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增压器与柴油机的匹配计算

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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Kp或压比K；

2）空气流量Am（Kg/s）或容积流量Vm（m³/s）；

3）涡轮前废气平均温度Tt；

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Am和压比K。

如果流量Am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Kp远离设计值。而K根据Am计算得出，如果Am确定不合适，将导致K有较大的偏差。 2 / 25 正确确定Kp或K也很重要，如果Kp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Tt过高的后果；如果Kp选的过高，又会导致过高的发动机最大爆发压力maxp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。8

1.1 用计算法确定增压参数

增压后发动机所需要的空气流量Am（即压气机流量Km）为

Km=03600LgNsee Kg/s (1—1)

式中 eg——燃油消耗率，Kg/（Kw.h ）；

——过量空气系数；

s——扫气效率。

另外，对四冲程发动机Km又可表示为：

svKhKvnm1201 (1—2)

式中 n——发动机转速，r/min；

v——发动机容积效率。

故压气机出口的空气密度： 3 / 25

svhKKvnm120 (1—3)

以式（2—1）求得的Km代入式（2—3），即可求得K。

压气机的压比：

nKK286.0110)( (1—4)

式中 n——压气机多变效率；

0——压气机进口空气密度；Kg/3m。

这种计算增压比方法的准确度依赖于流量Km的精确程度，只要Km稍有偏差，所得K即较大变化。K与Km二者是相互关系的，在K即定情况下，Km不能任意加大，否则将得到偏大的涡轮流通能力，从而使匹配工作时增压器达不到预定的转速，ep将低于设计值。1

下面举例说明增压参数的确定：

4120型增压柴油机，该柴油机给定参数：

缸径D（mm） 102 额定转速n（r/min） 3500

冲程S（mm） 100 最大扭矩转速n`（r/min） 2625

缸数i 4 额定扭矩Me（N.m） 245

排量Vh（L） 3.27 增压度 30—35%

额定功率Ne（kw） 73 4 / 25

1.2 标定工况下增压参数的确定

计算标定工况下的空气流量和增压比：mA πk

在标定工况下：

eg=255g/Kw.h，eN=73Kw

得到燃油供应率为：

eeFNgm=255×73=18615g/h=310.25g/min=0.31Kg/min

(1—5)

取柴油机的理论空燃比为：

0L=14.3

过量空气系数为：

（1）=2.3， （2）=2.1

当=2.3时的情况用（1）表示，当=2.1时的情况用（2）表示

则 所需空气流量Am为：

(1)Am=0LmF=310.25×2.3×14.3=10204.1g/min=0.17Kg/S

(1—6)

(2)Am=0LmF=310.25×2.1×14.3=9046.5g/min=0.1508Kg/S

(1—7)

四冲程柴油机，冲程系数为：

 =4

由每分钟的活塞排量为： 5 / 25 v=hvn2=3500×3.27÷2=5722.5L/min=5.7233m/min (2—8)

取容积效率

v=0.9

扫气空气过量系数

s=1.0

则每分钟进入的空气的容积为：

svvv0=5722.5×0.9×1.0=5.153m/min (1—9)

所以增压空气的密度为：

(1)

0vmAK =15.52041.10=1.981Kg/3m (1—10)

(2)

0vmAK=15.50465.9=1.757Kg/3m (1—11)

取压气机进口空气密度为：

0=1.205Kg/3m（相当于20℃ 一大气压的空气）

则

(1)644.1205.1981.10K (1—12)

(2)458.1205.1757.10K (1—13)

预取压气机多变效率 6 / 25 n=0.8

绝热指数k=1.4

由

nkkKKK1)(110 (1—14)

得出增压比

nkkKKKpp11100)( (1—15)

（1）K=2.387， （2）K=1.935

增压后空气温度：

假定理想气体则

TRnvp (1—16)

KKKKKKKKKKKKKKKmmMmMmRRvvnnppRnvpRnvpTT00000000000011

(1—17)

所以

KKKTT00

KKKTT00 (1—18)

所以增压后空气温度为： 7 / 25 （1）4.425981.1205.1387.2293KTK

（2）8.388757.1205.1935.1293KTK

1.3 最大扭矩工况增压参数的确定

根据增压目标，计算确定最大扭矩工况的增压比和空气流量：K、 Am

在最大扭矩工况下：

eg=215g/Kwh，eN=67.3Kw

得到燃油供应率：

eeFNgm=21567.3=14470g/h=241.16g/min=0.24Kg/min

取柴油机的理论空燃比为：

0L=14.3

过量空气系数为：

（3）=1.9， （4）=1.7

当=1.9时的情况用（3）表示，当=1.7时的情况用（4）表示

则 所需空气流量Ma为：

(3)0LmmFA=6552.3g/min=0.11Kg/S

(4)0LmmFA=5862.6g/min=0.098Kg/S

四冲程柴油机，冲程系数：

=4 8 / 25 最大扭矩时转速：

n=2625r/min

每分钟的活塞排量为：

hvnv=427.326252=4292L/min=4.2923m/min

取容积效率为：

v=0.85

扫气空气过量系数

s=1.0

则每分钟进入的空气的容积为：

svvv0=4.2920.851.0=3.6483m/min

所以增压空气的密度为：

（3）0vmAK=6.5523.648=1.77Kg/3m

（4）0vmAK=5.8633.648=1.61Kg/3m

取压气机进口空气密度为：

205.10Kg/3m（相当于20℃一大气压的空气）

则

（3）0K=1.77÷1.205=1.469 9 / 25 （4）0K=1.61÷1.205=1.336

预取压气机多变效率

n=0.8

绝热指数k=1.4

由

nkkKKK1)(110

得出增压比

nkkKKKpp11100)(

（3）96.1K， （4）66.1K

增压后空气的温度：

KKKTT00

所以增压后空气温度为：

（3）KT=293×1.96×77.1205.1=391K

（4）KT=293×1.66×61.1205.1=364K

1.4 部分负荷工况下增压参数的确定

根据柴油机外特性曲线（图1.1），确定50%负荷工况下的流量和增压比：10 / 25 mA πk

50%负荷工况下：

ge=230g/Kwh , Ne=36.5Kw

得到燃油供应率：

eeFNgm=23036.5=8395g/h=139.91g/min=0.14Kg/min

取柴油机的理论空燃比为：

0L=14.3

过量空气系数为：

（5）=2.7， （6）=2.5

当=2.7时的情况用（5）表示，当=2.5时的情况用（6）表示

则 所需空气流量Ma为：

(5)0LmmFA=5401.9g/min=0.09Kg/S

(6)0LmmFA=5001.8g/min=0.083Kg/S

四冲程柴油机，冲程系数：

=4

50%负荷时转速：

n=1500r/min

每分钟的活塞排量为：

hvnv=215003.274=2453L/min=2.4533m/min 11 / 25 取容积效率为：

v=0.85

扫气空气过量系数

s=1.0

则每分钟进入的空气的容积为：

svvv0=2.4530.851.0=2.0853m/min

所以增压空气的密度为：

（5）0vmAK=5.4022.085=2.59Kg/3m

（6）0vmAK=5.0022.085=2.4Kg/3m

取压气机进口空气密度为：

205.10Kg/3m（相当于20℃一大气压的空气）

则

（5）0K=2.59÷1.205=2.149

（6）0K=2.4÷1.205=1.992

预取压气机多变效率

n=0.8

绝热指数k=1.4

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涡轮增压柴油机EGR系统匹配与计算

涡轮增压柴油机EGR系统匹配与计算

涡轮增压柴油机ＥＧＲ系统匹配与计算　

吴正亮　（博世（中国）投资有限公司，上海２００１２０）　丁　立　陈　泓　张　栋　石秀勇　倪计民　（同济大学，上海２０１８０４）　

【摘要】　利用ＡＶＩ　一Ｂｏｏｓｔ软件，对某企业一款３Ｌ涡轮增压柴油机建立一维流动模型　、在原机标定的基　础　，设计和优化ＥＧＲ系统，研究和分析ＥＧＲ系统对涡轮增压发动机的影响，展开对增压器联合运行特性和　ＥＧＲ系统特性匹配的研究，并相应得到最优的文丘里管设计方案．．　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅ　１一Ｄ　ｆｌｏｗ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　３　Ｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｏｆ　ａ　ｃｏｍｐａｎｙ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｗｉｔｈ　ＡＶＬ—ＢＯＯＳＴ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ＥＧＲ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　

ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ＥＧＲ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎ—　

ｇｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ．ａｎｄ　ｔｏ　ｅｘｐａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｔｃｈ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＥＧＲ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　Ｖｅｎｔｕｒｉ　ｔｕｂｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．　

【关键词】增压柴油机汽车废气再循环　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７４５５４．２０１３．０３．０３　

０　引言　

随着世界汽车保有量的不断上升，环境保护　的压力使得各国排放法规限制１３益严格。为此，　

柴油机的增压

柴油机的增压

柴油机的增压

（一）增压的目的

增压技术是提高柴油机功率最有效的措施之一，目前已广泛应用于船舶柴油机上。

pVnmi,eh根据： P, e60000

可知，有效功率只与平均有效压力、气缸工作容积、柴油机转速、冲程系数及PpVnmeeh

气缸数i等参数有关，故提高柴油机功率的措施，可以归纳为三个方面。

1．增加工作容积

加大DiS、和，均能增加气缸工作容积，但这一措施会加大柴油机总重量和总尺寸，使造

价增加，并给维修工作带来困难。

2．增加单位时间内的工作循环次数

提高（或活塞平均速度）和采用二冲程柴油机（使=1），皆可增加单位时间内的工Cnmm

作循环次数，但是，此措施会导致柴油机机械负荷和热负荷的增大，充气系数和机械效率,,vm的下降，使燃油燃烧恶化，影响柴油机工作可靠性和使用寿命。

3．提高平均有效压力P e

由可知，要提高可通过提高机械效率或者提高平均指示压力来达到，P,P,,P,Peimemi

但的变化范围很小，从减少机械损失来提高是有限的，所以的提高主要是依靠提高。 ,,PPmmei 由燃烧理论得知，增加每一工作循环的喷油量，能提高，但必须相应地增加气缸充气量，Pi

以确保燃油完全燃烧。在气缸容积不变的条件下，欲增加气缸充气量，必须增加进气密度，即先

将空气进行压缩，然后使之进入气缸。

所谓增压，就是指通过提高柴油机进气压力来增加气缸的充气量。这样，可以相应地增加喷

入气缸的燃油量，提高柴油机平均有效压力，从而有效地提高柴油机功率。

（二）中冷的作用

中冷即将经压缩的空气，在进入气缸前进行中间冷却，以降低进气温度，增大进气密度。中

冷配合增压，可进一步增大气缸充气量。中冷器（即增压空气中间冷却器）往往以舷外水作为冷

却介质。

提高进气压力的方法一般是用空气压缩机来完成。通常把这一设备称为增压器，而把实现增

压所设置的成套附件及管路系统称为增压系统。根据驱动增压器不同的能量来源，增压系统通常

495ZLQ柴油机参数匹配与性能计算分析

495ZLQ柴油机参数匹配与性能计算分析

第２期（总第１６８期）　２００７年４月　车用发动机　ＶＥＨＩＣＬＥ　ＥＮＧＩＮＥ　Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．１６８）　Ａｐｒ．２００７　

４９５ＺＬＱ柴油机参数匹配与性能计算分析　

尹必峰　，刘胜吉　，魏　强　，康　红　，杨荣华　，韦锦祥　，徐毅　

（１．江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江２１２０１３；２．常柴股份有限公司，江苏常州　２１３００２）　

摘要：利用发动机模拟计算软件ＢＯＯＳＴ建立了４９５ＺＬＱ柴油机的计算分析模型，探讨分析了不同增压器型　式、排气管结构、压缩比及供油提前角等匹配参数对整机性能的影响，并确定了较合适的匹配参数。对选定的柴油　机优化方案进行了标定转速３　２００　ｒ／ｍｉｎ和最大扭矩转速２　２００　ｒ／ｒａｉｎ下的负荷特性模拟计算分析与试验验证。　结果表明，模拟计算结果与试验值较为一致，柴油机性能符合预定的目标，为该柴油机改进设计与试验研究提供理　

论依据和研究方向。　关键词：柴油机；涡轮增压器；模拟；排气管；压缩比；供油提前角　

中圈分类号：ＴＫ４２１　文献标志码：Ｂ　文章编号：ｉ００１—２２２２（２００７）０２—００１８—０４　

近年来，排量在２　Ｌ～３　Ｌ的小缸径增压中冷　

多缸柴油机在皮卡、ＳＵＶ、轻卡、商用车及轻客等轻　

型车上的应用范围不断扩大，已成为柴油机行业的　

研究热点。目前，在开发这类柴油机时，利用热力循　

环模拟软件对整机性能预测是一种行之有效的手　

段［１］。本研究以４９５ＺＬＱ小缸径增压中冷柴油机为　

研究对象，通过Ｂ００ＳＴ软件建立了整机计算模型，　

探讨分析柴油机增压器型式、排气管结构、压缩比以　

及供油提前角等匹配参数对整机性能的影响，从而　

为产品的改进设计和参数优化提供相应的依据。　

１计算模型与试验　

１．１　研究对象　

本研究是基于一台４缸直喷式增压中冷柴油　

机，其基本技术参数见表１。　

表１　柴油机主要技术参数　

缸径／ｍｍ　９５　

行程／ｍｍ　１ＯＯ　

压缩比（￡　）　１８　

一种用于柴油机与增压系统匹配的模拟计算方法

一种用于柴油机与增压系统匹配的模拟计算方法

第２期（总第１６２期）　２００６年４月　车用发动机　ＶＥＨＩＣＬＥ　ＥＮＧＩＮＥ　Ｎｏ。２（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．１６２）　Ａｐｒ．２００６　

・设计计算・　

一种用子柴油机与增压系统匹配韵模拟计算方法　

魏名山　，程晓青。，季　凯　，张　明。，马朝臣　，冯辉生　，王延生　（１．北京理工大学机械与车辆工程学院，北京　１０００８１；２．青海省高原科技发展有限公司，青海西宁８１０００６）　摘要：为进行柴油机和增压系统的匹配，发展了一种模拟计算方法。该计算方法包括缸内工作过程的简化计　算、进排气过程计算、柴油机的功率计算、增压系统计算等计算模块。对柴油机缸内过程的计算，采用定容定压循　环代替实际循环。对增压系统的计算，是根据压气机特性图和涡轮特性图进行的。对Ｊ６１１ｏｚ增压柴油机进行了　模拟计算，模拟计算的结果与试验结果比较接近。　关键词：柴油机；增压系统；匹配；模拟计算方法　中图分类号：ＴＫ４２２　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００１—２２２２（２００６）０２—００２１—０４　

随着柴油机功率密度的逐渐提高，排放法规要　求越来越严格，增压匹配在柴油机研发中占有越来　越重要的作用。现在的发动机整机性能模拟软件如　ＡＶＬ的ＢＯＯＳＴ，Ｒｉｃａｒｄｏ的ＷＡＶＥ，ＣＤＡＪ的　ＧＴ－－Ｐｏｗｅｒ都可以进行柴油机和增压系统的匹配　计算　ｚ－，而且计算结果和试验结果有良好的吻合　性；但这些软件建模时几乎需要柴油机所有的结构　尺寸，如进、排气管的管径和长度，燃烧室的尺寸，　进、排气门的升程曲线，进、排气门的流通系数等。　很多时候，这些结构参数难以完全获得，这就限制了　这些软件的应用。　基于实用、方便以及能达到一定精度的总体要　求，发展了一套匹配柴油机和增压系统的模拟计算　方法。该计算方法需要的柴油机结构参数较少，而　且能取得较高的计算精度。　１　模拟计算方法　进行涡轮增压器与柴油机的匹配计算，主要是　进行柴油机、压气机以及涡轮的流量特性的匹配计　算。柴油机和增压器本质上都是不稳定流动系统，　可考虑将一个循环的平均值作为定常流参数的取　值，其误差由经验数据来修正。在设计点或接近标　定工况点，非定常流影响比较小。　本计算立足于柴油机的单缸循环，忽略非定常　流的影响，用定容定压循环的平均值来计算柴油机　的　一Ｖ图。根据柴油机的实际工作过程，其排气温度　和排气流量分别用热损失系数和容积效率来修正。　１．１　柴油机　—Ｖ图和循环状态参数的确定　高速柴油机的实际循环与图１所示的定容定压　循环很接近。燃烧过程分为定容燃烧（ＣＭ）和定压　燃烧（　）；压缩过程（ＢＣ）和膨胀过程（ＤＥ）假设　为多变过程。