增压器与柴油机的匹配计算

-1-增压器与柴油机的匹配计算摘要发动机与增压器的匹配是否良好，对发动机的运行起着十分重要的作用。本文主要的内容是用计算出发动机与增压器匹配的最佳运行点。总结出各种匹配的要求和匹配不好的原因。1.增压参数的确定为了保证发动机与增压器的良好匹配，即达到预定的增压发动机各项性能指标，首先要正确确定增压参数。增压参数主要有：1）增压压力Kp或压比K；2）空气流量Am（Kg/s）或容积流量Vm（m³/s）；3）涡轮前废气平均温度Tt；4）大气压力0p和大气温度0t。增压参数中最重要的是通过计算正确确定流量Am和压比K。如果流量Am选择不当，不但使增压器与发动机匹配不好，更重要的是涡轮流通能力确定不当，从而导致增压压力Kp远离设计值。而K根据Am计算得出，如果Am确定不合适，将导致K有较大的偏差。-2-正确确定Kp或K也很重要，如果Kp选的过低，将造成达不到预定的增压发动机功率和出现发动机排气温度Tt过高的后果；如果Kp选的过高，又会导致过高的发动机最大爆发压力maxp以及增压器过高的转速。在不同的地方大气压力0p和大气温度0t也是不相同的，这要根据当地的情况来决定，一般情况是取标准值。81.1用计算法确定增压参数增压后发动机所需要的空气流量Am（即压气机流量Km）为Km=03600LgNseeKg/s(1—1)式中eg——燃油消耗率，Kg/（Kw.h）；——过量空气系数；s——扫气效率。另外，对四冲程发动机Km又可表示为：svKhKvnm1201(1—2)式中n——发动机转速，r/min；v——发动机容积效率。故压气机出口的空气密度：-3-svhKKvnm120(1—3)以式（2—1）求得的Km代入式（2—3），即可求得K。压气机的压比：nKK286.0110)((1—4)式中n——压气机多变效率；0——压气机进口空气密度；Kg/3m。这种计算增压比方法的准确度依赖于流量Km的精确程度，只要Km稍有偏差，所得K即较大变化。K与Km二者是相互关系的，在K即定情况下，Km不能任意加大，否则将得到偏大的涡轮流通能力，从而使匹配工作时增压器达不到预定的转速，ep将低于设计值。1下面举例说明增压参数的确定：4120型增压柴油机，该柴油机给定参数：缸径D（mm）102额定转速n（r/min）3500冲程S（mm）100最大扭矩转速n`（r/min）2625缸数i4额定扭矩Me（N.m）245排量Vh（L）3.27增压度30—35%额定功率Ne（kw）73-4-1.2标定工况下增压参数的确定计算标定工况下的空气流量和增压比：mAπk在标定工况下：eg=255g/Kw.h，eN=73Kw得到燃油供应率为：eeFNgm=255×73=18615g/h=310.25g/min=0.31Kg/min(1—5)取柴油机的理论空燃比为：0L=14.3过量空气系数为：（1）=2.3，（2）=2.1当=2.3时的情况用（1）表示，当=2.1时的情况用（2）表示则所需空气流量Am为：(1)Am=0LmF=310.25×2.3×14.3=10204.1g/min=0.17Kg/S(1—6)(2)Am=0LmF=310.25×2.1×14.3=9046.5g/min=0.1508Kg/S(1—7)四冲程柴油机，冲程系数为：=4由每分钟的活塞排量为：-5-v=hvn2=3500×3.27÷2=5722.5L/min=5.7233m/min(2—8)取容积效率v=0.9扫气空气过量系数s=1.0则每分钟进入的空气的容积为：svvv0=5722.5×0.9×1.0=5.153m/min(1—9)所以增压空气的密度为：(1)0vmAK=15.52041.10=1.981Kg/3m(1—10)(2)0vmAK=15.50465.9=1.757Kg/3m(1—11)取压气机进口空气密度为：0=1.205Kg/3m（相当于20℃一大气压的空气）则(1)644.1205.1981.10K(1—12)(2)458.1205.1757.10K(1—13)预取压气机多变效率-6-n=0.8绝热指数k=1.4由nkkKKK1)(110(1—14)得出增压比nkkKKKpp11100)((1—15)（1）K=2.387，（2）K=1.935增压后空气温度：假定理想气体则TRnvp(1—16)KKKKKKKKKKKKKKKmmMmMmRRvvnnppRnvpRnvpTT00000000000011(1—17)所以KKKTT00KKKTT00(1—18)所以增压后空气温度为：-7-（1）4.425981.1205.1387.2293KTK（2）8.388757.1205.1935.1293KTK1.3最大扭矩工况增压参数的确定根据增压目标，计算确定最大扭矩工况的增压比和空气流量：K、Am在最大扭矩工况下：eg=215g/Kwh，eN=67.3Kw得到燃油供应率：eeFNgm=21567.3=14470g/h=241.16g/min=0.24Kg/min取柴油机的理论空燃比为：0L=14.3过量空气系数为：（3）=1.9，（4）=1.7当=1.9时的情况用（3）表示，当=1.7时的情况用（4）表示则所需空气流量Ma为：(3)0LmmFA=6552.3g/min=0.11Kg/S(4)0LmmFA=5862.6g/min=0.098Kg/S四冲程柴油机，冲程系数：=4-8-最大扭矩时转速：n=2625r/min每分钟的活塞排量为：hvnv=427.326252=4292L/min=4.2923m/min取容积效率为：v=0.85扫气空气过量系数s=1.0则每分钟进入的空气的容积为：svvv0=4.2920.851.0=3.6483m/min所以增压空气的密度为：（3）0vmAK=6.5523.648=1.77Kg/3m（4）0vmAK=5.8633.648=1.61Kg/3m取压气机进口空气密度为：205.10Kg/3m（相当于20℃一大气压的空气）则（3）0K=1.77÷1.205=1.469-9-（4）0K=1.61÷1.205=1.336预取压气机多变效率n=0.8绝热指数k=1.4由nkkKKK1)(110得出增压比nkkKKKpp11100)(（3）96.1K，（4）66.1K增压后空气的温度：KKKTT00所以增压后空气温度为：（3）KT=293×1.96×77.1205.1=391K（4）KT=293×1.66×61.1205.1=364K1.4部分负荷工况下增压参数的确定根据柴油机外特性曲线（图1.1），确定50%负荷工况下的流量和增压比：-10-mAπk50%负荷工况下：ge=230g/Kwh,Ne=36.5Kw得到燃油供应率：eeFNgm=23036.5=8395g/h=139.91g/min=0.14Kg/min取柴油机的理论空燃比为：0L=14.3过量空气系数为：（5）=2.7，（6）=2.5当=2.7时的情况用（5）表示，当=2.5时的情况用（6）表示则所需空气流量Ma为：(5)0LmmFA=5401.9g/min=0.09Kg/S(6)0LmmFA=5001.8g/min=0.083Kg/S四冲程柴油机，冲程系数：=450%负荷时转速：n=1500r/min每分钟的活塞排量为：hvnv=215003.274=2453L/min=2.4533m/min-11-取容积效率为：v=0.85扫气空气过量系数s=1.0则每分钟进入的空气的容积为：svvv0=2.4530.851.0=2.0853m/min所以增压空气的密度为：（5）0vmAK=5.4022.085=2.59Kg/3m（6）0vmAK=5.0022.085=2.4Kg/3m取压气机进口空气密度为：205.10Kg/3m（相当于20℃一大气压的空气）则（5）0K=2.59÷1.205=2.149（6）0K=2.4÷1.205=1.992预取压气机多变效率n=0.8绝热指数k=1.4-12-由nkkKKK1)(110得出增压比nkkKKKpp11100)(（5）3.44K，（6）3.04K增压后空气的温度：KKKTT00所以增压后空气温度为：（5）KT=293×3.44×1.2052.59=469K（6）KT=293×3.04×1.2052.4=447K-13-图1.14102柴油机外特性曲线综合以上三种工作状态，得出增压器的性能参数如下表：表1.1增压器性能参数表过量空气系数空气流量AmKg/s增压比K增压后空气温度KTK标定工况（1）2.30.172.387425.4（2）2.10.15081.935388.8最大扭矩工况（3）1.90.111.96391（4）1.70.0981.66364部分负荷（5）2.70.093.44469I工况-14-工况（6）2.50.0833.044471.5校核增压器综合效率ηk（1）K=2.387Am=0.17Kg/S（2）K=1.935Am=0.1508Kg/S（3）K=1.96Am=0.11Kg/S（4）K=1.66Am=0.098Kg/S（5）K=3.44Am=0.09Kg/S（6）K=3.04Am=0.083Kg/S从压气机特性曲线图1.2查得压气机效率和转速：（1）K=0.78n=20000r/min（2）K=0.72n=15000r/min（3）K=0.77n=15000r/min（4）K=0.76n=15000r/min（5）K=0.71n=10000r/min（6）K=0.73n=10000r/min-15-图1.2压气机流量外特性曲线2.发动机与增压器的匹配总的来说，发动机与增压器的匹配有三个方面，即发动机与压气机匹配、发动机与涡轮的匹配和压气机与涡轮的匹配。下面先分别讨论这三项匹配以及发动机对压气机、涡轮的要求，然后再总的讨论发动机与增压器的匹配。-16-2.1发动机与压气机的匹配发动机对压气机的要求是：1）压气机不但要达到预定的压比，而且要具有高的效率（K）。压气机效率K越高，在同一Kp时空气温度KT越低，从而所得到的增压空气密度K就越高，增压效果也就越好。怎样评价发动机与压气机的匹配呢？一般讲对匹配的要求是：2）如果发动机的特性线应穿过压气机的高效率区，发动机的运行线与压气机的高效率的等效率圈相平行。这时匹配最好，（如前面压气机特性图所示）。如果发动机运行线整个位于压气机特性右侧，则表示所选的压气机流量偏小，使联合工作时压气机处于低效率区工作，在这种情况下，就要重选较大型号的增压器，或加大压气机通流部分尺寸，使压气机特性曲线向右移动。如果发动机运行线整个偏于压气机特性左侧，则一方面发动机低转速时压气机效率低，同时有可能出现喘振。在这种情况下就要选较小型号的增压器或减小压气机通流部分尺寸，使压气机特性向右移动。3）发动机的耗气特性应离开压气机喘振线有一定距离,否则工作时可能出现喘振。2.2发动机与涡轮的匹配发动机与涡轮的匹配是否良好主要是看涡轮流通能力的选择是否合适。发动机与涡轮的匹配情况可以借助涡轮特性曲线。发动机对涡轮的要求是：1）在发动机整个运行范围内涡轮具有较高的效率；2）要保证在发动机整个运行范围内涡轮具有较高的效率和合适的流通能力，以保证提供给压气机所需的功率，以