【文章內(nèi)容簡介】 避免最高爆發(fā)壓力過大，使機械負(fù)荷太大；渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速必須低于允許數(shù)值，超速余量15~20%以上。以保證葉輪和轉(zhuǎn)子組件符合可靠性和安全性的要求；希望壓氣機和渦輪機的工作效率要高，以使發(fā)動機有好的燃油經(jīng)濟性能。（2）在低工況時，必須保證有足夠的空氣量，以滿足燃燒和降低熱負(fù)荷的要求，對于國內(nèi)車用柴油機來說，由于使用的道路條件、用途（卡車、公交車、爬坡）等原因，尤其要求滿足低速大扭矩，以保證汽車有理想的起步性能和加速性能。要求在整個運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不發(fā)生增壓器喘振和阻塞，外特性聯(lián)合運行線要求穿過壓氣機的高效率區(qū)，并距離喘振線有10%~15%以上的喘振裕度。 渦輪增壓器與柴油機匹配的具體要求體現(xiàn)在：（1）增壓比其值應(yīng)適當(dāng)，太大時最高燃燒壓力高，渦輪前排氣背壓高，柴油機泵吸功大。雖然燃燒效率可能提高，但帶來的益處很??；（2）膨脹比大小在一定程度上決定了渦輪機的做功能力，在能保證增壓壓力的前提下，越小越好；（3）增壓效率是渦輪效率，壓氣機效率和機械效率的乘積。當(dāng)增壓壓力一定時，增壓器的效率主要影響柴油機的排氣背壓，進而影響柴油機的泵吸功和掃氣效率。另外，壓氣機的效率還影響柴油機的進氣溫度，從而影響排氣溫度。因此選擇高效率的增壓器很重要。這部分功率可通過降低排氣背壓的形式被柴油機利用。如果渦輪的效率進一步提高，排氣背壓可進一步降低，掃氣壓差進一步降低，掃氣壓差進一步加大。 NC4110Z15型柴油機的性能特點和主要技術(shù)參數(shù)NC4110型柴油機是凱馬集團南昌柴油機廠研發(fā)的用于江河、湖泊和沿海的中小型漁船、拖船、客輪、貨輪、游船、渡輪等各類船舶的主機，也可與發(fā)電機配套組成船用柴油發(fā)電機組。它具有以下特點：（1）采用直噴式燃燒系統(tǒng)，燃油消耗率低，煙度低，起動性能好。（2）曲軸采用表面氮化和圓角滾壓先進工藝，凸輪軸采用鋼制配冷激鑄鐵柱，關(guān)鍵螺栓采用高強度螺栓，軍工技術(shù)設(shè)計的機體實現(xiàn)了機體工作狀態(tài)不變形，柴油機可靠性和耐久性得到了充分的保障。（3）采用淡水、海水雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)，水冷排氣管，使機艙內(nèi)空氣質(zhì)量好，溫度好，操作方便。（4）電器具有防潮、防霉、防鹽霧的特殊要求。（5）結(jié)構(gòu)緊湊，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動與同類同檔柴油機相比，體積小、重量輕，給機艙留下更多的使用空間，也增加了船舶的承載量。（6）柴油機的膨脹水箱、增壓器、中冷器、空濾器等依次安裝在前、中、后部，而其他部件分別安裝在左右兩側(cè)。使用維護和保養(yǎng)非常便捷。其主要易損件與X110系列柴油機有很高的通用性。 表31 NC4110Z15型柴油機參數(shù)表項目單位數(shù)據(jù)氣缸數(shù)4氣缸直徑mm110行程數(shù)130行程4排量L標(biāo)定功率kW/rpm56/1500超負(fù)荷負(fù)荷功率kW/rpm64/1500穩(wěn)態(tài)調(diào)速率%≤5供油提前角176。15176。177。1176。 選型方案 （1）柴油機 平均有效壓力 按式(31)計算Pe=120P／（Vn） (31)式(31)中：Pe——油機平均有效壓力，MPa；P——柴油機持續(xù)功率，kW；(56kW)V——機總排量，L；()N——油機持續(xù)轉(zhuǎn)速，r/min；(1500r/min)括號內(nèi)數(shù)字為NC411015型柴油機參數(shù)。代人得：Pe =（1）增壓器的壓比 n 確定按經(jīng)驗公式Pk=( ~)Pe選取增壓器的壓比。按柴油機中等增壓壓力，取n =1．7Pe，則：P = 1．7Pe ==（3）空氣質(zhì)量流率確定=AP/3600 （32）式(32)中：A—— 過量空氣系數(shù)，中速機一般取~；取A= (中等增壓)——每千克柴油(基準(zhǔn)熱值42700kJ/kg)消耗空氣量14．3 kg/kg； —— 燃油消耗率， kg/kWh。代入：=國內(nèi)有很多柴油機產(chǎn)品與NC4110Z15型柴油機技術(shù)指標(biāo)類似，參考同類產(chǎn)品匹配增壓器的情況，考慮到現(xiàn)有資源的因素，比較增壓器壓氣機特性曲線，初步選定TB28和TB31進行試驗。表31增壓器參數(shù)型號壓氣機輪徑渦輪機輪徑增壓器類型TB28Φ49Φ65恒壓增壓器TB31Φ61Φ65恒壓增壓器 增壓器實物圖圖31 TB2TB31渦輪增壓器實物 增壓器結(jié)構(gòu)圖圖32 渦輪增壓器結(jié)構(gòu) 本章小結(jié)本章介紹了NC4110Z15的基本性能特點，給出了其主要技術(shù)參數(shù)。其次研究了增壓器匹配柴油機的基本要求，即：二者的空氣壓比相同且二者的空氣質(zhì)量流率相同，并從數(shù)學(xué)手段和經(jīng)驗初選提供了更加全面的依據(jù)。在初選確定兩種類型后給出了增壓器的實物圖，給出了其參數(shù)表。第四章 試驗組織 試驗條件在進行性能試驗時，應(yīng)在以下大氣狀態(tài)下進行：溫度（T）：283K＜T＜313K氣壓（）：80kPa≤≤110kPa當(dāng)試驗的大氣狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)（溫度=298K，干空氣壓=99kPa）有差異時，應(yīng)對實測功率進行校正，對于柴油機，有：=adP式中：P0——校正功率（即標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的功率）；ad——校正系數(shù)；P——實測功率為使試驗有效，校正系數(shù)ad應(yīng)滿足：≤ad≤。在試驗中，預(yù)熱發(fā)動機，使水溫、油溫達到要求。對發(fā)動機按下述要求控制:冷卻水溫度：85士3 ℃；燃油溫度38士5 ℃；機油溫度80士5℃，在整個試驗過程中盡量保持不變。 試驗在凱馬南昌柴油機有限公司NC4110柴油機試驗平臺EIM0301D測控儀上進行。方案1：試驗增壓器匹配試驗分別在工況點2300r/min、2100r/min、1900 r/min、1700 r/min、1600 r/min、1500 r/min、1300 r/min、1100 r/min、1000 r/min、900 r/min下的外特性點，在測量的過程中同時記錄柴油機的燃油油耗量、排氣煙度、進氣流量、排放NOx含量，為了更精確地反映中、低速部分的工況，所以在900 r/min和1500 r/min附近的工況點間距100 r/min進行測量和記錄。將噴油泵油門調(diào)節(jié)手柄扳至供油量最大位置，根據(jù)工況點順序，發(fā)動機由高速向低速進行，依次調(diào)節(jié)水力測功器改變負(fù)荷，使發(fā)動機在每一工況點穩(wěn)定運行不少于1分鐘后，測量并記錄各個數(shù)據(jù)。方案2：對柴油機進行加速度煙度測試。其試驗規(guī)范為：在臺架上進行試驗，發(fā)動應(yīng)與測功機脫開，有驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)部件（空擋下）或由上述部件大致相當(dāng)?shù)膽T量代替。 在發(fā)動機怠速下，迅速但不迅猛的踏下油門踏板，使噴油泵供給最大油量。在發(fā)動機達到調(diào)速器允許的最大轉(zhuǎn)速前，保持此位置。一旦達到最大轉(zhuǎn)速，立即松開油門踏板，使發(fā)動機恢復(fù)至怠速，不透光度儀恢復(fù)至相應(yīng)狀態(tài)。上述所述操作過程應(yīng)至少重復(fù)6次，以便吹凈排氣系統(tǒng)，并便于對儀器作必要的調(diào)整，應(yīng)觀察每次連續(xù)加速中不透光度儀的最大讀數(shù)值，直至得到穩(wěn)定值為止。不必讀取每次發(fā)動機加速后發(fā)動機怠速工況下的讀數(shù)值。 1/M的帶寬內(nèi)，并且沒有連續(xù)下降的趨勢，則應(yīng)認(rèn)為讀數(shù)值是穩(wěn)定的。所記錄的光吸收系數(shù)Xm應(yīng)為這四個數(shù)的平均值。、儀器表41 試驗設(shè)備列表名 稱型 號 規(guī) 格精 度制 造 廠水力測功器D480B177。1%江蘇啟東農(nóng)機廠發(fā)動機轉(zhuǎn)速油耗儀SYZZ1A%上海內(nèi)燃機研究所排氣煙度計FDQ102177。%溫州儀表廠排氣表WXMT101177。1%無錫江南測試儀器廠油溫表WXMT數(shù)字顯示儀177。1%無錫江南測試儀器廠水溫表WXMT數(shù)字顯示儀177。1%無錫江南測試儀器廠油壓表WXMT數(shù)字顯示儀177。%無錫江南測試儀器廠大氣壓力計定槽式177。%長春氣象儀表廠排放分析儀AVL4000廈門海騰發(fā)動機測試設(shè)備有限公司濕度測量計YB272大氣干濕球溫度計上海醫(yī)用儀表廠空氣流量計德國AERZEN公司 消光煙度計AVL4390 G003AVLGRAL AUSTIA說明：排放分析儀檢測NOx原理為：加熱式化學(xué)發(fā)光(CLD)檢測法 數(shù)據(jù)采集 采集手段發(fā)動機工作循環(huán)的功率、曲軸轉(zhuǎn)角和油管壓力等信號分別送入D480B水力測功器、SYZZ1A發(fā)動機轉(zhuǎn)速油耗儀等儀器并實時顯示。如果形狀異常，須重新采集。每變化一個工況，都等到發(fā)動機徹底穩(wěn)定后才進行測量，每個點連續(xù)測量三次，取其平均值作為此工況下的煙度值，則重新測量。 試驗平臺簡圖 NC411O15柴油機增壓器排氣表排放分析儀煙度計空氣流量計大氣廢氣油溫表油壓表測功器濕度計大氣壓力計油耗儀水溫表圖41 試驗平臺簡圖 本章小結(jié)本章介紹了試驗進行的外部條件，對冷卻系統(tǒng)水溫、燃油溫度、機油溫度等都進行了限定，這樣保證了試驗的規(guī)范性。其次，提出了增壓器匹配試驗的方案，即在所選工況點由高速到低速測發(fā)動機外特性點。最后，詳細(xì)羅列了試驗所用到的試驗儀器，講述了部分儀器的檢測原理，并展示了總體試驗平臺的簡圖。第五章 試驗結(jié)果與分析 圖51 外特性功率隨轉(zhuǎn)速不同的變化圖52 外特性進氣流量隨轉(zhuǎn)速不同的變化圖53 外特性燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速不同的變化 圖54 外特性煙度隨轉(zhuǎn)速不同的變化 圖55 外特性增壓比隨轉(zhuǎn)速不同的變化 圖56 自由加速狀態(tài)煙度隨時間的變化圖57 外特性NOx排放隨轉(zhuǎn)速不同的變化 在標(biāo)定工況下，必須達到預(yù)期的增壓壓力及空氣流量，以保證足夠的過量空氣系數(shù)，使燃燒完善和低的燃油消耗率。在低工況時，必須有一定的空氣量，以保證滿意的燃燒和不超過冒煙極限，以及不高的熱負(fù)荷。針對試驗數(shù)據(jù)，進行了如下分析：（1）由圖51知：TB28和TB31都能有效提升NC4110Z15的功率，在中低速工況，TB28比TB31有更大的功率提升，其效果更加明顯，體現(xiàn)了TB28在中低速工況對增大功率表現(xiàn)優(yōu)越。（2）由圖52知：在中低速工況TB28的進氣量要大于TB31，而在高速工況時TB31的進氣量要大于TB28。由于TB31的壓氣機葉片直徑大于TB28，TB28的工作轉(zhuǎn)速高于TB31，TB31有更大的超速裕度。而在中低速工況，在進氣流量方面TB28有更大的優(yōu)越性。（3）由圖53知：在中低速工況TB28匹配NC4110Z15柴油機有比TB31更低的燃油消耗率。因進氣量的增大，燃燒條件的改善，獲得相同功率所耗費的燃油有所減少。在高速工況，TB28與TB31匹配下燃油消耗量隨著轉(zhuǎn)速的提高依次提升，但差別微小。（4）由54知：在中低速工況時TB28比TB31有更低的排放煙度，且優(yōu)勢明顯。因在中低速工況時TB28的進氣量要大于TB31，燃燒的空燃比增大，燃燒更加充分，減少了顆粒物質(zhì)的排放。在轉(zhuǎn)速大于1500 r/min的工況點，TB28和TB31的排放煙度差不多，都在比較低的水平上，與中低速工況比較，煙度隨轉(zhuǎn)速波動不明顯。而煙度在高速工況有小幅爬升，作者認(rèn)為是由于進氣量的增大，空燃比增進，混合氣濃度降低，在相同功率下需要噴入更多的燃油，使煙度有所增大。（5）由55知，在中低速工況TB28比TB31有更大的增壓比，有利于降低污染物的排放。（6）由圖56自由加速煙度測試知：TB28在低速有更大的進氣流量，因而在加速初期的排放煙度低。TB31因葉片輪徑稍大，由于慣性的因素，它的瞬態(tài)響應(yīng)要比TB28遲緩，加之本身其工作轉(zhuǎn)速低于TB28，進氣量不及TB28，最大煙度值要高于TB28。而中后期由于TB28其工作轉(zhuǎn)速很高，超速裕度不及TB31，增壓能力后勁不足，所以在自由加速中后程TB31的煙度要小于TB28。（7）由圖57和圖54知比較：在中低速工況區(qū)TB28比TB31的煙度低，但NOx排放更高。渦輪增壓器提高空燃比，降低排放煙度，缸內(nèi)產(chǎn)生富氧、高溫環(huán)境的傾向增大，有利于氮氧化物的生成。（8）綜合的看：在中低速工況，TB28在燃油消耗率、進氣量、排氣煙度、增壓比方面都有優(yōu)勢，而在高速工況，其性能與TB31相當(dāng)，在增壓比和NOx上稍微遜色。所以，TB28配NC4110Z15比TB31更合適。 離心壓氣機喘振分析在離心壓氣機的工作特性線上對應(yīng)每一條等轉(zhuǎn)速線都有一個確定的最小流量，稱為該轉(zhuǎn)速的壓氣機喘振點流量。當(dāng)流量再繼續(xù)減小時，流道內(nèi)的氣流發(fā)生強烈的振蕩或倒流，并伴隨間斷性的爆破音或嘯叫，機組無法正常工作。很多因素可能引起喘振，如葉片擴壓器失速、壓氣葉輪失速、工作輪失速、無葉擴壓器不穩(wěn)定工作或以上諸因素的合成。這里討論葉片擴壓器與壓氣葉輪引起喘振的現(xiàn)象。在增壓柴油機上，如果遇到壓氣機喘振，這時柴油機進氣管壓力便不穩(wěn)定，柴油機轉(zhuǎn)速隨之不穩(wěn)定，在柴油機進氣管中發(fā)出“轟隆轟隆”的響聲，整個機組振動加劇。這兩個元件都是葉柵流動，失速就是葉片表面邊界層嚴(yán)重增長或分離造成了流動條件的惡化。討論失速與喘振應(yīng)以上述概念為出發(fā)點，但鑒于離心壓氣機的葉片擴壓器與導(dǎo)風(fēng)輪的特殊結(jié)構(gòu)流動比平面葉柵或一般環(huán)形柵更為復(fù)雜，目前尚無大量的試驗資料和數(shù)據(jù)。由于氣流速度方向與設(shè)計工況的葉片方向（工作輪葉片和擴壓器葉片）有偏差時就產(chǎn)生沖擊損失。壓氣機工作輪葉片和擴壓器葉片的構(gòu)造角都是按一定的壓氣機轉(zhuǎn)速（一定的工作輪圓周速度）及空氣流量（相應(yīng)的空氣速度）來設(shè)計的，成為設(shè)計工況。當(dāng)壓氣機在設(shè)計工況時運轉(zhuǎn)，氣流進入流道的方向與葉片的構(gòu)造角一致，不會產(chǎn)生沖擊。但在非設(shè)計工況時運轉(zhuǎn)，不論是壓氣機轉(zhuǎn)速變化或是空氣流量變化，都會使工作輪的進、出口速度三角形發(fā)生變化。對于進口速度三角形是由和的改變而引起變化（見圖58）；對于出口速度三角形是由或的改變而引起改變（見圖59）。它使氣流方向與葉片構(gòu)造角偏離，而導(dǎo)致氣流與葉片沖擊，并在流道內(nèi)