柴油機(jī)渦輪增壓器設(shè)計(jì)

《柴油機(jī)渦輪增壓器設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《柴油機(jī)渦輪增壓器設(shè)計(jì)（64頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

中南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 柴油機(jī)渦輪增壓器設(shè)計(jì) CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 柴油機(jī)渦輪增壓器設(shè)計(jì) 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(jí) 完成時(shí)間 年6月5日 53 柴油機(jī)渦輪增壓器設(shè)計(jì) 摘 要：近年來(lái)，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(zhǎng)，人們開(kāi)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(dòng)機(jī)升功率的裝置，能大幅增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，同時(shí)還利于減小油耗、降低排放。所以，目前柴油機(jī)大規(guī)模配備渦輪增壓器，甚至有成為柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置的趨勢(shì)。實(shí)踐證明使用增壓器后的柴油機(jī)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(shì)十分明顯。本文通過(guò)對(duì)DK4B型柴油機(jī)進(jìn)行渦輪增壓器的匹配計(jì)算，選擇了JP50B3型渦輪增壓器作為試配機(jī)型。在此基礎(chǔ)上，利用湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架對(duì)JP50B3型渦輪增壓器進(jìn)行了壓氣機(jī)特性實(shí)驗(yàn)、聯(lián)合運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增壓后DK4B型柴油機(jī)的最大有效功率提高了34.9%。這證明利用理論計(jì)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(duì)柴油機(jī)性能提高有十分明顯的作用。 關(guān)鍵詞：汽車；柴油機(jī)；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(jiǎn)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(xiàn)綜述 5 2.1 渦輪增壓技術(shù)研究 5 2.1.1 國(guó)內(nèi)渦輪增壓器行業(yè)現(xiàn)狀 5 2.1.2 國(guó)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(wèn)題 9 2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的匹配研究現(xiàn)狀 9 2.2.1 國(guó)內(nèi)的匹配仿真研究 9 2.2.2 國(guó)內(nèi)的匹配實(shí)驗(yàn)研究 10 2.2.3 國(guó)外匹配研究現(xiàn)狀 11 2.3渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)架研究現(xiàn)狀 12 2.4本章小結(jié) 14 3　柴油機(jī)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(jī) 15 3.1.2 徑流式渦輪機(jī) 16 3.2 柴油機(jī)渦輪增壓器的匹配原則 16 3.2.1 柴油機(jī)與壓氣機(jī)的匹配 16 3.2.2柴油機(jī)與渦輪機(jī)的匹配 18 3.2.3 壓氣機(jī)與渦輪機(jī)的匹配 19 3.2.4柴油機(jī)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(jì)計(jì)算 22 4.1壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)增壓參數(shù)計(jì)算 22 4.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)與原始數(shù)據(jù) 22 4.1.2設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇 22 4.1.3增壓參數(shù)的確定 23 4.2離心式壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)熱力計(jì)算 24 4.2.1已知的計(jì)算參數(shù) 24 4.2.2選取參數(shù) 24 4.2.3壓氣機(jī)熱力計(jì)算 25 4.3壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的匹配 29 4.4 徑流式渦輪機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)熱力計(jì)算 30 4.4.1已知的計(jì)算參數(shù) 30 4.4.2 選取參數(shù) 31 4.4.3 渦輪機(jī)熱力計(jì)算 31 4.5渦輪機(jī)型號(hào)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(jī)渦輪增壓器實(shí)驗(yàn) 38 5.1壓氣機(jī)性能實(shí)驗(yàn) 38 5.1.1增壓器性能實(shí)驗(yàn)介紹 38 5.1.2壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置及方法 39 5.1.3實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù) 41 5.1.4壓氣機(jī)特性曲線繪制 43 5.2柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn) 46 5.2.1柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)介紹 46 5.2.2聯(lián)合運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)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(lái)可作的工作 52 參考文獻(xiàn) 53 致謝 57 附錄 JP50B3型渦輪增壓器裝配圖（CAD，1#） 實(shí)習(xí)報(bào)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(xì)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(shí)給出了本文的主要研究?jī)?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(guò)采用增加進(jìn)氣密度的方法，在同樣的時(shí)間內(nèi)助燃更多的燃料，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。1926年，世界上第一臺(tái)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，可惜的是囿于當(dāng)時(shí)的制造加工精度和材料工藝條件，這臺(tái)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在扭矩和功率方面并沒(méi)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(jī)與摩托車,2007,36(1):66-69. ]。直到20世紀(jì)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(dòng)機(jī)上，人們重新將渦輪增壓器作為提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率的重要技術(shù)加以研究。60年代中期，歐美國(guó)家開(kāi)始將渦輪增壓器這一技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用才柴油機(jī)上，并取得了良好的效果。在此后的幾十年里，伴隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的普及，以及機(jī)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(jī)床的產(chǎn)生，為更加復(fù)雜的葉型加工提供了保障。壓氣機(jī)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(jī)已經(jīng)成為了中、重型商用車的首選動(dòng)力裝置，渦輪增壓技術(shù)作為一項(xiàng)主要的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，成為提高柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的重要途徑之一[[]劉云. 車用柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 濰坊學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 5(4):85-87. ]。隨著環(huán)境壓力的不斷加大，越來(lái)越嚴(yán)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(jìn)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大推力。可以說(shuō)，目前渦輪增壓技術(shù)正處于一個(gè)前所未有的黃金時(shí)期。 我國(guó)最早開(kāi)始生產(chǎn)渦輪增壓器是在上世紀(jì)50年代中期。經(jīng)過(guò)幾十年的積累與發(fā)展，我國(guó)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(dòng)機(jī)在我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)的比重迅速增加，渦輪增壓器在柴油機(jī)和汽油機(jī)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(guó)西部廣闊的高原地區(qū)，涉及到內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力裝置的機(jī)械，都必須配備增壓系統(tǒng)。增壓技術(shù)成為內(nèi)燃機(jī)在高海拔地區(qū)應(yīng)用的必備條件[[]周文波. 高原柴油機(jī)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(jiǎn)介 各種動(dòng)力裝置，特別是車用內(nèi)燃機(jī)，一直追求用更小更輕的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更強(qiáng)勁的動(dòng)力。小巧的動(dòng)力裝置不但給整車布置帶來(lái)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(jī)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(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓。所謂的內(nèi)燃機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)包含一下部件：進(jìn)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(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2010. ]。 通常，評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的指標(biāo)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(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；τ——發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n[[]朱大鑫. 渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1992. ]。 通常，轉(zhuǎn)速n的提高會(huì)受到限制，如氣缸內(nèi)燃料無(wú)法充分燃燒，容積效率和機(jī)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(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲加大等。而對(duì)于柴油機(jī)來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)速的提高就更加有限，一般中型高速柴油機(jī)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)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(dāng)以理想空燃比燃燒單位體積的燃油時(shí)，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(jī)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(jī)，我們可以輕易地增加噴入氣缸的燃油量，但卻無(wú)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(jī)供氣量的問(wèn)題，實(shí)際上也就解決了提高柴油機(jī)平均有效壓力的問(wèn)題。而增壓技術(shù)就是針對(duì)這一問(wèn)題的完美解答，在空氣進(jìn)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(dòng)機(jī)排氣蘊(yùn)藏的能量帶動(dòng)壓氣機(jī)對(duì)進(jìn)氣進(jìn)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(jī)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(jī)作為內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)大類，被廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力、車輛動(dòng)力、發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域，在車用動(dòng)力方面的優(yōu)勢(shì)尤其明顯。美國(guó)的柴油價(jià)格高于汽油價(jià)格，然而考慮到柴油機(jī)出眾的動(dòng)力性能，美國(guó)國(guó)內(nèi)貨運(yùn)的55％是由柴油動(dòng)力完成的。眾所周知，歐洲、美國(guó)有著最為嚴(yán)格的排放法規(guī)限制，能否通過(guò)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(wèn)題。而從近10余年來(lái)看，他們采取的一個(gè)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(guó)家100%的重型車、90%的輕型車采用柴油機(jī)，歐洲柴油轎車已占其轎車年產(chǎn)量的32%，法國(guó)、西班牙等國(guó)更高，達(dá)50%以上?？梢钥闯觯谂欧欧ㄒ?guī)越來(lái)越嚴(yán)格的趨勢(shì)下，歐美國(guó)家發(fā)展新型清潔的柴油機(jī)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(jī)特點(diǎn)及其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].內(nèi)燃機(jī), 2006,(6):1-3. ,[]向紅, 梁正文. 車用柴油機(jī)的發(fā)展前景[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化, 2006, (12):141-145. ,[]黃功胤, 樓狄明, 張寧寧. 國(guó)內(nèi)外重型車用柴油機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2003,(1):6-10. ]。 隨著汽車排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，這對(duì)于汽車制造商來(lái)說(shuō)提出了更高的要求，他們必須設(shè)計(jì)出既保證節(jié)能減排、又滿足客戶駕駛樂(lè)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(jì)性，同時(shí)又能保證駕駛樂(lè)趣的要求，所以渦輪增壓技術(shù)正越來(lái)越多的應(yīng)用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)上。 柴油機(jī)以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)——壓燃式燃燒，很好的適應(yīng)了增壓技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用。因?yàn)椴裼蜋C(jī)運(yùn)行時(shí)的壓縮比本身就比較高，且不存在爆震這個(gè)說(shuō)法，所以增壓壓力的限制較汽油機(jī)要小很多。增壓中冷技術(shù)提高升功率的作用在柴油機(jī)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(duì)增壓后的空氣進(jìn)行中冷，使柴油機(jī)的平均有效壓力(BMEP)已經(jīng)可以達(dá)到30Bar左右，升功率水平也與汽油機(jī)相接近[[]楊世友, 顧紅中, 郭中朝. 柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].柴油機(jī), 2001,(4):1-5. ]?？梢哉f(shuō)柴油機(jī)未來(lái)的發(fā)展已經(jīng)離不開(kāi)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(jī)的普及提供了重要條件。 近年來(lái)，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(chǎng)上相當(dāng)一部分汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配備了渦輪增壓器。無(wú)論對(duì)于汽油機(jī)還是柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，利用渦輪增壓器提高汽車動(dòng)力性能已是一個(gè)明顯的趨勢(shì)[[]萬(wàn)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(duì)柴油機(jī)渦輪增壓器理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合選配研究，可以為渦輪增壓器在柴油機(jī)上的應(yīng)用提供相應(yīng)參考，簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)必不可少的一個(gè)配件。渦輪增壓器與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)匹配狀況，將直接影響柴油機(jī)的動(dòng)力性能。本文將對(duì)DK4B型車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)選配一款合適的渦輪增壓器，再此過(guò)程中提出一種理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的匹配方法。具體研究?jī)?nèi)容如下： 1）查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，總結(jié)柴油機(jī)渦輪增壓器使用、匹配方面研究現(xiàn)狀及方向。 2）通過(guò)對(duì)DK4B型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)n=1800r/min進(jìn)行渦輪增壓器結(jié)構(gòu)計(jì)算，分別得到相匹配的壓氣機(jī)、渦輪機(jī)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(jī)型。 3）利用湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)JP50B3型渦輪增壓器進(jìn)行了壓氣機(jī)特性實(shí)驗(yàn)，以及柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。 4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制了JP50B3型渦輪增壓器壓氣機(jī)特性曲線與聯(lián)合運(yùn)行曲線，并對(duì)它們進(jìn)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(xiàn)綜述。分析渦輪增壓器原理，討論柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和現(xiàn)狀。 第3章：柴油機(jī)渦輪增壓器的匹配概述。對(duì)柴油機(jī)與渦輪增壓器匹配的四大部分進(jìn)行基本原理的闡述。 第4章：渦輪增壓器匹配設(shè)計(jì)計(jì)算。通過(guò)DK4B柴油機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的參數(shù)出發(fā)，對(duì)相匹配的壓氣機(jī)和渦輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)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(jī)渦輪增壓器實(shí)驗(yàn)。對(duì)JP50B3型渦輪增壓器的壓氣機(jī)特性實(shí)驗(yàn)和聯(lián)合運(yùn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合為柴油機(jī)匹配渦輪增壓器的方法，分析DK4B柴油機(jī)的增壓效果。 2　文獻(xiàn)綜述 本章將根據(jù)查閱的文獻(xiàn)資料，整理出目前在渦輪增壓技術(shù)研究方面國(guó)內(nèi)外的新型研究成果及動(dòng)向。并對(duì)于匹配方法、過(guò)程的新思路、方案進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。 2.1 渦輪增壓技術(shù)研究 2.1.1 國(guó)內(nèi)渦輪增壓器行業(yè)現(xiàn)狀 隨著我國(guó)汽車保有量迅速增長(zhǎng)，汽車生產(chǎn)能力和制造水平也有大幅度提高。國(guó)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(lái)越大，各方面新成果不斷涌現(xiàn)。 有數(shù)據(jù)顯示，目前國(guó)內(nèi)以柴油機(jī)作為動(dòng)力裝置的中重型商用車、客車已接近100% ,輕型貨運(yùn)和客運(yùn)車輛也接近80%，而在這部分柴油機(jī)上絕大多數(shù)都應(yīng)用了渦輪增壓技術(shù)[[]張晉東. 我國(guó)車用增壓器產(chǎn)品現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].柴油機(jī), 2005,27(4):33-35. ,[]王仁人, 任彥領(lǐng), 王明杰, 等. 小型車用柴油機(jī)與渦輪增壓器的匹配試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程, 2001,22(4):16-19. ]。這個(gè)趨勢(shì)的形成一方面是由于柴油機(jī)本身所具有的高扭矩特性，另一個(gè)重要的原因則是由于渦輪增壓器的配備提高了柴油機(jī)升功率，一定程度上還降低了油耗。在我國(guó)汽車銷售量激增的情況下，隨之而來(lái)的是渦輪增壓器需求量的明顯增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年，我國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)所配備的渦輪增壓器僅為50萬(wàn)臺(tái)，而到了2003年這個(gè)數(shù)字就增加到了80萬(wàn)臺(tái)。從這組數(shù)據(jù)可以看出，我國(guó)渦輪增壓器行業(yè)的發(fā)展速度之驚人。目前，我國(guó)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(gè)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(jī)工程, 2003,24(1):81-84. ]。 2.1.2 國(guó)外渦輪增壓器行業(yè)現(xiàn)狀 國(guó)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(dāng)歐美國(guó)家意識(shí)到環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)重性時(shí)，陸續(xù)出臺(tái)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(kāi)始在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率會(huì)下降20%左右。于是渦輪增壓器就順理成章地進(jìn)入普通用途車輛領(lǐng)域，作為功率下降的彌補(bǔ)手段[[]顧榮軍, 楊小龍, 劉敬平, 等.汽油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及匹配研究[C].美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì),2008：P139. ]。 目前最著名的渦輪增壓器制造商包括美國(guó)的霍尼韋爾公司以及德國(guó)的博格華納公司。國(guó)外在渦輪增壓器發(fā)展了幾十年之后，對(duì)于單獨(dú)的每個(gè)部件如，中冷器、增壓器、進(jìn)排氣管路的改進(jìn)已經(jīng)比較到位，若想就一個(gè)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(gè)渦輪增壓器系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行研究，從各部件配合工作的效果出發(fā)，對(duì)增壓器進(jìn)行一定的優(yōu)化。例如：將中冷器入口和壓氣機(jī)出口整合到一起，把渦輪機(jī)的入口和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管合二為一[14]。這樣一來(lái)，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(dòng)損失。M. Talbi等人還嘗試?yán)脧U氣同時(shí)進(jìn)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(guó)家從20世紀(jì)20年代開(kāi)始制造渦輪增壓器至今，其大體經(jīng)歷了一下幾個(gè)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(guò)程中，渦輪增壓器的性能越來(lái)越穩(wěn)定，適用的發(fā)動(dòng)機(jī)范圍也越來(lái)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(dá)75%。而汽車生產(chǎn)大國(guó)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(shì)相當(dāng)明顯，小型化的渦輪增壓器匹配汽油機(jī)，甚至是摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)。例如三菱公司、石川島播磨公司的壓氣機(jī)葉輪直徑曾經(jīng)做到φ34mm。德國(guó)人則將其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鍪嘛L(fēng)格融入了渦輪增壓器的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)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(guó)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(biāo)[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(dòng)機(jī)的匹配狀況是保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及使發(fā)動(dòng)機(jī)滿足排放法規(guī)的必要條件。為了保障增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況的良好匹配，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)上逐漸出現(xiàn)了應(yīng)用不同思路設(shè)計(jì)和精確控制的渦輪增壓系統(tǒng)。 國(guó)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(duì)于可變噴嘴渦輪增壓器（VNT），正在小規(guī)模的研發(fā)、實(shí)驗(yàn)中，暫時(shí)還沒(méi)有普及。 廢氣旁通閥和可變噴嘴是兩個(gè)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(dá)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(zhǎng)茂, 等. 渦輪調(diào)節(jié)方式對(duì)增壓柴油機(jī)匹配性能的影響[J]內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2000,18(2):165-167. ,[]張晉東, 李洪武. 車用柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的新發(fā)展[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2002,(1):1-4. ,[]劉蘊(yùn)星. 帶排氣放氣閥渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配時(shí)影響低速性能的因素分析[J]. 柴油機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)的匹配點(diǎn)選在最大扭矩點(diǎn)附近。在滿足了最大扭矩所需的進(jìn)氣壓比后，轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增壓時(shí)，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(jī)端轉(zhuǎn)速和增壓壓力增加，壓氣機(jī)就有可能出現(xiàn)超速，而柴油機(jī)則會(huì)出現(xiàn)最高爆發(fā)壓力過(guò)高的情況。這時(shí)，由于壓氣機(jī)出口壓力顯著上升，旁通閥執(zhí)行器將渦端進(jìn)口處的旁通閥打開(kāi)，放出部分廢氣，是柴油機(jī)恢復(fù)正常工作。 2）可變噴嘴技術(shù)則是在渦輪進(jìn)口處設(shè)置一圈可動(dòng)的噴嘴環(huán)葉片，在電控裝置或者氣動(dòng)控制的調(diào)節(jié)作用下，葉片會(huì)根據(jù)壓氣機(jī)出口壓力變化而變化。匹配點(diǎn)通常取在柴油機(jī)的標(biāo)定點(diǎn)。當(dāng)壓氣機(jī)出口壓力下降時(shí)，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(jī)出口的壓力。同時(shí)，渦輪機(jī)的最高效率點(diǎn)也會(huì)隨著葉片角改變而變化，這樣就可以在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下，通過(guò)調(diào)整噴嘴環(huán)葉片角，保證渦輪機(jī)工作在高效點(diǎn)。 從上述介紹可以看出，可變噴嘴的適應(yīng)能力要強(qiáng)于廢氣旁通技術(shù)，且不會(huì)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(guó)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(jì)特點(diǎn)[J]. 航空發(fā)動(dòng)機(jī), 1996, (3):21-26. ]。而廢氣旁通技術(shù)則應(yīng)用較為方便，實(shí)現(xiàn)的成本相對(duì)低一些，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(gè)問(wèn)題就是，旁通閥開(kāi)啟壓力的設(shè)置。旁通閥開(kāi)啟得太早，將損失過(guò)多的排氣能量。所以最佳方案應(yīng)該是，在柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷允許的前提下，盡量增加閥門的開(kāi)啟壓力。研究表明，在某款歐Ⅱ車用柴油機(jī)上搭載同一款增壓器，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力更改開(kāi)啟壓力，較大的開(kāi)啟壓力將能提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低渦前溫度[[]孟德干. 渦輪增壓器與車用柴油機(jī)匹配研究[J]. 柴油機(jī)設(shè)計(jì)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(duì)柴油機(jī)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(jì)了混流渦輪來(lái)匹配J6110Z柴油機(jī),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(jì)[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 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(dá)到4.5。所謂軸徑流渦輪增壓器是指對(duì)傳統(tǒng)的離心式壓氣機(jī)進(jìn)口處追加一個(gè)軸流式壓氣機(jī)。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(jì)與試驗(yàn)研究[C]. 中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)，2009：P201 ] 這種型式的渦輪增壓器為超高增壓方向研究開(kāi)辟了一種新的思路，從而進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)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(jī)入口空間，將有利于減少增壓柴油機(jī)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(wèn)題，Deliang Wang等人開(kāi)發(fā)了一款新的渦輪增壓器，同時(shí)他們還設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)排氣的脈沖能量以及排氣管的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。渦輪機(jī)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(dòng)機(jī)整機(jī)噪音大小。為了解決這個(gè)問(wèn)題，K.S. Peat對(duì)渦輪機(jī)建立了聲學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了該模型是比較符合實(shí)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(duì)于渦輪增壓器主軸失效損壞機(jī)理，Xu Xiaolei等人進(jìn)行了研究。由于旋轉(zhuǎn)疲勞失效是工程上最常見(jiàn)的情況。他們采用金屬旋轉(zhuǎn)疲勞測(cè)驗(yàn)法，對(duì)主軸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。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(wú)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(diǎn)，能使渦輪機(jī)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(guó)擁有面積廣闊的高原地區(qū)，國(guó)內(nèi)對(duì)于利用渦輪增壓器恢復(fù)高原動(dòng)力方面也做了大量的研究工作。 劉瑞林等人在自行設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)高海拔模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，對(duì)海拔變化與渦輪增壓柴油機(jī)性能關(guān)系進(jìn)行了模擬。實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)為BF8L513型增壓柴油機(jī)，結(jié)果顯示，海拔高度對(duì)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(yán)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(jī)高海拔（低氣壓）性能試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2003,21(3):193-196. ]。 昆明理工大學(xué)的張?jiān)苽b等人對(duì)一臺(tái)單缸4沖程汽油機(jī)進(jìn)行了，進(jìn)氣脈沖增壓試驗(yàn)，在此過(guò)程中將壓縮比和點(diǎn)火提前角做了適當(dāng)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)汽油機(jī)進(jìn)行高原功率恢復(fù)時(shí)，需要將壓縮比提高，同時(shí)對(duì)點(diǎn)火提前角進(jìn)行調(diào)整。在噴油量一定的情況下，經(jīng)過(guò)高原恢復(fù)功率后原機(jī)的排氣溫度由711℃下降到了690℃[[]張?jiān)苽b, 申立中, 顏文勝, 等. 一種小型風(fēng)冷汽油機(jī)高原功率恢復(fù)試驗(yàn)研究[J]. 汽車技術(shù), 2001,(10):27-29. ]。 申立中等人利用內(nèi)燃機(jī)大氣模擬綜合測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)一臺(tái)排量為3.3L的四缸四沖程柴油機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。其主要結(jié)論是：自然吸氣時(shí)，柴油機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣終了壓力溫度較小，使得滯燃期變長(zhǎng)，早期放熱率變大，壓力升高。渦輪增壓柴油機(jī)在海拔高度不同的情況下運(yùn)行，其燃燒過(guò)程沒(méi)有太大的差異。加裝了渦輪增壓器的柴油機(jī)應(yīng)適當(dāng)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(jī)的燃燒過(guò)程[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2002,20(1):49-52. ]。他們還專門進(jìn)行了高原增壓中冷柴油機(jī)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(jī)性能和排放的研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2006,24(3):250-255. ]。 華中科技大學(xué)的周文波分析了高原柴油機(jī)通過(guò)改進(jìn)燃油系統(tǒng)以及匹配渦輪增壓器提高柴油機(jī)功率的可行性，并指出在高原動(dòng)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(jī)的渦輪增壓技術(shù)研究[J]. 柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造, 2003,(3):4-8. ]。 天津大學(xué)的沈穎剛對(duì)高原地區(qū)不同燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大氣壓變化的情況下，汽油機(jī)的萬(wàn)有特性曲線變化較大。而柴油機(jī)渦輪增壓器的聯(lián)合運(yùn)行線將隨海拔增加而逐漸逼近喘振邊界線，導(dǎo)致壓氣機(jī)效率下降。若使用LPG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，匹配合適的渦輪增壓器，將表現(xiàn)出良好的高原動(dòng)力性[[]沈穎剛. 高原環(huán)境下內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)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(wèn)題 研究者也敏銳地觀察到了渦輪增壓器的使用帶來(lái)的一些負(fù)面影響和問(wèn)題，這些研究為未來(lái)性能更優(yōu)的渦輪增壓器的開(kāi)發(fā)研制提供了方向。 朱會(huì)田等人對(duì)柴油機(jī)渦輪增壓器存在的問(wèn)題歸納了以下幾點(diǎn)[[]朱會(huì)田, 王遠(yuǎn), 李洪. 柴油機(jī)廢氣渦輪增壓不良影響及對(duì)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(jī)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(jī)克服外界阻力的能力。 2）由于在柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，渦輪增壓器是不工作的，這將導(dǎo)致柴油機(jī)的啟動(dòng)性能不佳。 3）渦輪增壓器的使用使得柴油機(jī)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(jī)NOx排放量上升。 4）渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)是氣動(dòng)聯(lián)系的，葉輪對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化反應(yīng)存在延遲。這將導(dǎo)致柴油機(jī)加速性能不良，尤其是轉(zhuǎn)子質(zhì)量較大時(shí)。 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(jī)的機(jī)械負(fù)荷以及熱負(fù)荷將有極大的增加。 2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器的匹配研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)對(duì)于渦輪增壓器的匹配方法，總體來(lái)有兩個(gè)研究方向：一是利用仿真的方法，建立計(jì)算模型，對(duì)渦輪增壓器各方面運(yùn)行特性進(jìn)行模擬，為匹配提供依據(jù)。另一個(gè)方向則是在實(shí)驗(yàn)方面做工作，通過(guò)不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)度，減少匹配工作量。 2.2.1 國(guó)內(nèi)的匹配仿真研究 在運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算求得到渦輪增壓器特性方面，我國(guó)近年來(lái)所得到的一些主要成果如下： 目前有文獻(xiàn)表明，對(duì)柴油機(jī)渦輪增壓器運(yùn)行建立計(jì)算模型，然后輸入比較簡(jiǎn)單的渦輪增壓器和柴油機(jī)參數(shù)，設(shè)定其運(yùn)行環(huán)境和工況，對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真[]趙艷婷, 殷勇. 柴油機(jī)渦輪增壓器模型的建立及應(yīng)用[C]. 中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2007:P507. 。 湖南大學(xué)曾經(jīng)針對(duì)汽油機(jī)進(jìn)行了匹配的仿真，通過(guò)建立原發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-POWER仿真模型，進(jìn)行模擬計(jì)算選擇了渦輪增壓器，并利用軟件中的PID控制實(shí)現(xiàn)放氣閥的控制。最后對(duì)汽油機(jī)增壓后的最大功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，約增加60%左右[15]。 計(jì)算機(jī)仿真還可用于模擬渦輪增壓器實(shí)驗(yàn)，利用MATLAB/SIMUNILINK仿真環(huán)境，對(duì)渦輪增壓器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行仿真[[]段樹(shù)林, 歐陽(yáng)明高, 劉崢. MATLAB/SIMULINK在渦輪增壓器動(dòng)態(tài)特性仿真中的應(yīng)用[J]. 大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào), 1999,(4):33-36. ]。研究者首先將實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各部分模塊化。如將GarrettT51壓氣機(jī)特性曲線整理成二維數(shù)組存入計(jì)算機(jī)，再由熱力學(xué)定律和牛頓定律計(jì)算出壓氣機(jī)出口溫度和壓氣機(jī)消耗的扭矩。然后分別將轉(zhuǎn)子、渦輪機(jī)、燃燒室的基本模型方程用MATLAB寫成程序進(jìn)行計(jì)算。仿真中，積分步長(zhǎng)為20ms，采用了3階龍格-庫(kù)塔算法。結(jié)果表明，系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(jìn)排氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)、中冷器以及渦輪增壓器作為一個(gè)整體來(lái)計(jì)算，考察了它們結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(jī)進(jìn)排氣增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與計(jì)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(jì)開(kāi)發(fā)一套VGT氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(jī)的仿真模型。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該模型對(duì)柴油機(jī)的性能預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，模型計(jì)算誤差在5%以內(nèi)[[]馬培正. VGT氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其與柴油機(jī)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(duì)無(wú)導(dǎo)葉向心渦輪進(jìn)行了流動(dòng)仿真模型的建立，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了渦輪效率、渦輪質(zhì)量流量等參數(shù)的計(jì)算。與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，此計(jì)算模型對(duì)渦輪特性預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，可用于工程設(shè)計(jì)[[]常婉幟, 戴韌, 邢衛(wèi)東, 等. 增壓器渦輪性能試驗(yàn)與CFD計(jì)算方法的研究[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2007,(6):68-71. ]。 2.2.2 國(guó)內(nèi)的匹配實(shí)驗(yàn)研究 國(guó)內(nèi)不少學(xué)者也對(duì)匹配方法以及匹配實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行了一些改進(jìn)。主要成果如下： 有人提出了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)定壓排氣增壓系統(tǒng)的匹配過(guò)程，即首先進(jìn)行增壓參數(shù)的確定，然后按設(shè)計(jì)點(diǎn)利用參數(shù)估算值與特性圖結(jié)合的方法，從燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)與壓氣機(jī)匹配、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪的匹配和壓氣機(jī)與渦輪的匹配三個(gè)方面進(jìn)行選擇，最后通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行部分調(diào)整[[]蘇展望, 龐志偉, 郭軍良, 等. 渦輪增壓器與燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的匹配及主要增壓參數(shù)的計(jì)算[J]. 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)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(jì)方法，以便于實(shí)現(xiàn)渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)搞好的匹配。此方法建立在渦輪增壓器設(shè)計(jì)概念、發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)與設(shè)計(jì)法規(guī)的交互作用上。再通過(guò)流動(dòng)模型生成可選擇的方案。此種綜合方法可用于汽油機(jī)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(jìn)行了以達(dá)到車用循環(huán)工況總油耗最小值為目標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器匹配方法的研究，依據(jù)每個(gè)工況點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短，配以相對(duì)應(yīng)的全中，以油耗與權(quán)重的乘積總和作為優(yōu)化目標(biāo)，并使用該方法對(duì)某款1.8L汽油機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)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(wàn)于, 張艷麗, 胡力峰, 等. 內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓多工況匹配研究[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2010,(4):83-86. ]。 施新為419QE汽油機(jī)匹配渦輪增壓器時(shí)，設(shè)計(jì)了脈沖和定壓兩種增壓系統(tǒng)。利用循環(huán)模擬程序計(jì)算了419QE汽油機(jī)增壓之后的關(guān)鍵性能參數(shù)，對(duì)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(jī)渦輪增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2004,(5):8-10. ]。 陳木如對(duì)茂名石油化工公司鐵路運(yùn)輸公司的GK1G-C機(jī)車用柴油機(jī)冒黑煙現(xiàn)象進(jìn)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(jī)增壓器的選配[J]. 內(nèi)燃機(jī)車, 2004,(5):24-25. ]。 2.2.3 國(guó)外匹配研究現(xiàn)狀 國(guó)外在匹配方面的研究同樣進(jìn)行地比較早，為了使渦輪增壓器能夠幫助發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮更好的作用，國(guó)外的研究人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器更好地聯(lián)合運(yùn)行提出了許多改進(jìn)方案。 希臘有學(xué)者提出了一種渦輪機(jī)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(lái)為渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配提供一種簡(jiǎn)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(dá)可變噴嘴（VNT）在不同葉片位置時(shí)的渦輪性能。將此圖應(yīng)用于模型計(jì)算增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)性能得出的結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)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(dòng)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(dòng)機(jī)上的渦輪增壓器運(yùn)行在壓氣機(jī)喘振區(qū)，對(duì)壓氣機(jī)喘振線的測(cè)定進(jìn)行了研究。他們采用一種數(shù)學(xué)工具，將壓氣機(jī)喘振點(diǎn)與非喘振點(diǎn)區(qū)分開(kāi)。它的原理是在頻域內(nèi)監(jiān)測(cè)離心式壓氣機(jī)變量的瞬時(shí)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(shí)還對(duì)離心式壓氣機(jī)進(jìn)氣管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響進(jìn)行了研究。他們將本身成90彎曲的壓氣機(jī)進(jìn)氣管改成螺旋式（SGD），以此減少此段管道的壓力損失，并擴(kuò)大非喘振區(qū)域的范圍。為了更好得了解SGD對(duì)離心式壓氣機(jī)進(jìn)口處速度三角形的作用，J. Galindo等人還使用CFD計(jì)算方法，對(duì)這部分區(qū)域進(jìn)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(duì)轉(zhuǎn)子及軸承系統(tǒng)震動(dòng)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(lái)預(yù)測(cè)在壓氣機(jī)喘振時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的模型，是結(jié)合線性準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)柴油機(jī)仿真代碼發(fā)展起來(lái)的。這種分析法的優(yōu)勢(shì)有：更詳細(xì)的引擎代碼使基本操作簡(jiǎn)便、計(jì)算速度的提高以及省略了許多沒(méi)有必要的數(shù)據(jù)（如發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器零部件的部分參數(shù)），而把重點(diǎn)放在了相關(guān)物理現(xiàn)象的正確模擬。瞬態(tài)操作運(yùn)行，包括喘振開(kāi)始時(shí)的臨界情形，采用了兩個(gè)類似的6缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)[[]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?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的使用，有學(xué)者對(duì)渦輪增壓器在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上的使用進(jìn)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(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)兩種穩(wěn)態(tài)流動(dòng)試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)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(dòng)機(jī)的匹配程度。第一種試驗(yàn)測(cè)試的是三種不同的壓氣機(jī)與渦輪在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下的性能。第二種試驗(yàn)的測(cè)試是穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器匹配后，在設(shè)計(jì)狀態(tài)與非設(shè)計(jì)狀態(tài)的性能。測(cè)試的結(jié)果顯示的整個(gè)熱力循環(huán)在計(jì)狀態(tài)與非設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)完成了一些實(shí)驗(yàn)[[]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(yàn)臺(tái)架研究現(xiàn)狀 渦輪增壓器的試驗(yàn)臺(tái)架性能直接關(guān)系到渦輪增壓器的使用和研究。臺(tái)架測(cè)量的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，采集過(guò)程是否簡(jiǎn)便易操作都是研究人員關(guān)心的問(wèn)題。所以，渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)架的開(kāi)發(fā)將直接影響增壓器的生產(chǎn)制造水平。近年來(lái)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(jì)了一種壓氣機(jī)特性自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[[]張虹, 田建英. 渦輪增壓器壓氣機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,27(3):210-213. ]。壓氣機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)是測(cè)取壓氣機(jī)工作過(guò)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(diǎn)記錄將不但耗費(fèi)大量的人力物力，而且測(cè)量誤差較大[[]黃勇, 林柏松. 渦輪增壓器試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 內(nèi)燃機(jī)車, 2001,(7):26-27. ]。采用該款自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，可以方便地進(jìn)行壓氣機(jī)特性實(shí)驗(yàn)以及整機(jī)自循環(huán)實(shí)驗(yàn)。所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能有在控制平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并按操作者的要求自動(dòng)調(diào)整工況，保存每組數(shù)據(jù)。測(cè)試完成后，壓氣機(jī)特性曲線將自動(dòng)生成。 該套壓氣特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成圖如圖2-2所示。