增压器匹配

第1章 增压器及其进气增压系统的结构和原理1.1概述1.1.1 发动机进气增压技术简介近年来，发动机进气增压技术已经成为国内外内燃机发展的重要方向之一。

这是因为发动机进气增压技术具有许多优点：1.能够提高发动机的升功率——提高了发动机的动力性；2.能够降低发动机比油耗和比质量——提高了发动机经济性；3.能够减轻发动机的排放污染——提高了发动机的排放性；4.能够扩大发动机变型系列等。

当前，由于汽车一方面在向高速、重载方向发展，对发动机的动力性和燃料经济性提出了更高的要求；另一方面发动机尾气的排放污染，各国排放法规的日益苛刻，使人们极力寻求减小大气污染的措施。

这种种方面的原因，使汽车发动机进气增压技术获得迅速发展，其中以美国、德国、瑞典等国家发展较快。

在美国，10L以上排量的柴油机几乎全部采用增压技术，小排量柴油机和汽油机采用增压技术也占相当大的比重。

欧洲和日本近年来增压发动机也发展迅速，特别是柴油机。

发动机增压方法很多，其中涡轮增压器在技术上最为成熟，并且有很多突出的优点，因此涡轮增压成为汽车发动机增压的主要类型而获得广泛应用。

此外，在研究和发展涡轮增压系统的同时，其他增压系统也相继有所发展，例如气波增压系统。

本指南主要讲述涡轮增压系统，其他增压系统仅简单介绍。

1.1.2发动机进气增压的基本原理（1）发动机进气增压的基本理论进气增压是提高发动机升功率的有效方法之一。

所谓增压器，就是利用专门的装置（增压器）将空气或者可燃混合气预先进行压缩，再送入发动机汽缸的过程。

虽然汽缸的工作容积不变，但因增压后，每个循环进入汽缸的新气密度增大，使实际充气量增加，这样可以向缸内喷入更多的燃料而获得充分燃烧，因此提高了发动机的升功率和总输出功率。

一般来讲，增压压力愈高，充入汽缸的新气密度愈大，发出的功率也就愈高。

增压可以提高发动机的功率，但增压器本身所消耗的功率和增压器效率直接影响发动机的有效功率和燃料经济性。

机械增压器要消耗一部分曲轴功，因此其燃料消耗一般高于非增压的发动机。

增压器与柴油机的匹配计算摘要发动机与增压器的匹配是否良好，对发动机的运行起着十分重要的作用。

本文主要的内容是用计算出发动机与增压器匹配的最佳运行点。

总结出各种匹配的要求和匹配不好的原因。

1. 增压参数的确定为了保证发动机与增压器的良好匹配，即达到预定的增压发动机各项性能指标，首先要正确确定增压参数。

增压参数主要有：1）增压压力K p 或压比K π；2）空气流量A m （Kg/s ）或容积流量V m （m³/s ）；3）涡轮前废气平均温度T t ；4）大气压力0p 和大气温度0t 。

增压参数中最重要的是通过计算正确确定流量A m 和压比K π。

如果流量A m 选择不当，不但使增压器与发动机匹配不好，更重要的是涡轮流通能力确定不当，从而导致增压压力K p 远离设计值。

而K π根据A m 计算得出，如果A m 确定不合适，将导致K π有较大的偏差。

正确确定K p 或K π也很重要，如果K p 选的过低，将造成达不到预定的增压发动机功率和出现发动机排气温度T t 过高的后果；如果K p 选的过高，又会导致过高的发动机最大爆发压力max p 以和增压器过高的转速。

在不同的地方大气压力0p 和大气温度0t 也是不相同的，这要根据当地的情况来决定，一般情况是取标准值。

[]81.1 用计算法确定增压参数增压后发动机所需要的空气流量A m （即压气机流量K m ）为K m =03600L g N s e e ⋅⋅∂⋅⋅η Kg/s (1—1) 式中 e g ——燃油消耗率，Kg/（Kw.h ）；∂——过量空气系数；s η——扫气效率。

另外，对四冲程发动机K m 又可表示为：s v K h K v n m ηηρ⋅⋅⋅⋅⋅=1201 (1—2) 式中 n ——发动机转速，r/min ；v η——发动机容积效率。

故压气机出口的空气密度：sv h K K v n m ηηρ⋅⋅⋅⋅=120 (1—3) 以式（2—1）求得的K m 代入式（2—3），即可求得K ρ。

- 55 -工 业 技 术０　引言涡轮增压器技术是提高发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放的有效手段。

增压发动机在减小排量的情况下通过提升进气压力能够使相同排量的发动机动力性能提升，同时增压发动机的燃油经济性与自然吸气的发动机相比有所提升。

根据整车车型动力性、经济性的目标要求，该文设计开发了节能高效的涡轮增压发动机。

１　发动机匹配目标的确定影响增压发动机性能的设计开发内容包括控制系统的标定、进气歧管总成及排气歧管总成的走向、整车进气系统压降和排气系统背压等，但是涡轮增压器的匹配是否优良是最为关键的[1]。

涡轮增压器的匹配结果直接影响燃油经济性和发动机的动力性能（功率、扭矩）。

增压器的匹配内容主要包括方案匹配和性能匹配。

１．１　发动机设计目标１．１．１　发动机设计目标参数确定根据整车目标的确定，要求发动机有很好的低速扭矩和中速中负荷的燃油经济性[2]。

具体设计开发的技术目标参数见表1。

１．１．２　确定压缩比该款发动机为汽油发动机，发动机和涡轮增压器匹配的关键主要避免爆震的产生，所以要控制好发动机排气温度、进气压力、增压器转速范围。

由于增压后排温易升高，所以增压发动机的压缩比要比自然吸气发动机的低，保证燃烧稳定性。

通过对比研究最后确定为压缩比为9∶1。

１．１．３　确定中冷技术由于增加发动机提升了进气的压力，导致进气温度的升高，为了保证燃烧的稳定性，必须采用冷却系统将进气温度降下来，同时对发动机的动力性、经济性均有提高，经过研究确定采用空对空中冷器冷却增压后的空气温度。

１．１．４ 确定涡轮机的叶片大小涡轮机的大小直接影响了整车的使用性能，影响发动机随油门提升扭矩的 响应速度，由于小涡轮质量轻，低速响应性较好，但这可能要损失高速段的动力性。

通过对于匹配目标的研究确定选择小涡轮增压器进行匹配。

２　涡轮增压器匹配方案确定２．１　涡轮增压器匹配方案选择为了保证涡轮增压器匹配的合理性，确定了3款涡轮增压器进行匹配选择，并统一进行编号，具体方案见表2。

涡轮增压器与发动机的匹配与调整1、涡轮增压器与发动机的匹配概述总的来说，发动机与增压器的匹配有三个⽅⾯，即发动机与压⽓机匹配、发动机与涡轮的匹配和压⽓机与涡轮的匹配。

细分的话，应该包括：增压器的压⽓机、增压器的废⽓涡轮、发动机的排⽓管系统、发动机的进⽓系统、中冷器、空⽓滤清器、消⾳器、进排⽓配⽓相位、运转⼯况参数、环境参数等。

2、发动机对压⽓机的要求a、发动机对压⽓机的要求：1）、压⽓机不但要求达到预定的压⽐，⽽且要具有⾼的效率。

即压⽓机效率越⾼，在同⼀增压压⼒时，空⽓温度越低，从⽽得到的增压空⽓的密度就越⾼，增压效果就越好。

2）、不同⽤途的发动机对压⽓机特性的要求也不同。

对于发电⽤的固定式发动机及按螺旋桨特性⼯作的船⽤发动机⼀般的压⽓机特性均能满⾜要求，⽽车⽤发动机由于转速范围宽⼴，故就要求相应的压⽓机特性具有宽⼴的流量范围，⽽且要有较宽的⾼效区。

怎样评价发动机与压⽓机的匹配：1）、需要经试验得出的压⽓机特性曲线，同时要有发动机各转速下耗⽓特性曲线，将发动机的耗⽓特性曲线与压⽓机的特性曲线相叠合就可以看出匹配情况。

2）、发动机的特性曲线应穿过压⽓机的⾼效区，⽽且最好使发动机的运⾏线与压⽓机的⾼效率的等效率圈相平⾏。

对于车⽤发动机，则要求最⼤扭矩点正好位于压⽓机最⾼效率区附近。

如果发动机运⾏线整个位于压⽓机特性右侧，则表明所选的压⽓机流量偏⼩，使联合⼯作时压⽓机处于低效区⼯作，在这种情况下就要重选较⼤型号的增压器，或加⼤压⽓机通流部分尺⼨，使压⽓机特性向右移动。

如果向反，发动机运⾏线整个偏于压⽓机特性左侧，则⼀⽅⾯发动机低转速时压⽓机效率降低，同时有可能出现喘振。

在这种情况下就要重选择较⼩型号的增压器或减⼩压⽓机通流部分尺⼨，使压⽓机特性向左移动。

3）、发动机的⽓耗特性线离开压⽓机喘振线有⼀定的距离。

否则如发动机耗⽓特性曲线离喘振线太近或甚⾄与之相交的话，在联合⼯作时就可能出现喘振。

⼀般，要求发动机低转速的耗⽓特性曲线离开压⽓机喘振线的距离也即所谓的喘振裕度约为10%Gcmin（喘振流量）。

发动机增压器匹配计算通常要考虑两方面的因素，一是空气流量匹配，再者就是增压压力匹配；前者保证了增压器出口流量大于发动机增压后所需流量，后者则保证增压器出口压力大于发动机正常吸气时的进气压力（即大气压力）。

发动机进气流量公式 111Q Q N εη=⋅⋅⋅ε过量充气系数η1 充气效率 N1 发动机转数 Q 发动机工作容积增压器出口流量公式 22222Q V N η=⋅⋅⋅ V2 增压器每转排量 N2 增压器转速 η2 增压器容积效率21Q Q ≥122223000.7 5.1521 1.294.80.8N V i N Q ηεη⋅⋅⨯⨯===⋅⋅⨯⨯ 由上述公式计算出来的增压传动比范围为0~5.15，但是，范围太大，本项目最终要找到一个相对合适的传动比，所以这个范围没有什么参考价值；我们采用以下方法来寻找合适的传动比。

先介绍一个参数：增压比——增压后增压器排气口压力与自然进气状态下进气口压力之比（即大气压力），增压比小于1.4为低增压，介于1.4到2.0为中增压，高于2.0为高增压；根据上述定义，增压比在数值上与增压器排气口压力相等。

由于一般的增压发动机增压比差不多都选择中增压，设置三组增压器排气口压力值，分别为1.3、1.5、2.0（单位bar ）由下列公式进行计算：221112N V P V N ⋅=⋅⋅（经验公式，用来估算增压器排气口压力） N2 增压器转速 V2 增压器每转排量 N1 发动机转速 V1 发动机排量 P1 增压器出口压力 1P H P R T I εη⋅⋅≈⋅⋅ P ε 发动机平均有效压力 η 内燃机有效效率 I 空燃比 R 气体常数0.287KJ/(kg*k) H 燃料低热值 44000KJ/kg1e 30c n V P P ετ⋅⋅⋅=⋅ e P 发动机有效功率 C 气缸数n 转速 τ冲程数tq T 有效转矩对上述公式进行如下处理令z=-321102V V ⋅⋅=0.00158,m=H R T I η⋅⋅⋅=5.28655533,y=33010π⋅=9550, G=0.1（单位换算系30e tq P T n π=⋅数）,K=0.2(增压器消耗率)e P =m ×z ×n × 1P ×G ×（1-K ）tq T =m ×z ×y × 1P ×G ×（1-K ）将上述公式带入数据，通过Excel 表格，计算出相应的结果，并生成折线图，做出该发动机理论速度特性，完成理论计算：以上是以上以上为数据参考，结合发动机仿真，在上述数据范围内寻找合适的传动比作为结果。

涡轮增压汽油机匹配计算及性能预测涡轮增压汽油机是一种采用涡轮增压器提高气缸进气压力的汽油机。

它具有高功率、高扭矩、低油耗、低废气排放等优点，因此广泛应用于高性能汽车、赛车以及航空航天领域。

涡轮增压汽油机的匹配计算是设计高性能发动机的关键之一，本文将探讨涡轮增压汽油机的匹配计算及性能预测。

涡轮增压汽油机的匹配计算可分为三个步骤：参数选择、涡轮增压器匹配和喷油器匹配。

第一步骤是参数选择，需要确定涡轮增压汽油机的基本参数，包括气缸数、缸径、行程、压缩比、气门数量和排量等。

这些参数将直接影响发动机性能及涡轮增压器选择。

第二步骤是涡轮增压器匹配，需要根据发动机参数选择合适的涡轮增压器。

涡轮增压器的主要参数包括压缩比、进出口直径、转子直径和转速等。

选取合适的涡轮增压器可使发动机性能得到最大化，同时也需要考虑选用涡轮增压器的成本、重量和可靠性等因素。

第三步骤是喷油器匹配，需要根据发动机的最大输出功率和最大输出扭矩来计算出所需的燃油量和喷油器喷油量。

喷油器的选择需要考虑油品质量、喷雾效果、喷油形状和喷油压力等参数，以确保发动机能够稳定运行。

涡轮增压汽油机的性能预测主要涉及功率、扭矩、燃油消耗量、废气排放量等方面的预测。

常用方法包括流动模拟计算和试验验证两种。

流动模拟计算主要采用CFD（Computational Fluid Dynamics）软件，计算出涡轮增压器、进气道和排气道等部位流场分布、压力分布和温度分布等参数，进而预测出发动机的性能参数。

试验验证则是采用实验方法测量涡轮增压汽油机的关键性能参数，包括功率、扭矩、燃油消耗量、废气排放量等。

试验流程繁琐，成本较高，但是结果更加精确可靠。

总之，涡轮增压汽油机匹配计算及性能预测是设计高性能发动机必不可少的环节。

通过合理选取涡轮增压器、喷油器等部件并结合合适的流动模拟计算和试验验证方法可提高发动机性能，同时也能降低成本和优化设计。

另外，涡轮增压汽油机在匹配计算和性能预测过程中，还需要考虑一些限制因素，如冷却、机油供应、噪声和振动等。