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涡轮增压设计对汽油机性能的影响 Theodosios Korakianitis （James Watt教授，机械工程学院，格拉斯哥大学，格拉斯哥G12 8QQ苏格兰 e-mail: t.alexander@mech.gla.ac.uk） T. Sadoi (内燃机设计部门，三菱汽车公司，东京，日本) 摘要：一份给定的内燃机的涡轮增压器规格说明书通常包含给与活塞式内燃机匹配的表现性能。在对合适的增压比、质量流量及内燃机质量流量、动力表现做出综合的理论性的考虑后，设计师们才能想方设法追求一系列潜在的内燃机增压器匹配性设计。最后，在各种候选增压器做出最终抉择就要通过测试了。在这篇论文中，我们应用两个恒流实验匹配三个汽车增压中冷汽油机上的不同增压器。第一个实验测量这三个增压器的压缩机和涡轮稳流性能。第二个实验用于测量各个增压器的稳流设计点和非设计点性能。从这些测量结果可以得到设计点和非设计点在整个热力循环过程中的性能，这就可以判定不同种类的内燃机协定需匹配何种增压器。 简介 无论它们是以两冲程还是四冲程的热力循环运行,无论它们是自然进气式还是增压中冷式,无论他们是燃汽油,柴油还是其它燃料,活塞式内燃机可以在很大的最小和最大速度、功率幅度下运转。内燃机的燃料图(如图1所示)显示了在功率-速度图或转矩-速度图上的热效率轮廓，在这张图上我们可以找出最小和最大速度,最小最大功,极限负荷和极限增压比以及一些其它的运行极限.不同的内燃机性能指标(效率,转矩,马力)都可以优化到最优值,比如喷射,进气正时,歧管调整等等,在一定幅度速度和马力范围内,发动机的运行职责指示了这些指标在发动机速度-功图上的位置.涡轮机的性能高度决定于气体从所有的(叶栅和其它)入口及出口通道的角度,而且因此会在一个很小运行范围角度下呈现出高性能.代表性地,涡轮运行轴的转速要比活塞式发动机高一个数量级,因此涡轮比活塞式发动机质量流量比例要小。 图1.发动机热力流动示意图(左)发动机燃料匹配图(中)压缩机图(右) 汽油机和柴油机传送的制动能量W是被流通于内燃机运行循环系统中的空气质量比m决定的.这个质量流量比m正比于p,即充许进入活塞式内燃机气缸中的进气密度。 公式当中的（F/A）是指工作状态下的燃空比。一般来说自然吸气式发动机的体积效率约为 0.85，然而涡轮增压式发动机一般在0.95-1.1之间，取决于发动机所采取相应的技术（对于两冲程发动机来说V是指扫气泵的扫气量）。 在柴油机某一转速下，负荷是由改变喷入气缸的燃料（F）的数量来控制的。在汽油机中这样的调节方法会使效率下降，在汽油机中某一特定转速下负荷是通过在进气歧管中调节进气量来控制的，从而可以减少进入气缸中的气体的压力和密度。燃料喷射式汽油机同样可以改变喷油定时和喷入燃料的量，而缸内直喷式汽油机通过在进气歧管口处注入到发动机中可以增加容积效率，因为燃气占了进气的部分容积。 在自然吸气式发动机中，Pa,i是由进入气缸中的温度和压力决定的。在各种机械增压和涡轮增压方案中，密度可以通过压缩器增加（通常伴有中冷器）。在机械增压中，压缩机是由发动机通过机械方式驱动的。在涡轮增压中，压缩器是由排气燃气轮机驱动的。德国的R.狄塞尔已于1986年介绍了涡轮增压技术的基本思想（只晚于第一次成功提出奥托循环18年）。在本世纪初，D.克拉克（英国，1901）和A.拉托、L.雷诺（法国）秘诀了机械增压设备。A.波希（瑞士， 1905）获得了柴油发动机涡轮增压研究的专利。A.拉托最先于1917年开发了汽油机涡轮增压技术。起初，涡轮发动机只被用于赛车用发动机。1954年左右，美国通用汽车公司开发了第一台用于乘用汽车发动机的涡轮增压器。 机械增压驱动器直接与发动机转速耦合，而且这种方式下的增压器能根据发动机速度及质量流量快速改变。涡轮增压的驱动器（涡轮）是间接（气动热力学）响应发动机速度的，而且它们的压缩器对发动机的速度、质量流量的反应也较慢，有一种情况就是“涡轮增压器滞后”现象。通过减少涡轮增压器转动惯量可以改进装置，并且有时会使用两个（或更多）相同的小一点的涡轮增压器，不过不会以一个比一个大的形式布置（偶尔是两个涡轮增压器，有时在他们之间会有一个中冷器，这一系列装置用于进一步提高进气压力，特别是在一些船用发动机中）。温特伯和加（1991）[2]从多项式衍生出了传递函数模型，这些多项式必须匹配从实验数据评价出来的系数，并且用从其它传递函数模型得来的系数来评价柴油发动机对瞬变的反应。 发动机和涡轮机组不能够很好地自然配合，因此增压器跟活塞式发动机的配合必须经过认真的规划和调试。增压器的几何形状必须小心选择，这样才能够保证在工作周期或者发动机流动性能下，压缩机的出口和涡轮机的入口以及进排气管处，增压器的