涡轮增压技术及算法详解

涡轮增压技术涡轮增压技术 103103 这篇文章涉及较多的涡轮技术，包括描述压缩机的部分特性曲线图、计 算发动机的增压比和空气质量流量，怎样在特性曲线图上绘制点来帮助你选 择合适的涡轮增压器。把你的计算器放在手边吧。 一一 压缩机部分特性曲线图压缩机部分特性曲线图 [1] 压缩机特性曲线图是详细描述压缩机压缩效率、空气质量流量范围、增 压性能和涡轮转速等性能特性的一种图表。下面展示的是一幅典型的压 气机特性曲线图： [2] 增压比 增压比（）被定义为出口处绝对压力除以进口处绝对压力 注：=增压比、P2c=压气机出口绝对压力、P1c=压气机入口绝对压力 [3] 在压气机入口和出口处使用绝对压力为计量单位非常有必要，一定要记 住绝对压力的基础是 14.7 磅/平方英寸（在这个单位下“a”代表绝对压 力）这被称为标准大气压力和标准情况。 [4] 表压即计示压力（在计量单位为磅/平方英寸下“g”代表表压力）测量 的是超过大气压力的大小，所以表压力在大气压力下应该显示为“ 0” 。 增压表测量的岐管压力是相对于大气压力的，这就是表压力。这对于决 定压缩机出口处的压力是非常重要的。比如说增压表上读出的 12 磅/平 方英寸意味着进气歧管的压力高于标准大气压力 12 磅/平方英寸。 即：歧管压力 26.7 磅/平方英寸=12 磅/平方英寸（表压力）+14.7 磅/平 方英寸（标准大气压力） [5] 这个条件下的增压比就能计算了： （26.7 磅/平方英寸[绝对压力]） /14.7 磅/平方英寸 （标准大气压力） =1.82 [6] 然而这是在假定压气机入口处没有空气滤清器影响的情况下 [7] 在决定增压比的时候，压气机入口处的绝对压力时常比环境压力小，特 别是在高负荷时。为什么会这样呢？因为任何对空气的阻碍（这其中就 包括空滤器管道的限制）都会对进气造成压力损耗，在决定增压比时， 压气机上游的损耗都需要被计算。这种压力损耗在某些进气系统上可能 达到或超过 1 磅/平方英寸的表显压力。在这种情况下压气机入口处压 力应该如下取值： 压气机入口绝对压力=14.7psia – 1psig = 13.7psia [8] 带入最新的入口处压力进行增压比计算应该是下面这样 (12 psig + 14.7 psia) / 13.7 psia = 1.95. [9] 以上计算方法很好，但是如果你不是在标准大气压下呢？在这种情况下， 在计算工式中简单地用真实的大气压力替代标准大气压力 14.7psi 能够 使计算更精确。在较高的海拔下会对增压比有显著的影响。 比如说：在丹佛 5000 尺的海拔高度下，大气的平均压力在 12.4psia,在 这种情况下带入的进气真空度在压缩比计算时： （12psig + 12.4psia）/（12.4psia – 1psig）=2.14(增压比) 这样的结果和最原始计算的增压比 1.82 相比有很大的不同。 [10]从以上的例子总可以看出增压比取决于很多参数，不仅仅是增压器。 1.1. 空气质量流量空气质量流量 [1] 空气质量流量是在给定的一段时间空气流过压气机（或发动机）的量， 常被表示为 lb/min(磅/分钟)。质量流量可以使用物理方法测量。但是许 多情况下在选择适当的涡轮过程中估计质量流量就已经足够了。 [2] 许多人使用体积流量（表达为：立方英尺/分钟 CFM 或者 ft3/min）代替 质量流量。体积流量可以通过乘以空气密度转换成质量流量。标准大气 压下空气密度为 0.076 lb/ft3。 [3] 质量流量我应该取多少？一般情况下涡轮增压的汽油引擎每 1 lb/min 质 量流量可以产生 9.5-10.5 马力（飞轮上测得） ，所以如果一个引擎想要 400 马力那就要求空气质量流量为 36-44 lb/min， 这样的计算只能粗略地 帮助你缩小增压器的选择范围。 2.2. 喘振线喘振线 [1] 喘振线是压气机特性曲线图的左边界，喘振线的左边是流动不稳定的区 域。这一区域内压气机内气体从小波动变化到大波动。如果在这一区域 内连续运转会因为涡轮的高轴向负载导致涡轮失效。 [2] 根据经验在以下两种情况下涡轮喘振经常发生。第一种也是最严重的一 种就是在负载过轻时的喘振。这种情况下很明确就是涡轮太大。喘振经 常发生在增压后节气门快速关闭时。随着节气门快速关闭气体质量流量 快速减少，但是节气门仍然高速旋转长生压力，导致喘振发生。这立刻 驱使涡轮工作状态远远超出压气机特性曲线图左边的区域立刻导致喘 振。 一旦涡轮转速减到足够小减少增压并将工作状态移到稳定工作区域喘 振将会减弱。这种情况常用一个泄压阀或者式旁通阀解决。泄压阀的作 用是减少进气压力到大气压力以至于缓慢地降低气体质量流量，防止涡 轮喘振发生， 在使用循环旁通阀的情况下， 气流会再循环到涡轮进气口。 [3] 一个有旁通道的涡壳（看图 2）组成了压气机汽缸的一部分，它的作用 是通过允许气流不通过涡轮叶片直接通过涡轮，把喘振线移到更左边 （看图 3） ， 防止出现喘振。这增加了额外的可用范围同时允许更大的增 压器被使用在对气流有更高要求同时要求增压器不能出现喘振的条件 下。涡壳旁通道有一个较小的副作用，那就是降低了压气机效率。 3.3. 阻塞线阻塞线 阻塞线是压气机特性曲线图的右边界。对于 Garrett 增压器曲线来说，典型 的阻塞线被定义为特性曲线图上效率低于 58%的点。 除此之外快速下降的增压效 率经过这个点， 涡轮转速将接近或者超过涡轮的极限转速。如果你确实或者打算 让我轮工作超过这个极限转速，建议你还是换个大涡轮吧。 4.4. 涡轮转速线涡轮转速线 涡轮转速线是许多固定的转速线。 在这些线之间的涡轮转速可以通过插值法 计算。随着涡轮转速的升高，增压比和、或气体质量流量增加。根据以上多余阻 塞线的描述， 涡轮速度线非常靠近特性曲线图的右边缘。一旦压气机的工作超过 了阻塞极限，涡轮转速升高非常快，此时涡轮就已经超速了。 5.5. 效能区域效能区域 增压效能区域是指特性曲线图上一些代表增压器效率的任意点所形成的同 心区域。 靠近特性曲线图中心的最小的区域是效率最高的区域。随着转速离开这 一区域，增压效率下降直到达到喘振或者阻塞区域。 二二 计算增压器特性曲线图数据计算增压器特性曲线图数据 这一部分将呈现， 计算增压压力和气体质量流量的方法来达到所要求的目标 马力。 这些计算的数据将用来指导你选择合适的压气机和涡轮增压器。在选择过 程中有明确的马力目标在心里是很重要的。 除此之外增压压力和空气流量的计算 也是必要的，把马力作为目标就要求选择适合的喷油器、喷油泵、调整器、以及 发动机的其它部件。 1.1. 估算要求的空气流量和增压压力达到既定的马力目标估算要求的空气流量和增压压力达到既定的马力目标 [1] 需要知道的参数： 1)马力目标 2)发动机排量 3)最大转速 4)环境条件（大气压力和温度，大气压力经常给定的数据时汞柱的尺 寸，需要进行换算到 psi） [2] 需要估算的值： 1)发动机的体积效率，现在常用的顶置四气门多缸发动机最大体积效 率范围在 95%~99%，两气门发动机在 85%~95%。如果你有发动机的 扭矩曲线