第４ｌ卷第１期 ２０１２年０２月 船海工程 ＳＨＩＰ＆０ＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖ０１．４１ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１２ 涡轮增压器与柴油机全转速范围内联合运行关系模型 王希波 ，邓康耀 （１．山东交通学院汽车工程系，济南２５００２３；２．上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海２０００３０） 摘要：建立涡轮增压柴油机部分转速的增压压比和最高转速的增压压比的关系模型。对模型求解，得 到表征两个压比的比值随柴油机转速、最高转速的压比变化的ＭＡＰ图。与某型柴油机实验结果的对比表明， 该模型可以较准确地预测两个压比之间的关系。模型还给出获得同样的增压压比时，低速和高速之间匹配的 涡轮当量面积的关系。 关键词：增压器；柴油机；匹配；模型 中图分类号：ＴＫ４２１．８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—７９５３（２０１２）０１－００４５－０４ 增压系统和柴油机的匹配通常根据柴油机的 Ｔｓ＝Ｒ・Ｔｃ（１一 ）＋ ・ （２） （３） 使用要求，在常用工况点匹配压气机，再根据压气 机匹配涡轮，最后考察柴油机和压气机的联合运 行状况。对于使用单个增压器的柴油机，这种匹 ｕｆ一 Ｐ 。。ｖｈ・ｎ・ｂ ＾１＾ｎｎｎ 配方法能够直观地了解在匹配点时柴油机运行特 （４） 性和增压器大小之间的关系 ，无法直观了解柴 油机和增压器在柴油机整个转速内的匹配性能。 式中：Ｇ ——通过压气机的质量流量率，ｋｇ／ｓ； ｎ——柴油机转速，ｒ／ｒａｉｎ； ——而在使用多个增压器的相继增压系统中，增压器 和柴油机的匹配不再直观，给相继增压的阶段划 分和各增压器的大小选择以及相继增压系统的优 柴油机排量，ｍ ； ＇７ ——充量系数； 叼 ——扫气系数； ｐ。——环境压力，Ｐａ； ７ｒ ——增压压比； 化带来不便 。本文在齐纳图形匹配模型 的 基础上，进一步考虑柴油机通流特性对增压系统 的影响，讨论柴油机部分转速压比与最高转速压 比之间的比值关系随着柴油机转速变化的规律。 尺——空气气体常数，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）； ——中冷后气体温度，Ｋ； ——１ 柴油机和增压系统模型描述 １．１柴油机模型 在考察柴油机和增压系统的匹配时，柴油机 有两方面的属性：柴油机的通流特性及柴油机涡 压气机出口温度，Ｋ； 柴油机排气温度，Ｋ； ————中冷器冷却水温度，Ｋ； 占——水冷中冷器冷却效率； Ｇ ——柴油机质量流量，ｋｇ／ｓ； 轮前温度。对于具体的柴油机而言，转速、平均有 效压力和油耗决定这两方面的属性。式（１）一 ７７ｊ——指示热效率； （４）表征柴油机这两方面属性的关系 Ｊ。 ，１． 叼 ——机械效率； 柴油低热值，Ｊ／ｋｇ； ——‘叼 ‘叼 ‘Ｐｏ ７ｒ ，１、 Ｃｏ——定压比热； ｃ一１２０ 『 ． ］ ， Ｇ．——通过涡轮的质量流量； Ｐｉｎｅ——平均有效压力，Ｐａ； ６——油耗率，ｋｇ／（ｋＷ・ｈ）。 １．２压气机模型 收稿日期：２０１１—０３—２２ 修回日期：２０１１—０４—２０ 第一作者简介：王希波（１９７８一），男，博士生。 研究方向：内燃机增压和内燃机仿真 Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｘｉｐｏ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｎ 压气机简化为一理想压气机，压气机的压比、 流量没有结构和工况的限制，可以有任意流量和 压比关系；压比和流量之间由比功率约束，压气机 ４５ 第１期 船海工程 第４１卷 的压比是通过压气机气体所接受的比功率的函 数，增压后的温度是压比的函数 。 （ ｃ －１＿ （５） ＝（７ｒ。）‘ ｃ ｃ・Ｔｏ （６） 式中：叼 ——压气机效率； ——．．空气比热比； Ⅳ ——压气机接受的比功率，Ｗ／ｋｇ； ——环境温度，Ｋ。 １．３涡轮模型 涡轮简化为一个当量喷嘴，涡轮发出的比功 率是膨胀比的函数。 ＝ ㈩ 式中： ——涡轮膨胀比； ＇ｒ／ｔ￣ｄ——涡轮机效率； ｋｔ——柴油机排气的比热比； ⅣＩ——涡轮机发出的比功率，Ｗ／ｋｇ； Ｒ ——柴油机排气气体常数，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）。 根据当量喷嘴的假设，通过涡轮当量喷嘴的 质量流量是涡轮膨胀比和涡轮前温度的函数。当 膨胀比小于１．８３（排气视为双原子气体）时，通过 当量喷嘴的流动是亚声速，其流量关系见式（８）； 当膨胀比大于１．８３，通过当量喷嘴的流动是声速 流动，其流量关系式见式（９） ］。 （象） ＝各州１．（ Ｉ］ ＜１．８３ （８） （象） ＝ ［ 一（南） ’】 ７ｒ ≥１．８３ （９） 式中：Ａ．——涡轮当量面积，ｍ ； Ｐｔ——涡轮前压力，Ｐａ； ——．涡轮前气体比容，ｉｎ ／ｋｇ。 １．４守恒关系 守恒关系指通过柴油机和增压器的流动质量 守恒和能量守恒。质量守恒指柴油机稳定运行 时，通过压气机的质量流量、柴油机的喷油量、通 过涡轮的质量流量三者之间的守恒关系；能量守 恒关系指涡轮机发出的功率和压气机消耗功率之 间的平衡关系 Ｊ。 Ｇ ＝Ｇ ＋Ｇｆ （１０） （７ｒ ）（ｋｃ－１）／ｋｃ一１ 叼ｔ。・Ｔｔ／Ｔｏ× ４６ ［１一（７ｒ ）（１－ｋｔ）／ｋｔ （１１） 式中：７７ 。——涡轮增压器的效率。 ２模型简化 上述的柴油机模型、压气机模型和涡轮模型 无法给出明了的解析表达式来表明柴油机运行参 数变化时增压压力的变化。虽然可以用数值求解 的办法求出具体柴油机的单个工况的增压压力， 而对于柴油机转速发生变化、转速范围发生变化、 柴油机的平均有效压力发生变化时，柴油机和增 压系统在柴油机全部转速范围内的匹配关系没有 直观的表达形式。 ２．１增压系统和转速关系模型简化 在柴油机的外特性曲线上，排气管的温度随 转速变化的幅度不大，将其平均值作为柴油机的 排温，将循环供油量的平均值作为循环供油量；在 带有中冷器的柴油机中，中冷后面的温度在外特 性曲线上，变化幅度也不大，将中冷后的平均温度 作为进气温度。 若柴油机增压系统在最高转速点的膨胀比为 ７ｒ （下标ｍａｘ，表示柴油机最大转速点），在部 分转速点的膨胀比为７ｒ¨Ⅲ （下标ｒａｉｎ，表示柴油机 部分转速点）。最高转速的压比为７ｒ。 ，部分转 速的压比为仃 。则有 Ｇ 一 （１２） Ｇ… ～ （１３） 对于柴油机，当过量空气系数大于１．５时，若 使用进气流量代替排气流量时，误差不大于３％， 可以用进气流量代替排气流量。此时当量喷嘴的 流通特性为 （ ） ＝ ａｘ［１ 伪］ ７ｒ ＜１．８３时 （１４） （舞） ＝ ｃ南 １）］ ７ｒ ＞１．８３时 （１５） （ ） ： ・一＂ｈ＇ｔａｒｉｎ）（１ ］ ７ｒ ＜１．８３时 （１６） （Ｉ ） ｉ ／ ＝鲁１＋ 口 ｉ 、ｃ ＋ｋ南 １ 第１期 船海工程 第４１卷 的降低，增压压比降低，过量空气系数降低。当转 速降低到一定程度时，柴油机的过量空气系数可 能会低于允许值。 对于具体柴油机而言，可以通过减小低转速 的涡轮的等效通流面积来提高低转速时的增压压 力或者过量空气系数。 若将部分转速的过量空气系数恢复到最高转 速的过量空气系数，而且循环供油量不变时，则柴 油机低转速的增压压比等于高转速的增压压比。 根据柴油机最高转速的增压压比估算部分转速的 增压压比，了解柴油机和增压器联合运行特性随 着柴油机转速范围变化而变化的规律。 ２）可以使用涡轮当量面积较小的涡轮增压 器，提高柴油机低速时的增压压比和过量空气系 数。同样的涡轮效率、排气温度时，若想在柴油机 不同的转速时获得同样的压比，需要柴油机高速 和低速的涡轮当量面积之比等于转速之比。 参考文献 假设低转速和高转速的排气温度相同，则低转速 和高转速的膨胀比相同。因此，当高转速的涡轮 为超声速时，低转速也为超声速，当高转速为亚声 速时，低转速也为亚声速流动。若想使用改变涡 ［１］顾宏中．涡轮增压柴油机性能研究［Ｍ］．上海：上海 交通大学出版社，１９９８． ［２］张哲，邓康耀，钱跃华，大小涡轮三阶段相继增压 轮通流面积的方法，将低转速的过量空气系数恢 复到最大转速点的过量空气系数，则低转速和最 高转速的涡轮当量喷嘴面积比为 Ａ ｔ ： 系统性能试验研究［Ｊ］．内燃机学报，２０１０，２８（１）： ６８＿７３． ［３］齐纳Ｋ．内燃机增压与匹配－理论、计算机实例［Ｍ］． 侯玉堂，禹惠生，译．北京：国防工业出版社，１９８２． （２４）、＿ 。［４］朱大鑫．涡轮增压与涡轮增压器［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，１９９２． ｎｃ ｍａｘ ３ 结论 １）所建立的增压系统和柴油机匹配的模型 ［５］陆家祥．柴油机涡轮增压技术［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，１９９９． ［６］沈维道．工程热力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社， ２００１ 和实验结果、商用软件仿真结果符合较好。可以 Ａ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｔｕｒｂｏ Ｃｈａｒｇｅｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｗｈｏｌｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｐｅｅｄ Ｒａｎｇｅ ＷＡＮＧ Ｘｉ－ｂｏ‘ＤＥＮＧ Ｋａｎｇ－ｙａｏ ．（１．Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ ２５００２３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｍｏｄｅｌ ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｅｎ— ｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｂｙ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ，ａ ｒａｔｉｏ ｍａｐ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｅｓ— ｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ｇｏｔｔｅｎ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｇｉｖｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏｓ ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ａｌｓｏ ｇｉｖｅ ｔｈｅ ｔｕｒｂｏ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ａｒｅａ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｔｕｒｂｏ ｃｂａｒｇｉｎｇ；ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ；ｍａｔｃｈｉｎｇ；ｍｏｄｅｌ ４８