq=想要達(dá)到目標(biāo)馬力需要的歧管絕對壓力Wa=實(shí)際空氣流率R=

13、氣體常數(shù)=639.6Tm=進(jìn)氣溫度（F）VE=體積效率N=發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（RPM）Vd=發(fā)動機(jī)排量（CI）（CI=L*61.02）5舉例：繼續(xù)上面舉到的例子，假設(shè)一個2.0L的發(fā)動機(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)動機(jī)轉(zhuǎn)速7200（RPM）Vd=發(fā)動機(jī)排量122（CI）,（CI=L*61.02）44*639.6申(46Q+13。)J2*7200/*122=41.1psia(E住,這是絕對壓力需要減去大氣壓力得到表壓力）41.1psia-14.7psia標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）=26.4psig表壓力6作為比較，讓我們再計(jì)算更大排量的發(fā)動機(jī)

14、5.0LWa=44lb/min（上一例子所得）Tm=130（FVE=體積效率85%（峰值）（一臺帶推桿的V8發(fā)動機(jī)）N=發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速6000（RPMVd=發(fā)動機(jī)排量4.942*61.2=302（CI）,（CI=L*61.02）44米639.6*(460+13。)85率600%,率3Q2=21.6psia(g壓力為6.9）這個例子闡明了想要達(dá)到400馬力，一個更大排量的發(fā)動機(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

15、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)氣門體的限制等，氣管內(nèi)的壓降可以計(jì)算出來，在一個設(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，壓降會達(dá)到4psi或者更大。對于我們的舉例，我們假設(shè)壓降為2psi0所以在確定壓氣機(jī)出口處壓力時，我們需要加上上面計(jì)算的2psi壓降P2c=壓氣機(jī)出口絕對壓力(psia)MAP=歧管絕對壓力(psia)APloss吸管到壓氣機(jī)的壓降對2.0L發(fā)動機(jī)來說%=41.1+2=43.1psi還記得我們在講解壓力比時討論過的進(jìn)氣壓力會因?yàn)檫M(jìn)氣系

16、統(tǒng)形狀和空濾器而降低嗎，我們說過典型的壓降大概是1psi,所以那將被帶入到計(jì)算，比如說，假設(shè)我們在海平面，那么標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力為14.7psi那么我們將減去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APloss迸氣系統(tǒng)壓力降低值P1c=14.7-1=13.7psia這樣一來我們就能計(jì)算增壓比了=3.147到現(xiàn)在為止，我們有足夠的信息在壓氣機(jī)特性曲線圖上畫出這些工況點(diǎn)了。首先我們來試試GT2860RSS款渦輪，這款渦輪壓氣機(jī)葉片60mm,60的壓氣機(jī)葉輪。HoneywellGT2BecRS,60mm,G2Tfim,0.40A/RIai_r*ciii顯而易見

17、這款壓氣機(jī)葉輪太小了，兩款發(fā)動機(jī)的工況點(diǎn)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了阻塞線。我們再來試試這款GT3076R動機(jī)，壓氣機(jī)葉輪直徑76mm,56GT3076R,76mm,&eTrim06CA/R-|一，11111p1111*5;&rrAir”之dmifi對于2.0排量的發(fā)動機(jī)，這是一個比較合適的壓氣機(jī)。它工作的點(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)動機(jī)較低的轉(zhuǎn)速將會處于高效率區(qū)同時增壓器會較好的輸出表現(xiàn)而且響應(yīng)較快。對于5.0排量的發(fā)動機(jī)，這款壓氣機(jī)顯然太小了，無需考慮。既然我們已經(jīng)找到了可以接受針對2.0發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)，那么我們計(jì)算一個更低轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)工作點(diǎn)在特性曲線上所在的位置，然

18、后看一下發(fā)動機(jī)的運(yùn)行曲線圖。我們可以根據(jù)下面的方程來計(jì)算:在球（460+7；）我們將會根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者理論推斷使發(fā)動機(jī)工作在最大扭矩點(diǎn)。這種情況下我們首先選擇5000rpmo式中：Wa=$氣流量（磅/每分鐘）MAP管絕又t壓力=35.1磅/平方英寸R次體常數(shù)=639.6Tm=管進(jìn)氣溫度=130FVE浣氣效率=0.98N=發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速=5000rpmVd=S動機(jī)排量=122立方英寸43,1*098*500%*122Wa=6396“（460+130）=34.1lb/min把這個點(diǎn)繪到GT3071R壓氣機(jī)的特性曲線上，如下圖這個圖中幾個點(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