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Turbocharger-Design Effects on Gasoline-Engine Performance（涡轮增压器设计对汽油机性能的影响）
摘要
无论是二冲程的热力循环还是在四冲程的热力循环，无论是自然吸气还是增压中冷，也无论是用汽油、柴油或者其它燃料，活塞发动机都可以达到最宽范围操作的最大速度和功率。发动机的燃油图显示了在功率速度或扭矩速度图上的热效率曲线，同时识别最小速度和最大速度、最小功率和最大功率、轴承和涡轮增压器的限制以及其他操作极限。对发动机性能（效率、转矩或功率）可以进行不同措施的优化，例如在喷油器和气门正时、歧管调谐等方面，在较小的速度和功率范围内，其在发动机速度曲线图上的位置取决于发动机的工况。落在最佳幅度的表现并不像在机械叶轮中所对应的那么高。叶轮机械的性能高度依赖于进气的角度和所有退出的通道，因此在一个较窄的范围内具有较高的操作性能。通常，轴的操作速度比活塞式发动机高出一个数量级，因此，在相当的质量流量下，涡轮增压器比活塞发动机小得多。
汽油机和柴油机的制动功率输出Wot受发动机运行周期内空气质量流量ma的限制。空气质量流量与进气缸的电荷密度成正比(海伍德，1998[1])
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对于自然吸气式发动机，其容积效率约为0.85，而涡轮增压发动机的效率介于0.95至1.1之间，这取决于发动机技术。
在给定的发动机转速下，柴油机的负荷是通过改变气缸内的燃油量来控制的。这在汽油发动机中效率较低，在给定的发动机转速负荷主要通过控制进气歧管上的流量来控制，从而降低进气的压力和进气密度。燃油喷射汽油发动机也可以改变喷油定时和喷油量，而直喷汽油发动机可以提高端口喷射发动机的容积效率，燃料蒸汽从进气中获取一定量。
在自然吸气发动机是由空气的温度和压力，因为它进入气缸。在各种增压和涡轮增压方案中，这种密度随压缩机的增加而增加。增压时发动机由机械驱动。在涡轮增压中，压缩机是通过废气涡轮驱动的。柴油机增压的基本思想是于1896迪塞尔在德国推出的。在本世纪初，D.克拉克，A.拉托和L.雷诺开发的增压装置。柴油机的涡轮增压器是由A. Buchi提出的。汽油发动机的涡轮增压器是在1917由拉托首次开发。最初，涡轮增压发动机仅用于赛车。大约1954通用汽车公司开发了第一台用于轿车的涡轮增压汽油发动机。
机械增压的司机是直接连接到发动机转速，其压缩机快速响应发动机转速和流量的变化。涡轮增压器的驱动是间接耦合到发动机转速，其压缩机对发动机转速和流量的变化缓慢，被称为“涡轮增压器滞后”。这是通过降低涡轮增压器的转动惯量的改进，和偶尔的平行而不是一个大的两个较小的涡轮增压器的使用。不同质量流量和活塞发动机和涡轮机的运行速度不匹配，并且任何活塞发动机与涡轮增压器的组合必须仔细计划。涡轮增压器的几何结构必须仔细选择，使其性能良好的涡轮增压器的速度和质量流量与活塞发动机的运转范围一致，同时与压缩机出口和涡轮进口条件、进气歧管和排气歧管以及发动机的工作循环一起工作。显然，对于活塞发动机，在窄的速度和功率范围内，涡轮增压器将被选择，以使其质量流量和压力比的高效率范围符合发动机和职责。妥协必须使发动机运行在广泛的速度和功率范围。例如，汽车发动机有时安装了一个废门，这样在发动机高速运转和质量流量很小的情况下，发动机就很少通过涡轮，而发动机经常运转的涡轮增压器就能在较低的速度和功率下更匹配。
涡轮增压器的匹配
压气机进口总压力低于大气压力，总温度约为大气温度。首先根据热和机械应力估计目标输出功率。利用理想气体模型估算涡轮增压器总效率，计算压气机出口温度。
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总空气中冷器出口压力比P 2低一点。相应的总的空气温度和密度从冷却器效果在情商的近似忽略在中冷器的压力降计算。在中冷器出口静态密度现在从站的总条件和流动区域评价。
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涡轮增压器的基本尺寸现在由发动机所要求的空气，由Eq给出。通过使用p 1和T 1的适当起始值，可以重复上述计算为几个设计点和非设计点操作条件重复。如果发动机以恒定转速运行，但负载增加，质量流量将随着电荷密度或压力比的增加而增加。图1的涡轮增压器图上的这些发动机恒速线是虚线。中冷效果的斜率减小。较低的发动机转速接近喘振线，较高的发动机转速是在较高的压缩机质量流量。发动机负荷线就显示在同一图上，高负荷线路发生在较高的压缩机的压力比。
现在可以从涡轮增压器制造商提供的压缩机特性图中选择合适的涡轮增压器，并将其与发动机的燃油图进行比较。涡轮增压器压缩图用于识别最小气流、限制连续操作和最小压缩机效率。显然，在前面提到的估算中，典型的发动机燃油图和压缩机特性是必不可少的。
当排气阀或钢瓶的端口首先打开时，气体进入排气系统，压力脉动迅速减小。在脉冲涡轮增压中，这些脉冲是从两个或三个气缸组，远离进口阀或端口开口的时间，以避免通过排气回流。然后将脉冲引导到涡轮蜗壳中。涡轮入口的变化情况使脉冲充电比恒压充电效率低，但在低负载条件下脉冲充电是有利的，在这种情况下，脉冲补偿了废气的低温。在恒压涡轮增压中，所有气缸的废气进入一个共用的歧管，脉冲压力的回收率有限。涡轮提供恒定压力更有效地运作在高输出，而脉冲充电涡轮机更适应发动机输出的变化。20世纪70年代以前，船用发动机被脉冲充电，但随着制动平均有效压力的增加，平衡已接近增压涡轮增压。尽管实际差异脉冲稳流操作，传统的稳定流试验获得的性能图，它们是用来匹配的涡轮增压器的发动机。
压缩机扩散器将被选择以允许足够的喘振裕度。然后，涡轮蜗壳可以用来改变有效的涡轮面积，从而改变涡轮提供的能量，从而改变压气机的压力。虽然可以计算这一切，但在试验台上对发动机和涡轮增压器进行最后的调整。
涡轮增压器的几何形状
分析与上述类似，加勒特结合几种不同的压气机和涡轮叶轮、扩压器和蜗壳，为潜在的三菱4G63发动机涡轮增压器。这是一个2升的直列四缸涡轮增压中冷四冲程汽油发动机燃油喷射与8.5:1的压缩比和双架空凸轮。自1994以来，该引擎已在三菱Eclipse中使用。涡轮增压器压气机和涡轮的性能和相应的发动机性能与这三个涡轮增压器，测试mt-9，mt-13，和mt-15，图2中概述。质量流量通过涡轮，在发动机运行的废气门有限，为了优化在midspeed系列发动机的涡轮增压器的性能。
涡轮增压器试验
在第一组稳流试验中，在涡轮增压器试验台上测量了压气机和涡轮的性能。汽轮机在稳定流条件下的实验室除湿供应压缩空气由一个大的螺杆压缩机驱动。在涡轮入口的阀门被用来控制涡轮的质量流率。通过这个控制阀，空气进入一个大的油箱，一个过滤器，一个压力调节器和扩散器到涡轮入口法兰。涡轮出口排放到大气条件。压缩机入口从大气条件接收空气。压缩机出口流经一组流直，过去的测量站，为圆柱的体积约4升的油箱，并从这罐通过控制阀，用于控制压缩机的输出压力和流量。这种解耦的压气机和涡轮的质量流量和压力比在范围更广的地图操作性能比能与涡轮增压器连接到引擎了。
涡轮增压器提供循环润滑油从一个四加仑的油箱通过外部泵。在涡轮增压器轴上固定压缩机叶轮的合金螺母被每个涡轮增压器用磁化螺母所取代。磁化螺母激活安装在铝合金压缩机进口周围的感应铜线圈，线圈电压输出频率通过示波器测量涡轮增压器的转速。
在稳流器的总压、静压、和压气机出口总温，和涡轮入口和出口，与静压和总压传感器和热电偶测量。J型热电偶ANSI编码，正导致铁康铜负领先，并在273和373 K，压力传感器的校准itq-1000 Kulite系列，他们使用一个体重测试仪的校准。为了获得区域平均速度和质量流量，从而获得总的和静态的特性，在每一个站和每一个流动条件下测量圆周速度剖面，并从中通道的速度中获得区域平均速度。这些特性被用来推导质量流量、压力比和压缩机和涡轮机的工作。将数据放大并送入PC机数据采集系统。
在每一个关于水轮机进水阀位置十设置，测量在几个压缩机出口阀的设置，从大开阀直到喘振发生在部分闭合的位置，从而改变压缩机的质量流量率和速度。每个测量点都是从平均偏差的50%到十以内的统计平均值。
测得的稳流压缩机和涡轮性能图分别如图3，图4和图5所示。压力比与校正流量显示压缩机的性能数据：喘振区；涡轮增压器转速Nc＝N t；和总熵和多变效率线。压缩机性能的数字也显示活塞发动机转速下NE和节气门全开操作，在发动机上的涡轮增压器试验二组测量。涡轮性能图显示为比功率和质量流量，它们显示的是：涡轮增压器转速Nt；涡轮总压比；和总熵和多变效率。
汽油发动机试验
在稳定流的第二集测试每个涡轮增压器是安装在4G63发动机。一个动态电涡流测功机的领域是用来控制发动机扭矩和转速通过digalog系列1000A控制器进行相应的引擎性能图。发动机冷却风扇被排除，发动机冷却通过一个水到壳管和管式热交换器，保持发动机冷却液温度在353和368 K之间。中间还通过水冷却使其有效性保持在60%和65%之间整个发动机试验。使用发动机的电子控制单元（ECU）及其RAM监视器测量了这种燃油喷射发动机的性能。发动机的功率输出在一系列的运行速度下系统地变化。在每一个操作条件下，燃油消耗量是作为喷油器开启时间的函数来测量的。除了这些测量之外，空气流量和水温也被记录下来。测量是在100%，80%，60%，40%和20%的扭矩，宽开节流阀在从300 - 500转每分钟到2000转至5000转每分钟的范围。每个测量点是在5 s内15～20次获得的数据。同样，每一个测量点都是在平均偏差的50%以内的至少十个测量的统计平均值。相应的发动机燃料的地图与三个涡轮增压器，如图6所示。
除了发动机的测量，并应用于涡轮增压器试验的温度和压力传感器和热电偶现在安装在发动机的压缩机管道，和质量流量、压比、和压缩机的效率计算。相应的发动机运行速度显示在图3，图4和图5的压缩机图中。汽轮机的废气门限制了压缩机在高效运行状态附近的工作范围。
实验中的更多细节，是Sadoi提出的。
讨论结果
借助上述试验结果，我们可以讨论涡轮增压器设计对非设计循环性能的影响。
在相同的压力比和相同的涡轮增压器速度情况下，压缩机的质量流量大小顺序比较结果为MT-9lt;MT-13lt;MT-15。在相同的涡轮增压器转速和相同的压缩机效率下，压缩机的质量流量大小顺序同样也是MT-9lt;MT-13lt;MT-15。
MT-9和MT-13的喘振线几乎是在相同的位置，而MT-15是有较高的质量流量。因此，在低质量流速下增压对MT-15来说是更困难的。
通过汽车齿轮在全开油门时的最大加速度发生在2500到6000 rpm之间。范围处在节气门全开的时候，压缩机mt-13有最好的效率。mt-9节气门全开运行在最高效率点，mt-15操作在节气门全开在最高效率点左边，在2000到2500转mt-9运行在压缩机喘振的附近。因此，mt-13在压缩机中拥有最好的加速度。
在低质量流速下，压缩机效率最好的是mt-9。在高质量流速下，压缩机效率最好的是mt-15。在相同压力比和焓降的情况下，涡轮流量为MT-9gt;MT-13gt;MT-15。
mt-15具有最小的涡轮，从而在最小流量为给定的压力比。mt-9是高速发动机最好的涡轮，而mt-15是低速发动机的最佳涡轮。mt-13是整体性能最好的。涡轮对发动机涡轮增压器的匹配不象压缩机那样重要。
发动机性能图6和图7所示，与上述发动机速度线在压缩机性能图上的位置一致。有了mt-13发动机热效率在中间的速度和力量，最佳的整体最大功率和最大扭矩与速度。与mt-13发动机性能相比， mt-9最佳的整体热效率是在一个较窄的范围内，在较低的速度和更高的功率；在一个较窄的范围内，在更高的速度和更低的功率是mt-15。涡轮增压发动机mt-13具有最佳的扭矩和功率曲线，特别是在2500rpm到6000rpm的范围内时。在最平常的工作范围与mt-15扭矩是最差的，但它提高了超过4500转。
在美国，公路上通常使用2000 rpm发动机。在三个涡轮增压器中，2000涡轮增压器的发动机转速线是远离喘振线最好的。另外，发动机通常工作在较低负荷和低速度，在mt-13燃料地图具有超过28%的热效率。
结论
测试的整体稳定流动的设计点和非设计点热力循环性能与三涡轮增压器是如此接近，这是不可能的，而这些差异可以通过计算得到。涡轮增压器的匹配方法理论是一系列有用的涡轮增压器的框架，但最终的测试是必不可少的，用于研究不同的涡轮增压器的总体设计点的影响和非设计点活塞发动机循环性能。
不同的涡轮增压器有利于不同操作类型的发动机。
涡轮增压器的性能取决于压气机和涡轮规格的组合，而涡轮对压缩机的匹配程度不那么高。
致谢
T. Sadoi完成了他的SM论文，而其中捐赠试验发动机和涡轮增压器三试验由三菱汽车公司支持。感谢总经理Akira Kijima先生，发动机设计部、三菱汽车公司、在捐赠发动机项目上有益的讨论。我们也鸣谢F. Pekar、M. Lee，和K冲联合信号公司
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