柴油機渦輪增壓器設(shè)計

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中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 柴油機渦輪增壓器設(shè)計 CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 題 目 柴油機渦輪增壓器設(shè)計 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 教授 學(xué) 院 能源科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級 完成時間 年6月5日 53 柴油機渦輪增壓器設(shè)計 摘 要：近年來，隨著全球汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及汽車保有量飛速增長，人們開始面臨如石油資源緊缺、環(huán)境污染等一系列難題。渦輪增壓器作為一種利用排氣提高發(fā)動機升功率的裝置，能大幅增加發(fā)動機的動力性，同時還利于減小油耗、降低排放。所以，目前柴油機大規(guī)模配備渦輪增壓器，甚至有成為柴油機標準配置的趨勢。實踐證明使用增壓器后的柴油機有效功率可提高30%～50%，油耗約降低5%~10%，在節(jié)能方面的優(yōu)勢十分明顯。本文通過對DK4B型柴油機進行渦輪增壓器的匹配計算，選擇了JP50B3型渦輪增壓器作為試配機型。在此基礎(chǔ)上，利用湖南天雁機械有限責任公司的實驗臺架對JP50B3型渦輪增壓器進行了壓氣機特性實驗、聯(lián)合運行實驗。實驗結(jié)果表明，增壓后DK4B型柴油機的最大有效功率提高了34.9%。這證明利用理論計算輔助渦輪增壓器匹配的效果很好，能夠大大降低工作量，縮短匹配周期；而渦輪增壓器對柴油機性能提高有十分明顯的作用。 關(guān)鍵詞：汽車；柴油機；渦輪增壓器；匹配； The Turbocharger Matching Design and Experiment Research of DK4B Diesel Abstract：Nowadays, with the sharp increase of vehicle in use，people are facing a series of problems such as the lack of oil and the pollution of environment. As a machine for improving power per liter, the turbochargers can not only increase the power performance and emission performance of vehicle, but also reduce the consumption of fuel. So most of diesel engines are equipped with turbochargers. It seems that the turbocharger is going to be a part of a diesel engine. According to the experiences of practice, after equipped with turbocharger, the effective power of diesel engine can be increased by 30%~50%, and the fuel consumption also can be reduced by 5%~10%. Therefore turbocharger has a great advantage in energy-saving. The calculation for DK4B diesel engine turbocharger matching was done in this dissertation, and according to the results, the JP50B3 turbocharger was chosen for a try. After that, two experiments of JP50B3 turbocharger using the test-bed of Hunan Tianyan machinery Co., Ltd. were introduced. The two experiments were done for compressor characteristics and overall operation performance. The results showed that the effective power of DK4B diesel engine is increased by 34.9% after equipped with the JP50B3 turbocharger. Therefore it proves that the method can help choosing turbochargers for diesels and make the process simpler. And the performance of diesel is improved greatly with turbocharger. Key words: Vehicle, Diesel engine, Turbocharger, Matching 目 錄 摘要及關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………………I Abstract and Keywords………………………………………………………………II 1　緒 論 1 1.1 渦輪增壓技術(shù)的研究背景 1 1.2 渦輪增壓技術(shù)簡介 1 1.3 本文研究的目的及意義 2 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 3 2　文獻綜述 5 2.1 渦輪增壓技術(shù)研究 5 2.1.1 國內(nèi)渦輪增壓器行業(yè)現(xiàn)狀 5 2.1.2 國外渦輪增壓器行業(yè)現(xiàn)狀 5 2.1.3渦輪增壓器新型結(jié)構(gòu)的研究 6 2.1.4高原地區(qū)功率恢復(fù)研究 8 2.2.5渦輪增壓器存在的問題 9 2.2 發(fā)動機渦輪增壓器的匹配研究現(xiàn)狀 9 2.2.1 國內(nèi)的匹配仿真研究 9 2.2.2 國內(nèi)的匹配實驗研究 10 2.2.3 國外匹配研究現(xiàn)狀 11 2.3渦輪增壓器試驗臺架研究現(xiàn)狀 12 2.4本章小結(jié) 14 3　柴油機渦輪增壓器的匹配方法 15 3.1渦輪增壓器的構(gòu)造及其工作原理 15 3.1.1 離心式壓氣機 15 3.1.2 徑流式渦輪機 16 3.2 柴油機渦輪增壓器的匹配原則 16 3.2.1 柴油機與壓氣機的匹配 16 3.2.2柴油機與渦輪機的匹配 18 3.2.3 壓氣機與渦輪機的匹配 19 3.2.4柴油機與渦輪增壓器的匹配 20 3.5本章小結(jié) 20 4　渦輪增壓器匹配設(shè)計計算 22 4.1壓氣機設(shè)計點增壓參數(shù)計算 22 4.1.1設(shè)計任務(wù)與原始數(shù)據(jù) 22 4.1.2設(shè)計點選擇 22 4.1.3增壓參數(shù)的確定 23 4.2離心式壓氣機設(shè)計點熱力計算 24 4.2.1已知的計算參數(shù) 24 4.2.2選取參數(shù) 24 4.2.3壓氣機熱力計算 25 4.3壓氣機設(shè)計點的匹配 29 4.4 徑流式渦輪機設(shè)計點熱力計算 30 4.4.1已知的計算參數(shù) 30 4.4.2 選取參數(shù) 31 4.4.3 渦輪機熱力計算 31 4.5渦輪機型號選定 36 4.6渦輪增壓器的定型 36 4.7 本章小結(jié) 37 5　柴油機渦輪增壓器實驗 38 5.1壓氣機性能實驗 38 5.1.1增壓器性能實驗介紹 38 5.1.2壓氣機實驗裝置及方法 39 5.1.3實驗原始數(shù)據(jù) 41 5.1.4壓氣機特性曲線繪制 43 5.2柴油機聯(lián)合運行特性實驗 46 5.2.1柴油機聯(lián)合運行特性實驗介紹 46 5.2.2聯(lián)合運行特性實驗數(shù)據(jù)處理及匹配 47 5.3 本章小結(jié) 50 6　全文總結(jié) 51 6.1 主要結(jié)論 51 6.2 將來可作的工作 52 參考文獻 53 致謝 57 附錄 JP50B3型渦輪增壓器裝配圖（CAD，1#） 實習(xí)報告 1　緒 論 本章主要介紹渦輪增壓器技術(shù)的研究背景，詳細闡述了渦輪增壓器的發(fā)展歷程以及渦輪增壓技術(shù)的作用和原理，同時給出了本文的主要研究內(nèi)容。 1.1 渦輪增壓技術(shù)的研究背景 100多年前，已經(jīng)有人希望通過采用增加進氣密度的方法，在同樣的時間內(nèi)助燃更多的燃料，從而提高發(fā)動機的功率。1926年，世界上第一臺增壓發(fā)動機誕生于瑞士，Alfred J．Buehi博士采用了廢氣渦輪增壓的方式制造了這臺發(fā)動機，可惜的是囿于當時的制造加工精度和材料工藝條件，這臺增壓發(fā)動機在扭矩和功率方面并沒有顯示出多大變化，這也導(dǎo)致了渦輪增壓技術(shù)迅速淡出了人們的視野[[]張俊紅, 李志剛, 王鐵寧. 車用渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展回顧、現(xiàn)狀及展望[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2007,36(1):66-69. ]。直到20世紀40年代末這一情況才得到改觀，徑流式渦輪增壓器成功應(yīng)用與車用發(fā)動機上，人們重新將渦輪增壓器作為提高發(fā)動機升功率的重要技術(shù)加以研究。60年代中期，歐美國家開始將渦輪增壓器這一技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用才柴油機上，并取得了良好的效果。在此后的幾十年里，伴隨著計算機輔助設(shè)計的普及，以及機床精度的提高，渦輪增壓器的性能有了很大的改善，特別是數(shù)控機床的產(chǎn)生，為更加復(fù)雜的葉型加工提供了保障。壓氣機葉輪采用前傾后彎葉片之后，其效率比之前提高了7-10％?，F(xiàn)在，增壓柴油機已經(jīng)成為了中、重型商用車的首選動力裝置，渦輪增壓技術(shù)作為一項主要的發(fā)動機技術(shù)，成為提高柴油機動力性、經(jīng)濟性和排放性的重要途徑之一[[]劉云. 車用柴油機技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 濰坊學(xué)院學(xué)報, 2005, 5(4):85-87. ]。隨著環(huán)境壓力的不斷加大，越來越嚴格的排放法規(guī)也不斷更新，迫使汽車生產(chǎn)商加大技術(shù)研發(fā)的投入，這恰好成為了渦輪增壓技術(shù)以及其他先進內(nèi)燃機技術(shù)發(fā)展的強大推力?？梢哉f，目前渦輪增壓技術(shù)正處于一個前所未有的黃金時期。 我國最早開始生產(chǎn)渦輪增壓器是在上世紀50年代中期。經(jīng)過幾十年的積累與發(fā)展，我國的渦輪增壓器生產(chǎn)也已經(jīng)初具規(guī)模。特別是最近幾年，增壓發(fā)動機在我國發(fā)動機市場的比重迅速增加，渦輪增壓器在柴油機和汽油機上都有應(yīng)用，從小型乘用車到重型商用車上都出現(xiàn)了渦輪增壓器的身影。而在我國西部廣闊的高原地區(qū)，涉及到內(nèi)燃機動力裝置的機械，都必須配備增壓系統(tǒng)。增壓技術(shù)成為內(nèi)燃機在高海拔地區(qū)應(yīng)用的必備條件[[]周文波. 高原柴油機的渦輪增壓技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué), 2004年. ]。 1.2 渦輪增壓技術(shù)簡介 各種動力裝置，特別是車用內(nèi)燃機，一直追求用更小更輕的發(fā)動機輸出更強勁的動力。小巧的動力裝置不但給整車布置帶來更大的選擇空間，也減輕了車輛的自重，降低燃油消耗量。渦輪增壓技術(shù)是指壓氣機與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器，渦輪在排氣能量的推動下旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機工作，實現(xiàn)進氣增壓。所謂的內(nèi)燃機廢氣渦輪增壓系統(tǒng)包含一下部件：進排氣管道、中冷器、渦輪增壓器。渦輪增壓系統(tǒng)根據(jù)排氣能量利用方式不同又可分為定壓和脈沖兩種形式[[]周龍保. 內(nèi)燃機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2010. ]。 通常，評價發(fā)動機強化程度的指標是升功率NL，可用下式表示： （1-1） 式（1-1）中Pe——平均有效壓力；n——發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速，r/min；τ——發(fā)動機沖程系數(shù)。 根據(jù)式（1-1）中所示，沖程系數(shù)τ確定之后，有兩種途徑可以提高升功率，即提高平均有效壓力Pe和提高發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速n[[]朱大鑫. 渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業(yè)出版社, 1992. ]。 通常，轉(zhuǎn)速n的提高會受到限制，如氣缸內(nèi)燃料無法充分燃燒，容積效率和機械效率大幅下降，零部件磨損加劇，使用壽命顯著縮短以及發(fā)動機振動和噪聲加大等。而對于柴油機來說轉(zhuǎn)速的提高就更加有限，一般中型高速柴油機轉(zhuǎn)速不高于4000r/min。 那么就只剩下提高平均有效壓力Pe這條路可走了。所幸，Pe提高時，發(fā)動機熱負荷和機械負荷并不成比例增加，因此Pe可有大幅度提高的空間。 根據(jù)研究結(jié)果，當以理想空燃比燃燒單位體積的燃油時，我們應(yīng)該配備約為燃油體積10000倍的助燃空氣。由此可以看出，就氣缸體積有限的往復(fù)式內(nèi)燃機而言，缸內(nèi)體積絕大多數(shù)被空氣占據(jù)，而燃油僅僅只需很小的一部分體積。因此自然吸氣的內(nèi)燃機，我們可以輕易地增加噴入氣缸的燃油量，但卻無法輕易地配給相應(yīng)的空氣助燃，巨大的空氣體積就成為了我們亟待解決“主要矛盾”。根據(jù)上述分析，解決了增加柴油機供氣量的問題，實際上也就解決了提高柴油機平均有效壓力的問題。而增壓技術(shù)就是針對這一問題的完美解答，在空氣進入氣缸之前為其增壓，提高空氣的密度，就能夠在有限的氣缸體積內(nèi)充入盡量多的空氣助燃。利用發(fā)動機排氣蘊藏的能量帶動壓氣機對進氣進行壓縮的廢氣渦輪增壓技術(shù)就目前應(yīng)用最為廣泛的一種增壓技術(shù)[[]王鐵寧. 增壓中冷系統(tǒng)與柴油機的匹配研究[D].天津：天津大學(xué), 2007年. ]。 1.3 本文研究的目的及意義 柴油機作為內(nèi)燃機的一個大類，被廣泛應(yīng)用于船舶動力、車輛動力、發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域，在車用動力方面的優(yōu)勢尤其明顯。美國的柴油價格高于汽油價格，然而考慮到柴油機出眾的動力性能，美國國內(nèi)貨運的55％是由柴油動力完成的。眾所周知，歐洲、美國有著最為嚴格的排放法規(guī)限制，能否通過排放法規(guī)的要求，已經(jīng)成為歐美汽車生產(chǎn)商考慮的首要問題。而從近10余年來看，他們采取的一個重要戰(zhàn)略就是 “汽車柴油化”。有調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，目前歐美國家100%的重型車、90%的輕型車采用柴油機，歐洲柴油轎車已占其轎車年產(chǎn)量的32%，法國、西班牙等國更高，達50%以上?？梢钥闯觯谂欧欧ㄒ?guī)越來越嚴格的趨勢下，歐美國家發(fā)展新型清潔的柴油機的戰(zhàn)略已經(jīng)獲得了初步的成功[[]朱惠蓮, 陸艷紅. 車用柴油機特點及其技術(shù)發(fā)展趨勢[J].內(nèi)燃機, 2006,(6):1-3. ,[]向紅, 梁正文. 車用柴油機的發(fā)展前景[J].交通標準化, 2006, (12):141-145. ,[]黃功胤, 樓狄明, 張寧寧. 國內(nèi)外重型車用柴油機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].車用發(fā)動機, 2003,(1):6-10. ]。 隨著汽車排放標準日趨嚴格，這對于汽車制造商來說提出了更高的要求，他們必須設(shè)計出既保證節(jié)能減排、又滿足客戶駕駛樂趣需求的新型汽車。而渦輪增壓技術(shù)正好能夠滿足降低排放并提高燃油經(jīng)濟性，同時又能保證駕駛樂趣的要求，所以渦輪增壓技術(shù)正越來越多的應(yīng)用于車用發(fā)動機上。 柴油機以其得天獨厚的優(yōu)勢——壓燃式燃燒，很好的適應(yīng)了增壓技術(shù)在柴油機上的應(yīng)用。因為柴油機運行時的壓縮比本身就比較高，且不存在爆震這個說法，所以增壓壓力的限制較汽油機要小很多。增壓中冷技術(shù)提高升功率的作用在柴油機上得到了很好的發(fā)揮。采用增壓技術(shù)，再配合使用中冷器對增壓后的空氣進行中冷，使柴油機的平均有效壓力(BMEP)已經(jīng)可以達到30Bar左右，升功率水平也與汽油機相接近[[]楊世友, 顧紅中, 郭中朝. 柴油機渦輪增壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與進展[J].柴油機, 2001,(4):1-5. ]。可以說柴油機未來的發(fā)展已經(jīng)離不開渦輪增壓技術(shù)，渦輪增壓器制造技術(shù)的不斷提高，為柴油機的普及提供了重要條件。 近年來，渦輪增壓器的研發(fā)和制造朝著體積更小、重量更輕、零件更少的方向發(fā)展，制造工藝和材料選用方面也更趨成熟。目前，在歐洲汽車市場上相當一部分汽車發(fā)動機配備了渦輪增壓器。無論對于汽油機還是柴油機來說，利用渦輪增壓器提高汽車動力性能已是一個明顯的趨勢[[]萬渤華. 淺談汽車渦輪增壓技術(shù)的節(jié)能減排[J].安全與環(huán)境工程, 2010,17(6):81-82. ]。 本文對柴油機渦輪增壓器理論計算與實驗相結(jié)合選配研究，可以為渦輪增壓器在柴油機上的應(yīng)用提供相應(yīng)參考，簡化匹配流程，降低匹配難度，最大限度發(fā)揮渦輪增壓器的效果。 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 從上節(jié)的介紹可以看出，渦輪增壓器幾乎已成為柴油發(fā)動機必不可少的一個配件。渦輪增壓器與柴油發(fā)動機匹配狀況，將直接影響柴油機的動力性能。本文將對DK4B型車用柴油發(fā)動機選配一款合適的渦輪增壓器，再此過程中提出一種理論計算與實驗相結(jié)合的匹配方法。具體研究內(nèi)容如下： 1）查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，總結(jié)柴油機渦輪增壓器使用、匹配方面研究現(xiàn)狀及方向。 2）通過對DK4B型發(fā)動機設(shè)計點n=1800r/min進行渦輪增壓器結(jié)構(gòu)計算，分別得到相匹配的壓氣機、渦輪機主要尺寸。并根據(jù)這些尺寸，選擇了JP50B3型渦輪增壓器作為初選機型。 3）利用湖南天雁機械有限責任公司的實驗臺架，對JP50B3型渦輪增壓器進行了壓氣機特性實驗，以及柴油機聯(lián)合運行實驗。 4）根據(jù)實驗結(jié)果繪制了JP50B3型渦輪增壓器壓氣機特性曲線與聯(lián)合運行曲線，并對它們進行分析，判斷匹配效果。 為此，后續(xù)各章內(nèi)容如下： 第2章：文獻綜述。分析渦輪增壓器原理，討論柴油機渦輪增壓技術(shù)的國內(nèi)外研究進展和現(xiàn)狀。 第3章：柴油機渦輪增壓器的匹配概述。對柴油機與渦輪增壓器匹配的四大部分進行基本原理的闡述。 第4章：渦輪增壓器匹配設(shè)計計算。通過DK4B柴油機設(shè)計點的參數(shù)出發(fā)，對相匹配的壓氣機和渦輪機進行設(shè)計計算，得出其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并據(jù)此選型。 第5章：柴油機渦輪增壓器實驗。對JP50B3型渦輪增壓器的壓氣機特性實驗和聯(lián)合運行實驗進行介紹和數(shù)據(jù)處理分析。 第6章：全文總結(jié)?？偨Y(jié)理論計算與實驗研究結(jié)合為柴油機匹配渦輪增壓器的方法，分析DK4B柴油機的增壓效果。 2　文獻綜述 本章將根據(jù)查閱的文獻資料，整理出目前在渦輪增壓技術(shù)研究方面國內(nèi)外的新型研究成果及動向。并對于匹配方法、過程的新思路、方案進行了詳細的闡述。 2.1 渦輪增壓技術(shù)研究 2.1.1 國內(nèi)渦輪增壓器行業(yè)現(xiàn)狀 隨著我國汽車保有量迅速增長，汽車生產(chǎn)能力和制造水平也有大幅度提高。國家在汽車的電控技術(shù)、缸內(nèi)燃燒技術(shù)、排氣處理技術(shù)、渦輪增壓器制造技術(shù)等方面的研究力度也越來越大，各方面新成果不斷涌現(xiàn)。 有數(shù)據(jù)顯示，目前國內(nèi)以柴油機作為動力裝置的中重型商用車、客車已接近100% ,輕型貨運和客運車輛也接近80%，而在這部分柴油機上絕大多數(shù)都應(yīng)用了渦輪增壓技術(shù)[[]張晉東. 我國車用增壓器產(chǎn)品現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].柴油機, 2005,27(4):33-35. ,[]王仁人, 任彥領(lǐng), 王明杰, 等. 小型車用柴油機與渦輪增壓器的匹配試驗研究[J].內(nèi)燃機工程, 2001,22(4):16-19. ]。這個趨勢的形成一方面是由于柴油機本身所具有的高扭矩特性，另一個重要的原因則是由于渦輪增壓器的配備提高了柴油機升功率，一定程度上還降低了油耗。在我國汽車銷售量激增的情況下，隨之而來的是渦輪增壓器需求量的明顯增加。據(jù)統(tǒng)計，2002年，我國的發(fā)動機主機所配備的渦輪增壓器僅為50萬臺，而到了2003年這個數(shù)字就增加到了80萬臺。從這組數(shù)據(jù)可以看出，我國渦輪增壓器行業(yè)的發(fā)展速度之驚人。目前，我國的渦輪增壓器行業(yè)已經(jīng)成為年產(chǎn)值幾十億美元的一個資金、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè) [12,[]黃若. 渦輪增壓器產(chǎn)業(yè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].內(nèi)燃機工程, 2003,24(1):81-84. ]。 2.1.2 國外渦輪增壓器行業(yè)現(xiàn)狀 國外渦輪增壓器發(fā)展起步較早，最初渦輪增壓器幾乎都是安裝在賽車或者高原地區(qū)車輛上。而當歐美國家意識到環(huán)境問題的嚴重性時，陸續(xù)出臺了排放法規(guī)，并不斷地更新和加大污染物排放限制力度。迫于壓力，他們的汽車生產(chǎn)商們開始在車輛發(fā)動機上加裝三元催化裝置，使用廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）。然而滿足了排放法規(guī)的同時，發(fā)動機功率會下降20%左右。于是渦輪增壓器就順理成章地進入普通用途車輛領(lǐng)域，作為功率下降的彌補手段[[]顧榮軍, 楊小龍, 劉敬平, 等.汽油機渦輪增壓系統(tǒng)的設(shè)計及匹配研究[C].美國機動車工程師學(xué)會,2008：P139. ]。 目前最著名的渦輪增壓器制造商包括美國的霍尼韋爾公司以及德國的博格華納公司。國外在渦輪增壓器發(fā)展了幾十年之后，對于單獨的每個部件如，中冷器、增壓器、進排氣管路的改進已經(jīng)比較到位，若想就一個部件提高其效率的可能性已經(jīng)較小。所以他們希望把整個渦輪增壓器系統(tǒng)作為一個整體來進行研究，從各部件配合工作的效果出發(fā)，對增壓器進行一定的優(yōu)化。例如：將中冷器入口和壓氣機出口整合到一起，把渦輪機的入口和發(fā)動機排氣管合二為一[14]。這樣一來，既減輕了裝置重量、節(jié)省了空間，還可在一定程度上減小流動損失。M. Talbi等人還嘗試利用廢氣同時進行吸收式制冷與渦輪增壓。這樣制冷量可供汽車空調(diào)用，也可以輔助增壓氣體的中冷[[]M. Talbi, B. Agnew. Energy recovery from diesel engine exhaust gases for performance enhancement and air conditioning[J]. Applied Thermal Engineering, 2002,(22):693-702. ]。 歐美國家從20世紀20年代開始制造渦輪增壓器至今，其大體經(jīng)歷了一下幾個階段：基本型、增壓空氣控制旁通放氣、可變幾何或可變截面、電子控制渦輪增壓器。在此過程中，渦輪增壓器的性能越來越穩(wěn)定，適用的發(fā)動機范圍也越來越寬。有資料表明，目前一款由瑞士ABB公司生產(chǎn)的軸流式渦輪增壓器總效率達75%。而汽車生產(chǎn)大國日本在渦輪增壓器研究方面也處于世界一流水平，特別是在小型化方面優(yōu)勢相當明顯，小型化的渦輪增壓器匹配汽油機，甚至是摩托車發(fā)動機。例如三菱公司、石川島播磨公司的壓氣機葉輪直徑曾經(jīng)做到φ34mm。德國人則將其嚴謹?shù)淖鍪嘛L(fēng)格融入了渦輪增壓器的開發(fā)生產(chǎn)過程中，如博格華納公司生產(chǎn)的渦輪增壓器在結(jié)構(gòu)可靠性方面處于世界領(lǐng)先水平，他們繼承了德國KKK公司傳統(tǒng)，以制造經(jīng)久耐用的渦輪增壓器為首要目標[14]。 2.1.3渦輪增壓器新型結(jié)構(gòu)的研究 渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配狀況是保證發(fā)動機的動力性、燃油經(jīng)濟性及使發(fā)動機滿足排放法規(guī)的必要條件。為了保障增壓器與發(fā)動機在全工況的良好匹配，國內(nèi)發(fā)動機上逐漸出現(xiàn)了應(yīng)用不同思路設(shè)計和精確控制的渦輪增壓系統(tǒng)。 國內(nèi)在車用渦輪增壓器中，應(yīng)用最廣的是帶有廢氣旁通閥的渦輪增壓器。而對于可變噴嘴渦輪增壓器（VNT），正在小規(guī)模的研發(fā)、實驗中，暫時還沒有普及。 廢氣旁通閥和可變噴嘴是兩個提高渦輪增壓器適應(yīng)性的技術(shù)。它們采用不同的思路達到適應(yīng)較寬廣的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速范圍的目的[[]馬朝臣, 朱慶, 楊長茂, 等. 渦輪調(diào)節(jié)方式對增壓柴油機匹配性能的影響[J]內(nèi)燃機學(xué)報,2000,18(2):165-167. ,[]張晉東, 李洪武. 車用柴油機渦輪增壓技術(shù)的新發(fā)展[J]. 車用發(fā)動機, 2002,(1):1-4. ,[]劉蘊星. 帶排氣放氣閥渦輪增壓器與柴油機匹配時影響低速性能的因素分析[J]. 柴油機設(shè)計與制造, 2005,14(2):25-28. ]。兩者的原理如下： 1）廢氣旁通技術(shù)是將柴油機的匹配點選在最大扭矩點附近。在滿足了最大扭矩所需的進氣壓比后，轉(zhuǎn)速進一步增壓時，流經(jīng)渦輪的廢氣流量與膨脹比增大。這將導(dǎo)致與其同軸相連的壓氣機端轉(zhuǎn)速和增壓壓力增加，壓氣機就有可能出現(xiàn)超速，而柴油機則會出現(xiàn)最高爆發(fā)壓力過高的情況。這時，由于壓氣機出口壓力顯著上升，旁通閥執(zhí)行器將渦端進口處的旁通閥打開，放出部分廢氣，是柴油機恢復(fù)正常工作。 2）可變噴嘴技術(shù)則是在渦輪進口處設(shè)置一圈可動的噴嘴環(huán)葉片，在電控裝置或者氣動控制的調(diào)節(jié)作用下，葉片會根據(jù)壓氣機出口壓力變化而變化。匹配點通常取在柴油機的標定點。當壓氣機出口壓力下降時，執(zhí)行器調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)流通面積變小，從而增加渦端的功率輸出，從而恢復(fù)壓氣機出口的壓力。同時，渦輪機的最高效率點也會隨著葉片角改變而變化，這樣就可以在發(fā)動機不同工況下，通過調(diào)整噴嘴環(huán)葉片角，保證渦輪機工作在高效點。 從上述介紹可以看出，可變噴嘴的適應(yīng)能力要強于廢氣旁通技術(shù)，且不會出現(xiàn)較高工況損失部分廢氣能量的情況出現(xiàn)。然而，由于國內(nèi)可變噴嘴技術(shù)剛剛應(yīng)用，可靠性和制造加工難度方面還有一些缺陷[[]胡松巖. 變幾何渦輪及其設(shè)計特點[J]. 航空發(fā)動機, 1996, (3):21-26. ]。而廢氣旁通技術(shù)則應(yīng)用較為方便，實現(xiàn)的成本相對低一些，國內(nèi)市場絕大部分渦輪增壓器都是采用廢氣旁通技術(shù)。 使用廢氣旁通閥要處理的一個問題就是，旁通閥開啟壓力的設(shè)置。旁通閥開啟得太早，將損失過多的排氣能量。所以最佳方案應(yīng)該是，在柴油機機械負荷和熱負荷允許的前提下，盡量增加閥門的開啟壓力。研究表明，在某款歐Ⅱ車用柴油機上搭載同一款增壓器，通過調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力更改開啟壓力，較大的開啟壓力將能提高燃油經(jīng)濟性和降低渦前溫度[[]孟德干. 渦輪增壓器與車用柴油機匹配研究[J]. 柴油機設(shè)計與制造, 2007, 15(3):33-36. ]。 Arto Sarvi等人還發(fā)現(xiàn)，廢氣旁通閥的使用將對柴油機污染物排放的減少有所幫助[[]Arto Sarvi, Carl-Johan Fogelholm, Ron Zevenhoven. Emissions from large-scale medium-speed diesel engines:1. Influence of engine operation mode and turbocharger[J].Fuel Processing Technology,2008,(89):510-519. ]。 北京理工大學(xué)的施新、馬朝臣等設(shè)計了混流渦輪來匹配J6110Z柴油機,研究指出，混流渦輪與傳統(tǒng)的徑流式渦輪比，具有流通能力大、渦輪峰值效率出現(xiàn)在更低的速度比下[[]施新, 馬朝臣. 車用渦輪增壓器混流渦輪的設(shè)計[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2002, 23(1):35-38. ]。 張俊躍等人研制了一段軸徑流式渦輪增壓器，其壓比能夠達到4.5。所謂軸徑流渦輪增壓器是指對傳統(tǒng)的離心式壓氣機進口處追加一個軸流式壓氣機。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 圖2-1 軸徑流式渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖[[]張俊躍, 王林起, 徐思友, 等. 軸徑流渦輪增壓器設(shè)計與試驗研究[C]. 中國工程熱物理學(xué)會，2009：P201 ] 這種型式的渦輪增壓器為超高增壓方向研究開辟了一種新的思路，從而進一步提高發(fā)動機的進氣密度與升功率。 C.D. Rakopoulos等人在研究中發(fā)現(xiàn)，減小渦輪機入口空間，將有利于減少增壓柴油機NO和碳煙的排放，但是幅度并不是很大[[]C.D. Rakopoulos, A.M. Dimaratos, E.G. Giakoumis, et al. Evaluation of the effect of engine, load and turbocharger parameters on transient emissions of diesel engine[J].Energy Conversion and Management, 2009,(50):2381-2393. ]。 為了克服傳統(tǒng)的渦輪增壓器響應(yīng)慢的問題，Deliang Wang等人開發(fā)了一款新的渦輪增壓器，同時他們還設(shè)計了該款渦輪增壓器的控制系統(tǒng)[[]Deliang Wang, Xianyi Qian. New-Style Turbocharger and Its Control System[C]. International Conference on Computer Application and System Modeling,2010,P551-554. ]。 由于發(fā)動機排氣的脈沖能量以及排氣管的作用，發(fā)動機運行時產(chǎn)生的噪音對人體健康產(chǎn)生威脅。渦輪機作為排氣系統(tǒng)的一部分，其在聲學(xué)上的作用將影響發(fā)動機整機噪音大小。為了解決這個問題，K.S. Peat對渦輪機建立了聲學(xué)模型，并通過實驗對比，驗證了該模型是比較符合實際的[[]K.S. Peat, A.J. Torregrosa, A. Broatch, et al. An investigation into the passive acoustic effect of the turbine in an automotive turbocharger[J]. Journal of Sound and Vibration, 2006,(295):60-75. ]。 對于渦輪增壓器主軸失效損壞機理，Xu Xiaolei等人進行了研究。由于旋轉(zhuǎn)疲勞失效是工程上最常見的情況。他們采用金屬旋轉(zhuǎn)疲勞測驗法，對主軸進行了實驗。結(jié)果表明，在比較尖銳的邊緣，如凹槽，是最容易出現(xiàn)斷裂的位置。在這些位置加工圓角能有效緩解應(yīng)力集中，減少失效情況出現(xiàn)[[]Xu Xiaolei , Yu Zhiwei. Failure analysis of a locomotive turbocharger main-shaft[J].Engineering Failure Analysis,2000,(16):495-502. ]。 為了加快乘用車渦輪增壓器的響應(yīng)速度，通?？梢圆捎脺p輕葉輪和主軸重量的方法。然而傳統(tǒng)渦輪葉輪材料無法用于排氣溫度高于850℃的情況下。Toshimitsu等人采用鈦鋁合金作為渦輪葉輪材料，這樣的葉輪具有質(zhì)量小、耐高溫的特點，能使渦輪機性能更優(yōu)[[]Toshimitsu, Tetsui.Development of a TiAl turbocharger for passenger vehicles[J].Materials Science and Engineering,2002,(331):582-588. ]。 2.1.4高原地區(qū)功率恢復(fù)研究 由于我國擁有面積廣闊的高原地區(qū)，國內(nèi)對于利用渦輪增壓器恢復(fù)高原動力方面也做了大量的研究工作。 劉瑞林等人在自行設(shè)計的內(nèi)燃機高海拔模擬實驗臺架上，對海拔變化與渦輪增壓柴油機性能關(guān)系進行了模擬。實驗柴油機為BF8L513型增壓柴油機，結(jié)果顯示，海拔高度對高轉(zhuǎn)速區(qū)域的影響較小，最大功率僅下降了3.6%。而在低速區(qū)，功率下降則較為嚴重，海拔高于2000m之后，功率最高下降了18%[[]劉瑞林, 劉宏威, 秦德. 渦輪增壓柴油機高海拔（低氣壓）性能試驗研究[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報, 2003,21(3):193-196. ]。 昆明理工大學(xué)的張云俠等人對一臺單缸4沖程汽油機進行了，進氣脈沖增壓試驗，在此過程中將壓縮比和點火提前角做了適當調(diào)整。實驗結(jié)果表明，當汽油機進行高原功率恢復(fù)時，需要將壓縮比提高，同時對點火提前角進行調(diào)整。在噴油量一定的情況下，經(jīng)過高原恢復(fù)功率后原機的排氣溫度由711℃下降到了690℃[[]張云俠, 申立中, 顏文勝, 等. 一種小型風(fēng)冷汽油機高原功率恢復(fù)試驗研究[J]. 汽車技術(shù), 2001,(10):27-29. ]。 申立中等人利用內(nèi)燃機大氣模擬綜合測量系統(tǒng)，對一臺排量為3.3L的四缸四沖程柴油機進行了臺架實驗。其主要結(jié)論是：自然吸氣時，柴油機缸內(nèi)進氣終了壓力溫度較小，使得滯燃期變長，早期放熱率變大，壓力升高。渦輪增壓柴油機在海拔高度不同的情況下運行，其燃燒過程沒有太大的差異。加裝了渦輪增壓器的柴油機應(yīng)適當增加其噴油提前角，從而減少碳煙的排放[[]申立中, 沈穎剛, 畢玉華, 等. 不同海拔高度下自然吸氣和增壓柴油機的燃燒過程[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報, 2002,20(1):49-52. ]。他們還專門進行了高原增壓中冷柴油機排放性能研究。結(jié)果表明，高原地區(qū)CO、NOx、HC、PM排放濃度都有升高，尤其是怠速工況下[[]申立中, 楊永忠, 雷基林, 等. 不同海拔下增壓中冷柴油機性能和排放的研究[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報, 2006,24(3):250-255. ]。 華中科技大學(xué)的周文波分析了高原柴油機通過改進燃油系統(tǒng)以及匹配渦輪增壓器提高柴油機功率的可行性，并指出在高原動力裝置的渦輪增壓器匹配中應(yīng)注意渦前溫度和最高轉(zhuǎn)速的限制[[]周文波, 朱梅林. 高原柴油機的渦輪增壓技術(shù)研究[J]. 柴油機設(shè)計與制造, 2003,(3):4-8. ]。 天津大學(xué)的沈穎剛對高原地區(qū)不同燃料的發(fā)動機燃燒性能進行了實驗分析。實驗結(jié)果表明，在大氣壓變化的情況下，汽油機的萬有特性曲線變化較大。而柴油機渦輪增壓器的聯(lián)合運行線將隨海拔增加而逐漸逼近喘振邊界線，導(dǎo)致壓氣機效率下降。若使用LPG/柴油雙燃料發(fā)動機，匹配合適的渦輪增壓器，將表現(xiàn)出良好的高原動力性[[]沈穎剛. 高原環(huán)境下內(nèi)燃機工作過程研究[D]. 天津：天津大學(xué), 2005年. ]。 2.2.5渦輪增壓器存在的問題 研究者也敏銳地觀察到了渦輪增壓器的使用帶來的一些負面影響和問題，這些研究為未來性能更優(yōu)的渦輪增壓器的開發(fā)研制提供了方向。 朱會田等人對柴油機渦輪增壓器存在的問題歸納了以下幾點[[]朱會田, 王遠, 李洪. 柴油機廢氣渦輪增壓不良影響及對策[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備, 2008,(10):54-58. ]： 1）車用渦輪增壓器的使用將導(dǎo)致柴油機轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性的下降。所謂轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性，指的是在保持檔位不變的情況下，柴油機克服外界阻力的能力。 2）由于在柴油機啟動時，渦輪增壓器是不工作的，這將導(dǎo)致柴油機的啟動性能不佳。 3）渦輪增壓器的使用使得柴油機氣缸內(nèi)部氧氣更加充足，燃燒壓力、溫度升高。NOx產(chǎn)生所需的環(huán)境恰好是高溫富氧，所以，渦輪增壓器的使用將直接導(dǎo)致柴油機NOx排放量上升。 4）渦輪增壓器與發(fā)動機是氣動聯(lián)系的，葉輪對發(fā)動機工況變化反應(yīng)存在延遲。這將導(dǎo)致柴油機加速性能不良，尤其是轉(zhuǎn)子質(zhì)量較大時。 5）渦輪增壓器的使用將提高每循環(huán)的噴油量，所以柴油機的機械負荷以及熱負荷將有極大的增加。 2.2 發(fā)動機渦輪增壓器的匹配研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對于渦輪增壓器的匹配方法，總體來有兩個研究方向：一是利用仿真的方法，建立計算模型，對渦輪增壓器各方面運行特性進行模擬，為匹配提供依據(jù)。另一個方向則是在實驗方面做工作，通過不斷優(yōu)化實驗過程，提高實驗準度，減少匹配工作量。 2.2.1 國內(nèi)的匹配仿真研究 在運用計算機仿真計算求得到渦輪增壓器特性方面，我國近年來所得到的一些主要成果如下： 目前有文獻表明，對柴油機渦輪增壓器運行建立計算模型，然后輸入比較簡單的渦輪增壓器和柴油機參數(shù)，設(shè)定其運行環(huán)境和工況，對柴油機的動力性和經(jīng)濟性進行仿真[]趙艷婷, 殷勇. 柴油機渦輪增壓器模型的建立及應(yīng)用[C]. 中國內(nèi)燃機學(xué)會第七屆學(xué)術(shù)年會論文集,2007:P507. 。 湖南大學(xué)曾經(jīng)針對汽油機進行了匹配的仿真，通過建立原發(fā)動機的GT-POWER仿真模型，進行模擬計算選擇了渦輪增壓器，并利用軟件中的PID控制實現(xiàn)放氣閥的控制。最后對汽油機增壓后的最大功率進行預(yù)測，約增加60%左右[15]。 計算機仿真還可用于模擬渦輪增壓器實驗，利用MATLAB/SIMUNILINK仿真環(huán)境，對渦輪增壓器實驗臺架進行仿真[[]段樹林, 歐陽明高, 劉崢. MATLAB/SIMULINK在渦輪增壓器動態(tài)特性仿真中的應(yīng)用[J]. 大連鐵道學(xué)院學(xué)報, 1999,(4):33-36. ]。研究者首先將實驗臺的各部分模塊化。如將GarrettT51壓氣機特性曲線整理成二維數(shù)組存入計算機，再由熱力學(xué)定律和牛頓定律計算出壓氣機出口溫度和壓氣機消耗的扭矩。然后分別將轉(zhuǎn)子、渦輪機、燃燒室的基本模型方程用MATLAB寫成程序進行計算。仿真中，積分步長為20ms，采用了3階龍格-庫塔算法。結(jié)果表明，系統(tǒng)仿真結(jié)果與實驗的結(jié)果比較接近。 華中科技大學(xué)的程偉利用Boost軟件，將進排氣管、發(fā)動機、中冷器以及渦輪增壓器作為一個整體來計算，考察了它們結(jié)構(gòu)參數(shù)對增壓壓力、功率、扭矩等性能參數(shù)的影響情況[[]程偉. H系列電控共軌柴油機進排氣增壓系統(tǒng)設(shè)計、試驗與計算分析[D].武漢：華中科技大學(xué), 2005年. ]。 北京理工大學(xué)的馬培正為JK90S型可變幾何渦輪增壓器設(shè)計開發(fā)一套VGT氣動執(zhí)行機構(gòu)，并利用GT-POWER，建立了JK90S固定截面渦輪增壓器與WD615.50柴油機的仿真模型。與實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，該模型對柴油機的性能預(yù)測較為準確，模型計算誤差在5%以內(nèi)[[]馬培正. VGT氣動執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計及其與柴油機匹配的仿真研究[D].北京：北京理工大學(xué), 2008年. ]。 常婉幟等人對無導(dǎo)葉向心渦輪進行了流動仿真模型的建立，并在此基礎(chǔ)上進行了渦輪效率、渦輪質(zhì)量流量等參數(shù)的計算。與實驗值對比之后發(fā)現(xiàn)，此計算模型對渦輪特性預(yù)測準確，可用于工程設(shè)計[[]常婉幟, 戴韌, 邢衛(wèi)東, 等. 增壓器渦輪性能試驗與CFD計算方法的研究[J]. 車用發(fā)動機, 2007,(6):68-71. ]。 2.2.2 國內(nèi)的匹配實驗研究 國內(nèi)不少學(xué)者也對匹配方法以及匹配實驗數(shù)據(jù)處理方面進行了一些改進。主要成果如下： 有人提出了燃氣發(fā)動機定壓排氣增壓系統(tǒng)的匹配過程，即首先進行增壓參數(shù)的確定，然后按設(shè)計點利用參數(shù)估算值與特性圖結(jié)合的方法，從燃氣發(fā)動機與壓氣機匹配、燃氣發(fā)動機與渦輪的匹配和壓氣機與渦輪的匹配三個方面進行選擇，最后通過發(fā)動機和渦輪增壓器的實驗進行部分調(diào)整[[]蘇展望, 龐志偉, 郭軍良, 等. 渦輪增壓器與燃氣發(fā)動機的匹配及主要增壓參數(shù)的計算[J]. 內(nèi)燃機與動力裝置, 2008,(6):15-17. ]。 ZHANG Yangjun等人在文章中提出了渦輪增壓器的設(shè)計方法，以便于實現(xiàn)渦輪增壓器和發(fā)動機搞好的匹配。此方法建立在渦輪增壓器設(shè)計概念、發(fā)動機循環(huán)與設(shè)計法規(guī)的交互作用上。再通過流動模型生成可選擇的方案。此種綜合方法可用于汽油機與渦輪增壓器的匹配[[]ZHANG YangJun1, CHEN Tao, ZHUGE WeiLin, et al. An integrated turbocharger design approach to improve engine performance[J]. SCIENCE CHINA(Technological Sciences):2010,(53):69-74. ]。 清華大學(xué)曾經(jīng)進行了以達到車用循環(huán)工況總油耗最小值為目標的發(fā)動機渦輪增壓器匹配方法的研究，依據(jù)每個工況點的運行時間長短，配以相對應(yīng)的全中，以油耗與權(quán)重的乘積總和作為優(yōu)化目標，并使用該方法對某款1.8L汽油機進行了匹配的仿真研究。匹配結(jié)果為，多工況匹配法使該款發(fā)動機的最大扭矩提高3%，NEDC駕駛循環(huán)的平均有效燃油消耗率降低了百分之二[[]孫萬于, 張艷麗, 胡力峰, 等. 內(nèi)燃機渦輪增壓多工況匹配研究[J]. 車用發(fā)動機, 2010,(4):83-86. ]。 施新為419QE汽油機匹配渦輪增壓器時，設(shè)計了脈沖和定壓兩種增壓系統(tǒng)。利用循環(huán)模擬程序計算了419QE汽油機增壓之后的關(guān)鍵性能參數(shù)，對比脈沖和定壓系統(tǒng)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)脈沖系統(tǒng)能夠更加充分地利用廢氣能量[[]施新, 馬朝臣, 王樵. 491QE汽油機渦輪增壓系統(tǒng)設(shè)計及模擬計算[J]. 車用發(fā)動機, 2004,(5):8-10. ]。 陳木如對茂名石油化工公司鐵路運輸公司的GK1G-C機車用柴油機冒黑煙現(xiàn)象進行了深入分析，最后發(fā)現(xiàn)是由于原先匹配的增壓器不合適，改用J170型增壓器后排放性能有了較大幅度的提高[[]陳木如. 12V190BJ6型柴油機增壓器的選配[J]. 內(nèi)燃機車, 2004,(5):24-25. ]。 2.2.3 國外匹配研究現(xiàn)狀 國外在匹配方面的研究同樣進行地比較早，為了使渦輪增壓器能夠幫助發(fā)動機發(fā)揮更好的作用，國外的研究人員對發(fā)動機與渦輪增壓器更好地聯(lián)合運行提出了許多改進方案。 希臘有學(xué)者提出了一種渦輪機性能圖[[]M. Tancrez, J. Galindo, C. Guardiola, et al. Turbine adapted maps for turbocharger engine matching[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2011(35):146-153. ]，用來為渦輪增壓器與發(fā)動機匹配提供一種簡潔而且合適的方法。這種渦輪特型圖建立在渦輪增壓器功率以及渦輪的質(zhì)量流量基礎(chǔ)之上，可以表達可變噴嘴（VNT）在不同葉片位置時的渦輪性能。將此圖應(yīng)用于模型計算增壓后發(fā)動機性能得出的結(jié)果與發(fā)動機臺架實驗測得的發(fā)動機性能基本一致。 福特公司的Ilya Kolmanovsky使用數(shù)值最優(yōu)化控制技術(shù)，來求取渦輪增壓器最好的瞬態(tài)控制方式。這種控制方式能夠有效降低排放，提高車輛的動力性能[[]Ilya Kolmanovsky, Anna G. Stefanopoulou. Evaluation of Turbocharger Power Assist System Using Optimal Control Techniques[J]. Society of Automotive Engineers,2000,(01):519-528. ]。 西班牙的J. Galindo等人為了減少車用發(fā)動機上的渦輪增壓器運行在壓氣機喘振區(qū)，對壓氣機喘振線的測定進行了研究。他們采用一種數(shù)學(xué)工具，將壓氣機喘振點與非喘振點區(qū)分開。它的原理是在頻域內(nèi)監(jiān)測離心式壓氣機變量的瞬時變化[[]J. Galindo, J.R. Serrano, X. Margot, et al. Potential of flow pre-whirl at the compressor inlet of automotive engine turbochargers to enlarge surge margin and overcome packaging limitations[J].International Journal of Heat and Fluid Flow, 2007,(28):374-387. ]。 J. Galindo同時還對離心式壓氣機進氣管對發(fā)動機性能影響進行了研究。他們將本身成90彎曲的壓氣機進氣管改成螺旋式（SGD），以此減少此段管道的壓力損失，并擴大非喘振區(qū)域的范圍。為了更好得了解SGD對離心式壓氣機進口處速度三角形的作用，J. Galindo等人還使用CFD計算方法，對這部分區(qū)域進行了仿真[[]J. Galindo, J.R. Serrano, C. Guardiola, et al. Surge limit definition in a specific test bench for the characterization of automotive turbochargers[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2006(30):449-462. ]。 Bernhard Schweizera等人研究了渦輪增壓器廢氣渦輪的非線性喘振，使用多體系統(tǒng)仿真，得出不同的燃油供給壓力及燃油供給溫度對轉(zhuǎn)子及軸承系統(tǒng)震動的影響[[]Bernhard Schweizera, Mario Sievert. Nonlinear oscillations of automotive turbocharger turbines[J]. Journal of Sound and Vibration, 2009,(321):955-975. ]。 C. D. Rakopoulos等人提出一種用來預(yù)測在壓氣機喘振時發(fā)動機充氣系統(tǒng)動態(tài)特性的模型，是結(jié)合線性準穩(wěn)態(tài)柴油機仿真代碼發(fā)展起來的。這種分析法的優(yōu)勢有：更詳細的引擎代碼使基本操作簡便、計算速度的提高以及省略了許多沒有必要的數(shù)據(jù)（如發(fā)動機和渦輪增壓器零部件的部分參數(shù)），而把重點放在了相關(guān)物理現(xiàn)象的正確模擬。瞬態(tài)操作運行，包括喘振開始時的臨界情形，采用了兩個類似的6缸柴油發(fā)動機[[]C. D. Rakopoulos, C.N. Michos, E.G.Giakoumis. Study of the Turbocharged Diesel Engines Including Compressor Surging Using a Linearized Quasi-Steady Analysis[C]. SAE International 2005-01-0225. ]。 隨著燃氣發(fā)動機的使用，有學(xué)者對渦輪增壓器在燃氣發(fā)動機上的使用進行了研究。Ugur Kesgin采用仿真手段，建立缸內(nèi)零維模型，隨后主要選擇了渦輪出口直徑、增壓器效率、渦輪背壓等參數(shù)作為變量。研究它們的變化對燃氣發(fā)動機性能的影響[[]Ugur Kesgin. Effect of turbocharging system on the performance of a natural gas engine[J]. Energy Conversion and Management, 2005,(46):11-32. ]。 K.A. Al-attab等人通過兩種穩(wěn)態(tài)流動試驗來檢驗三種不同的渦輪增壓器與帶中冷器的渦輪增壓汽油發(fā)動機的匹配程度。第一種試驗測試的是三種不同的壓氣機與渦輪在穩(wěn)態(tài)流動下的性能。第二種試驗的測試是穩(wěn)態(tài)流動時，發(fā)動機與渦輪增壓器匹配后，在設(shè)計狀態(tài)與非設(shè)計狀態(tài)的性能。測試的結(jié)果顯示的整個熱力循環(huán)在計狀態(tài)與非設(shè)計狀態(tài)的性能，此結(jié)果可以用于判別不同工作需要的發(fā)動機適合于哪種渦輪增壓器[[]K.A. Al-attab, Z.A. Zainal. Turbocharger-Design Effects on Gasoline-Engine Performance[J]. Applied Energy, 2010,(87)：1336-1341. ]。 Philippe Moulin等提出了渦輪增壓系統(tǒng)的控制策略，此種策略建立在渦輪增壓系統(tǒng)的線性反饋模型的基礎(chǔ)上，為通用的更加復(fù)雜的渦輪增壓系統(tǒng)提供了一種潛在的控制策略。并利用四缸汽油發(fā)動機完成了一些實驗[[]Philippe Moulin, JonathanChauvin. Modeling and control of the air system of a turbocharged gasoline engine[J]. Control Engineering Practice, 2009, (6):1-11. ]。 2.3渦輪增壓器試驗臺架研究現(xiàn)狀 渦輪增壓器的試驗臺架性能直接關(guān)系到渦輪增壓器的使用和研究。臺架測量的數(shù)據(jù)是否準確，采集過程是否簡便易操作都是研究人員關(guān)心的問題。所以，渦輪增壓器試驗臺架的開發(fā)將直接影響增壓器的生產(chǎn)制造水平。近年來也有許多這方面的研究成果。 北京理工大學(xué)的張虹、田建英等設(shè)計了一種壓氣機特性自動化實驗平臺[[]張虹, 田建英. 渦輪增壓器壓氣機性能試驗臺測控系統(tǒng)[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2007,27(3):210-213. ]。壓氣機性能的實驗是測取壓氣機工作過程中各工況下的壓比、流量、效率、轉(zhuǎn)速。然后將其整理成圖形。傳統(tǒng)的人工逐點記錄將不但耗費大量的人力物力，而且測量誤差較大[[]黃勇, 林柏松. 渦輪增壓器試驗臺計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 內(nèi)燃機車, 2001,(7):26-27. ]。采用該款自動化測試平臺，可以方便地進行壓氣機特性實驗以及整機自循環(huán)實驗。所有的實驗數(shù)據(jù)能有在控制平臺實時監(jiān)測，并按操作者的要求自動調(diào)整工況，保存每組數(shù)據(jù)。測試完成后，壓氣機特性曲線將自動生成。 該套壓氣特性自動測試系統(tǒng)的硬件組成圖如圖2-2所示。