涡轮增压器

涡轮增压器 增压系统102..................................................................................2 叶轮比 ....................................................................................2 了解外壳参数:A/R 面积/半径............................................4 压缩机的A/R ....................................................................4 不同类型的排气歧管(优缺点 铸造型vs等长型) ..........5 增压比 ....................................................................................7 空燃比:空燃比，为什么稀混合气可以获得更大的功率却更 加危险, ........................................................................................9 增压系统102 在阅读本部分之前请仔细复习并且深入理解涡轮增压101系统，以下将讨论涡轮增压102高级系统: 叶轮比 在谈到涡轮增压器时，Trim是一种常见的术语。例如,你可能会听到有人说“我有一个GT2871R 56Trim的涡轮增压器。那么什么是Trim,Trim是一个用来表达涡轮与压气机叶轮的入口导流片和出口导流片之间的关系的专业术语。更确切的说，它就是一个面积比。 入口导流片直径被定义为气体开始进入叶轮的区域的直径，同理，出口导流片直径被定义为气体离开叶轮区域的直径。 基于空气动力学和空气入口路径,入口导流片对于压缩机叶轮来说，是直径较小的部分。但对于涡轮叶片，入口导流片是直径较大的部分(如图1-1)。 图1-1 例1、GT2871R涡轮增压器(盖瑞特部分编号7433347-2)的压气机叶轮参数如下，那么它的压气机叶轮的叶轮比是多少, 入口导流片直径=53.1mm，出口导流片直径=71.0mm。 例2:GT2871R涡轮增压器(# 743347-1)的出口导流片直径71.0毫米，Trim值48。那么压气机的入口导风轮直径是什么? 一个叶轮的Trim值，无论对压气机还是涡轮,都能通过改变气流容量影响其性能。所有其他参数保持不变，一个Trim值更大的叶轮流量更大。 然而，你必须知道实际情况中所有其他参数是不会都保持不变的，因为一个Trim值更大的叶轮并不一定意味着更大的流量。 了解外壳参数:A/R 面积/半径 A / R(区域/半径)描述了所有压气机外壳和涡轮外壳的几何特征。从技术上讲，它的定义如下: 进口(压缩机外壳、放电)的横截面积A除以横断面积中心到涡轮中心的距离R(参见图2)。 A / R参数对压缩机和涡轮性能有不同的影响,如下面。 压缩机的A/R -压气机的性能对A/R的变化相对不敏感。较大的A / R外壳有时被用于优化低增压领域的表现，而较小的A/R的常被用于高增压领域。然而,由于A/ R对压气机性能的影响较小，所以对于压气机来说没有最合适的A/R参数。 涡轮的A/R A / R的改变对涡轮的性能有很大影响，因为它可以用来调整涡轮的流量。使用一个较小的A / R可以增加排气进入涡轮叶轮的速度。这样可以增加较低的发动机速度下的涡轮功率,使得压力升高更加迅速。但是，较小的A/R同时也使得进入涡轮叶轮的气体更加接近切线，导致了最终进入叶轮的流量减少。这将会增加排气背压,从而减少发动机在高转速下充气效率，进而影响发动机功率峰值。 相反,使用一个较大的A / R将降低排气速度,降低压力升高的速度。在一个较大的A/R的蜗壳内，气流更加接近管道的径向方向，增加叶轮的有效流量，使得较低的反压力和更好的权力在更高的引擎速度下有更低的排气被压和更大的功率。 在决定A/R的取值时，要根据实际车型的用途来调节合适的A/R使整车的表现向预期的方向靠近。 这里有一个简单不同的应用领域下涡轮机壳体的几何形状的比较。通过比较不同涡轮机壳体A/ R,通常可以确定这个增压系统适用的场合。 假设两个3.5升引擎都使用GT30R涡轮增压器。两个引擎是唯一的区别就是涡壳的A/，其他都相同。 1、一号发动机蜗壳的A/R是0.63。 2、二号发动机蜗壳的A/R是1.06。 那么我们根据和发动机匹配的不同涡轮能推断出这款发动机的预期用途吗, 一号发动机:这款发动机的A/R是较小的，因此是偏向于低扭输出和快速的响应，我 们会认为这款车在街道上行驶乐趣会更大，因为大家都偏向于喜欢快速的涡轮响应。然而在高速阶段，这种较小的A/R会造成较大的排气背压，进而导致峰值功率的下降。这种类型的发动机更加适用于低速状态下的涡轮响应和瞬态工况比最大功率更加重要普通街道行驶。 二号发动机:这款发动机有一个较大的A/R值，因此更加偏向于峰值功率的输出，但同时也牺牲了涡轮响应，和低扭输出。较大的A/R可以降低高速状态时的排气背压，有利于提高发动机的峰值功率，同时这种发动机可以有更高的最大转速，因为涡轮提供了更大的增压压力。与第一款发动相比，这款发动机更加适合经常处于高速运转状态下的赛道模式。 不同类型的排气歧管(优缺点 铸造型vs等长型) 从工艺上讲，有两种不同类型的排气歧管，一种铸造型(图3)，另一种焊接型(图4)。 增压发动机排气歧管相当复杂，因为需要把好多因素考虑在内并权衡利弊。 整体表现较好的歧管设计技巧: *最大化弯曲半径的排气歧管优先保证排气脉冲能量。 *使排气初选相等长度来平衡所有气缸的排气降级。 *避免截面积突变可以保持排气的脉冲能量至涡轮。 *在集合器中应尽量较小的角度从各个歧管引入废气以降低集合器中气流的改变。 *为了更好的涡轮反应,应减少排气口至涡轮之间的体积。 *为了最佳的功率输出，可以使用初级谐振长度。 铸造型的排气歧管通常在原厂配件中使用，而焊接型的排气歧管通常出现在改装领域以及赛车领域。这两种歧管各自有它们的优缺点。铸造的排气歧管通常比较耐用还能专用于某一领域。但是铸造歧管并匹配具体特性需要专用的工具，而这种专业工具通常很昂贵。 但另一方面焊接性的排气歧管不需要专用工具也能为某一领域定制。制造商通常先把钢管弯曲至想要的形状，然后把各个部分焊接在一块。焊接型的排气歧管在特定领域是一个很好的解决。但设计过程要注意产品的耐久性。由于焊缝的存在，薄壁特征以及刚度降低的原因，这种类型的排气管很容易由于热应力和震动而开裂。但是通过设计合理的管道结构也可以获得很好的耐久性。此外，与铸造型的歧管相比，焊接性的排气歧管能够获得实质性的性能表现优势。 两种类型的歧管通常都被设计成分支型的，通常使用分支型的或者双蜗壳的涡轮。分支型的排气歧管既可以是铸造型的也可以是焊接型的(图5 图6)。 设计歧管的理念就是尽量减小各缸排气之间的相互干扰以更加有效的利用排气的脉冲能量。 举个例子，一个点火顺序为1-3-4-2的四缸机，当一缸结束做功冲程正要打开排气门准备排气时，二缸的排气门也处于开启状态(气门叠开期)。在非独立的排气歧管中，这样的 一个来自于1缸的排气脉冲很可能会影响到二缸的排气。这不仅会影响到2缸的换气，而且这样的排气能量也应该被涡轮利用 合理的组合应该是把互补的气缸组合在一块，1缸和4缸、2缸和3缸应组合一块。 因为有更好的排气脉冲能量的利用率,涡轮的性能得到了提升并且提高涡轮响应更快。 增压比 在讨论增压与增压比之前，很有必要了解一下发动机的爆震。爆震是由油气混合物的非正常燃烧引起的一种危险状态。这种非正常燃烧会造成汽缸内的压力极速升高并会导致对发动机的伤害。 三个影响发动机爆震的初始条件有: 1、发动机的爆震极限:由于每一款发动机都有着其独自的爆震极限，所以如何界定这一极限并没有唯一的的答案。类似于燃烧室形状、火花塞位置、气缸直径和压缩比等这些设计特点都会影响到发动机的爆震特征。 2、外界的空气状态:对于涡轮增压发动机，外界空气状态和发动机内部状态都会影响到最大增压比。较高的进气温度和更大的气缸压力都会增加发生爆震的趋势。增压中冷技术(eg:中冷器)能够通过冷却增压空气很好地解决这一问。 3、燃油的辛烷值:辛烷值是衡量燃油抗爆震的能力的参数。普通汽油的辛烷值从85至94不等(美国标准，美国85号相当中国93号，美国87号相当于中国的97号)，然而赛油的辛烷值都在100以上。燃油的辛烷值越高，则它的抗爆震能力越强。因为爆震会伤害 发动机，所以在特定领域应使用辛烷值足够高的燃油。一般来讲，增压压力越高，需要的燃油辛烷值也越大。 这不是夸大，但是发动机点火提前角以及喷油量的标定在抑制发动机爆震方面起着非常重要的作用。 既然我们已经了解了爆震以及爆震的促进因素和抑制方法，下面我们来讨论一下压缩比。 压缩比的定义是: 排量，燃烧室体积压缩比, 燃烧室体积 对于制造商来说，他们对自然进气发动机和增压发动机的压缩比有着不同的定义。举个例子，本田S2000的压缩比是11.1:1，但是涡轮增压的斯巴鲁力狮WRX的压缩比是8.0:1 。 有许多的因素会影响到最大允许的压缩比。所以没有唯一的方案能够应对每一种领域。一般来讲，在保证在最大负荷状态下不发生爆震的前提下，压缩比应该尽可能的高。压缩比过低的情况下，会造成发动机在增压没有介入工作时出现动力不足的现象。然而，太高的话又会导致严重的发动机爆震问题。 影响发动机压缩比确定的因素有:燃油辛烷值，增压压力，进气温度，燃烧室的设计，点火正时，气门叠开期以及排气背压。好多现代化的自然吸气发动机的燃烧室都经过了优化设计，经过适当的发动机调教，可以允许在不改变压缩比的前提下适当的提升增压压力。但如果想要进一步提高增压压力，压缩比就必须适当降低。 有几个可以降低压缩比的方法，有一些方法比较好。最不理想的就是在缸体与缸头之间增加一个一个缸垫。缸垫会增加燃烧室的容积，但同时也会改变凸轮的正时。但这种方法相 对来说简单而且成本低。 如果不怕成本昂贵而且比较耗时的话，有一个更好的选择，那就是换装更矮的活塞。这种发发对凸轮正时没有任何影响，也不会影响到缸头的密封能力，并且还有在燃烧室内留有合适的淬火区域。 空燃比:空燃比，为什么稀混合气可以获得更大的功率却更加危险, 当谈到发动机调教时，空燃比的调教永远都是重要的一环。合适的空燃比对发动机的输出表现以及其耐久性和各部件的寿命有非常关键的作用。 理想空燃比是能够刚好使燃料完全燃烧的比值，对于汽油机来说，理论空燃比是14.7:1，也就是14.7的份的空气和1份的燃油。不同的燃料有着不同的理论空燃比:对于酒精来说是6.4:1，对于柴油来说是14.5:1。 那么怎样来界定混合气的稀和浓,较低的空燃比想对于理论空燃比14.7:1来说，空气量较少，因此它属于浓混合气。相反就是稀混合气。 举个例子: 15.0:1=稀混合气 14.7:1=理论混合气 13.0:1=浓混合气 我们深入了解一下，由于混合气是被火花塞点着的，从火花塞形成火焰前峰向周围传播。燃烧的混合气迅速提高气缸内的压力和温度，在燃烧过程中的某一点达到最大值。 涡轮增压可以增加近期的密度，进而增加了混合气的密度。更多的混合气也相应提高了气缸内的最大压力，因此也增加了爆震的可能性。随着混合气变稀，燃烧温度更高，使得爆震的可能性更大。这就是增压机为什么要在最大负荷和浓混合气状态下运行。这样做是为了减小爆震的可能性并且控制发动机的温度。 有三种方法可以减小增压发动机在全负荷状态下发生爆震的可能性:降低增压压力，混合气向偏浓方向调节，降低间或提前角。 先要深入了解压缩比计算，质量流量，和增压器的选择请阅读增压系统103专业指导。 对于2.0排量的发动机，这是一个比较合适的压气机。它工作的点略微接近压气机特性曲线的阻塞边界，但这可以得到附加的喘振裕度。发动机较低的转速将会处于高效率区同时增压器会较好的输出表现而且响应较快。 对于5.0排量的发动机，这款压气机显然太小了，无需考虑。 既然我们已经找到了可以接受针对2.0发动机的压气机，那么我们计算一个更低转速下压气机工作点在特性曲线上所在的位置，然后看一下发动机的运行曲线图。我们可以根据下面的方程来计算: 我们将会根据经验或者理论推断使发动机工作在最大扭矩点。这种情况下我们首先选择5000rpm。 式中: Wa=空气流量(磅/每分钟) MAP=歧管绝对压力=35.1磅/平方英寸 R=气体常数=639.6 Tm=歧管进气温度=130F VE=充气效率=0.98 N=发动机转速=5000rpm Vd=发动机排量=122立方英寸 把这个点绘到GT3071R压气机的特性曲线上，如下图。 这个图中几个点可以很好地代表在该增压水平下的压气机运行线，可以看出，非常适合该压气机的特性曲线。当发动机工作在5000转以下时，增压压力较低，增压比也比较低，防止压气机出现喘振。 回到5.0升的发动机上，我，我们来看一下一款更大压气机的特性曲线。这次我们要使用GT3582R这款压气机。 这里我们可以看出，与GT3076R相比，此时的工作点里阻塞线较远，此时更适合发动机的高速表现。一个更加大一点的叶轮会使压气机有更好的高速表现，但这的代价是降低低速时的表现以及涡轮响应和驾驶乐趣。 希从这篇文章能够学会压气机的特性曲线的意义是什么和怎样选择压气机。正如你看到的，通过一些简单的计算和推断就能给选择压气机提供一个基本方向。如果我们有真实数据来代替推断的话，当然结果也会更加精确。