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涡轮增压设计对汽油机性能的影响 Theodosios Korakianitis （James Watt教授，机械工程学院，格拉斯哥大学，格拉斯哥G12 8QQ苏格兰 e-mail: t.alexander@mech.gla.ac.uk） T. Sadoi (内燃机设计部门，三菱汽车公司，东京，日本) 摘要：一份给定的内燃机的涡轮增压器规格说明书通常包含给与活塞式内燃机匹配的表现性能。在对合适的增压比、质量流量及内燃机质量流量、动力表现做出综合的理论性的考虑后，设计师们才能想方设法追求一系列潜在的内燃机增压器匹配性设计。最后，在各种候选增压器做出最终抉择就要通过测试了。在这篇论文中，我们应用两个恒流实验匹配三个汽车增压中冷汽油机上的不同增压器。第一个实验测量这三个增压器的压缩机和涡轮稳流性能。第二个实验用于测量各个增压器的稳流设计点和非设计点性能。从这些测量结果可以得到设计点和非设计点在整个热力循环过程中的性能，这就可以判定不同种类的内燃机协定需匹配何种增压器。 简介 无论它们是以两冲程还是四冲程的热力循环运行,无论它们是自然进气式还是增压中冷式,无论他们是燃汽油,柴油还是其它燃料,活塞式内燃机可以在很大的最小和最大速度、功率幅度下运转。内燃机的燃料图(如图1所示)显示了在功率-速度图或转矩-速度图上的热效率轮廓，在这张图上我们可以找出最小和最大速度,最小最大功,极限负荷和极限增压比以及一些其它的运行极限.不同的内燃机性能指标(效率,转矩,马力)都可以优化到最优值,比如喷射,进气正时,歧管调整等等,在一定幅度速度和马力范围内,发动机的运行职责指示了这些指标在发动机速度-功图上的位置.涡轮机的性能高度决定于气体从所有的(叶栅和其它)入口及出口通道的角度,而且因此会在一个很小运行范围角度下呈现出高性能.代表性地,涡轮运行轴的转速要比活塞式发动机高一个数量级,因此涡轮比活塞式发动机质量流量比例要小。 图1.发动机热力流动示意图(左)发动机燃料匹配图(中)压缩机图(右) 汽油机和柴油机传送的制动能量W是被流通于内燃机运行循环系统中的空气质量比m决定的.这个质量流量比m正比于p,即充许进入活塞式内燃机气缸中的进气密度。 公式当中的（F/A）是指工作状态下的燃空比。一般来说自然吸气式发动机的体积效率约为 0.85，然而涡轮增压式发动机一般在0.95-1.1之间，取决于发动机所采取相应的技术（对于两冲程发动机来说V是指扫气泵的扫气量）。 在柴油机某一转速下，负荷是由改变喷入气缸的燃料（F）的数量来控制的。在汽油机中这样的调节方法会使效率下降，在汽油机中某一特定转速A.波希瑞士， 1905耦合衍生函数模型p1小于大气压力（流动摩擦损失），总的温度T1大约与大气温度相同（图1）。根据推进压力p2可以估计发动机的功率输出（对于车用柴油机p2可达1.8个大气压，而对于船用柴油机则可达3—4个大气压力），它服从热量和机械应力规律。涡轮增压器的总效率用理想的气体模型来估计，而压缩出口的温度则通常用计算求得。 （5） 中冷器出口处的空气总压力P略小于p2。相应的空气温度和密度可以从在Eq里面的中冷器的效率估计出其近似值。（8）式忽略 了中冷器的压力降。中冷器出口处的静止密度P是根据i点的总体条件和流动面积计算得的。 涡轮增压器的基础尺寸由发动机所需求的空气量来决定，与Eq有关（3）（容积效率由之前的经验值来估算）。以上的计算在设计工况下用适当的p1 和 T1初始值可以重复几次（比如最大功率点、标定转速和功率点、空转点等）。 如果发动机以恒定转速运行但是负荷递增，那么质量流量率将会随着负荷密度或者压缩率的递增相应成比例地递增（Eqs.（3）和（8））。这些发动机的恒速线Ne如涡轮增压器的脉谱图图1中的虚线所示。其斜率随着中冷器的效率下降而减小（Eq.（8））。发动机低转速线在激增线附近，高转速线在大质量流量线上。发动机的负载线也密集地展示在图1上，同时高负荷线出现在压缩机的高压缩率下。 我们现在可以根据压缩机制造商提供的特性图（可从稳流测试获得）以及通过跟发动机燃料图谱（图1所示）比较，来选择合适的涡轮增压机。涡轮增压器压缩机脉谱图是用来确定最小空气流量、连续运转的限制和最小压缩效率的。显然，用典型发动机燃料脉谱图和压缩机特性图凭借经验估算输出线是必要的。 当排气门或者气缸阀口第一次开启的时候，气体形成一个快速压力减少进入排气系统的脉动 [7-9]。用脉冲给（发动机）增压的脉冲组织形成两个或三个气缸，并且从正时进气阀流出或者开启阀口，以避免排气逆流流经进气门。这些脉冲在涡轮机的涡壳内定向。在涡轮机进气口多变的工况下使脉冲充气效率低于恒压效率；然而，脉冲补偿低温废气充，有利于在低负载。在恒压增压废气进入一个有限恢复脉冲压力。涡轮机提供恒