【正文】 細(xì)羅列了試驗(yàn)所用到的試驗(yàn)儀器，講述了部分儀器的檢測原理，并展示了總體試驗(yàn)平臺的簡圖。 試驗(yàn)平臺簡圖 NC4JR120增壓器排氣表空氣流量計(jì)大氣廢氣油溫表油壓表測功器濕度計(jì)大氣壓力計(jì)氣耗儀 水溫表圖31 試驗(yàn)平臺簡圖 本章小結(jié)本章介紹了試驗(yàn)進(jìn)行的外部條件，對冷卻系統(tǒng)水溫、排氣溫度、機(jī)油溫度等都進(jìn)行了限定，這樣保證了試驗(yàn)的規(guī)范性。%長春氣象儀表廠濕度測量計(jì)YB272大氣干濕球溫度計(jì)上海醫(yī)用儀表廠空氣流量計(jì)德國AERZEN公司 數(shù)據(jù)采集 采集手段發(fā)動機(jī)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WE33水力測功機(jī)、ToCeiLCMF025發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速氣耗儀等儀器并實(shí)時顯示。1%杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公司油壓表EIM0301D測控儀177。1%杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公司油溫表EIM0301D測控儀177。、儀器表31 試驗(yàn)設(shè)備列表名 稱型 號 規(guī) 格精 度制 造 廠WE33水力測功機(jī)177。 試驗(yàn)在恒天動力南昌有限公司NC4JR120試驗(yàn)平臺EIM0301D測控儀上進(jìn)行。在試驗(yàn)中，預(yù)熱發(fā)動機(jī)，使水溫、油溫達(dá)到要求。分析了渦輪增壓器模型,并且確定了發(fā)動機(jī)型號和渦輪增壓器的型號。壓氣機(jī)由進(jìn)氣裝置、工作輪、擴(kuò)壓器、出氣蝸殼組成。圖22 VNT增壓器執(zhí)行機(jī)構(gòu)本章介紹了渦輪增壓器的組成與原理，天然氣發(fā)動機(jī)及渦輪增壓器的選型。本文采用上海菱重生產(chǎn)的TF035HM作為普通增壓器，再加裝步進(jìn)電機(jī)作為VNT截面可調(diào)增壓器，可調(diào)渦輪增壓器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)控制，控制方案如下圖所示。通過調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)葉片角度來改變蝸殼噴嘴出口面積。變截面渦輪增壓系統(tǒng)還可以提高柴油機(jī)的瞬態(tài)特性和降低瞬態(tài)排放?？勺兘孛鏈u輪增壓系統(tǒng)的基本工作原理是從低速到高速通過分段或連續(xù)改變渦輪截面，來提高發(fā)動機(jī)低工況時的過量空氣系數(shù)?？勺儨u輪截面增壓器包括：通過改變噴嘴環(huán)葉片角度的VNT及軸向變 渦輪形式的渦輪增壓器。與變截面渦輪增壓方式相比，在高工況下由于部分排氣沒有經(jīng)過渦輪做功便排出，是一種能量上的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性不如前者，但是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高，通過與發(fā)動機(jī)的良好匹配，通過提高常用工況的性能，犧牲部分非常用工況的性能的方式，一樣可以滿足使用要求。這是目前采用較多的方法，不足之處是由于放走了一部分廢氣，造成了能量損失，犧牲了增壓器的效率，發(fā)動機(jī)高工況情況的燃料消耗率有所增加。在放氣閥包括進(jìn)行進(jìn)氣放氣閥和排氣放氣閥。為了適應(yīng)天然氣發(fā)動機(jī)在寬廣轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，同時避免爆震現(xiàn)象出現(xiàn)，一般情況下采用對增壓壓力進(jìn)行控制。因此，增壓天然氣發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷嚴(yán)重，應(yīng)采用空空中冷器冷卻進(jìn)氣；（4）天然氣發(fā)動機(jī)增壓比低、流量范圍廣、熱負(fù)荷高、最高轉(zhuǎn)速高且轉(zhuǎn)速范圍大。本文中原柴油機(jī)的電控系統(tǒng)匹配有爆震傳感器，爆震控制功能確保了天然氣發(fā)動機(jī)點(diǎn)火控制的可靠性；（2）混合器式天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行增壓時，氣流流經(jīng)混合器喉口的壓力是變化的，使混合氣的濃度難于精確控制。系統(tǒng)中的天然氣噴射閥選用了KEIHIN燃?xì)鈬娮?。?shí)現(xiàn)對天然氣發(fā)動機(jī)空燃比控制、點(diǎn)或控制，怠速控制及VNT控制等功能。NC4JR120天然氣發(fā)動機(jī)原機(jī)為1臺多點(diǎn)噴射電控柴油機(jī)，最高轉(zhuǎn)速為3600r/min。（3）摩擦扭矩 可采用一個反映平均摸彩壓力與轉(zhuǎn)速間函數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式： （27）式中，為平均摩擦壓力；為系數(shù)；為活塞平均速度。 發(fā)動機(jī)模型（1）發(fā)動機(jī)流量忽略殘余廢氣系數(shù)，進(jìn)入氣缸的氣體流量可按下式計(jì)： （25）式中，為氣體充氣效率，僅是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，可由發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)測得；為發(fā)動機(jī)氣缸排量；為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；為增壓壓力；為增壓溫度。由、 和，根據(jù)牛頓定律，可求出渦輪所發(fā)出的扭矩,即 （22）式中，為氣體常數(shù)；為等熵指數(shù)；為燃燒室出口溫度。 渦輪模型渦輪的質(zhì)量流量、效率、轉(zhuǎn)速、膨脹比有如下關(guān)系： , 。廢氣渦輪增壓器在穩(wěn)定運(yùn)行過程中必須滿足渦輪與壓氣機(jī)能量平衡、流量平衡及轉(zhuǎn)速相等三個條件。 渦輪增壓器模型分析渦輪增壓系統(tǒng)模型由壓氣機(jī)模型、渦輪模型、增壓器動力學(xué)模型、發(fā)動機(jī)模型四大組成部分。由于增壓后，缸內(nèi)富氧，溫度較高，燃燒反應(yīng)加快，因而HC含量減少。CO是柴油不完全燃燒的產(chǎn)物，增壓后，過量空氣系數(shù)增大，排放中的CO減少。所以根據(jù)式發(fā)動機(jī)的燃油消耗率有所降低，經(jīng)濟(jì)性提高。如果空氣在進(jìn)入氣缸前得到壓縮，空氣密度增加，則可以進(jìn)入更多的新鮮空氣，因而可以增加循環(huán)供油量，獲得更大的輸出功率。目前，世界上對柴油機(jī)進(jìn)行增壓已經(jīng)是基本設(shè)計(jì)。 但是，簡單的更改發(fā)動機(jī)的缸徑等幾何參數(shù)，會使得發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，而且大大增加發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)成本；二沖程則會降低熱效率；高轉(zhuǎn)速增加了摩擦損失，而且增加了運(yùn)動件的慣性力。 ③在提高機(jī)械效率方面，減少摩擦損失，優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)扇、水泵、機(jī)油泵等輔助系統(tǒng)。 由上式可知，提高內(nèi)燃機(jī)的功率主要有下列途徑：①結(jié)構(gòu)方面，增大氣缸直徑和活塞行程，增加氣缸數(shù)。 一臺性能優(yōu)良的發(fā)動機(jī)，主要表現(xiàn)在比功率大、比質(zhì)量小、燃油消耗率低，排放污染小，工作可靠，使用壽命長，操作方便，等等。但有部分零件損壞后不易修復(fù)。整體式是將工作輪的輪盤與渦輪軸鍛成一體，或焊接成一體。渦輪軸將渦輪工作輪和壓氣機(jī)工作輪連接在一起，傳遞扭矩。渦輪出氣殼是將已作了功的廢氣引出渦輪增壓器，它在渦輪增壓器的幾個殼體中間，起著支架的作用，支撐整個增壓器的重量。其連接方式有整體式和裝配式兩種。葉片的葉形目前大都采用拋物線形，工作輪的形式有半開式和星形。其結(jié)構(gòu)依徑流式渦輪與軸流式渦輪而不同。 （3）工作輪。噴嘴環(huán)的導(dǎo)向葉片均勻地分布在噴嘴環(huán)上，葉片間的通道是漸縮的，葉片在噴嘴環(huán)的出口處有一定的出口角，這樣，廢氣在流過噴嘴環(huán)后，均勻、高速并朝著一定的方向沖擊工作輪葉片。 （2）噴嘴環(huán)。渦輪進(jìn)氣殼把發(fā)動機(jī)和增壓器連接起來，將發(fā)動機(jī)排出的廢氣，按照噴嘴環(huán)進(jìn)口形狀均勻地進(jìn)入噴嘴環(huán)，以減少流動損失，充分利用廢氣能量。在流量較小時，它的效率較高，制造又較簡單，適用于小流量的廢氣渦輪增壓器。當(dāng)流量較大時效率較高，適用于大流量的廢氣渦輪增壓器。 按照廢氣在渦流中的流動方向，廢氣渦輪可分為軸流式和徑流式兩大類。當(dāng)廢氣流進(jìn)工作輪葉片時，由于氣流在通道內(nèi)轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生離心作用，以及氣流的相對速度增加對葉片產(chǎn)生反作用的緣故，氣流在葉片的凹面上壓力提高，而在葉片的凸面則壓力減小。 廢氣渦輪的主要部件是噴嘴環(huán)和工作輪。 （4）出氣蝸殼：它的作用是收集從擴(kuò)壓器來的增壓空氣，使增壓空氣沿著按氣流運(yùn)動規(guī)律，并沿著其圓周逐漸增大的流通截面。它的作用是使流出工作葉輪的高速氣流的速度均勻并使其稍有下降，以減小進(jìn)入葉片擴(kuò)壓器時的流動損失。它的作用是把從壓氣機(jī)葉輪來的高速空氣的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，在擴(kuò)壓器中氣流的運(yùn)動速度降低，壓力增高。半封閉式工作葉輪只有輪盤，沒有輪蓋，空氣流經(jīng)流道時，會產(chǎn)生氣流損失，并且部分氣流會從一個流道越過葉片頂部進(jìn)入另一個流道，造成潛流損失，但由于結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，并有足夠強(qiáng)度和剛度而得到廣泛應(yīng)用。工作輪主要有封閉式和半封閉式兩種。工作葉輪的葉片一般為徑向直葉片，空氣沿著這些葉片組成的流道內(nèi)流動，并在極大的離心力作用下被甩向輪緣后流入擴(kuò)壓器，因?yàn)闅饬鳒囟萒、壓力P、速度C均大有提高，因而擁有高的動能和壓力能。 （2）工作葉輪：是離心式壓氣機(jī)的主要部分，是安裝在渦輪所帶動的壓氣轉(zhuǎn)軸上的高速旋轉(zhuǎn)元件。這種軸向進(jìn)氣道略呈收斂形，以形成有利的吸氣條件。新鮮空氣從機(jī)車外壁通過濾清器吸入后，經(jīng)導(dǎo)流罩進(jìn)入壓氣機(jī)的工作葉輪。 廢氣渦輪增壓器中的離心式壓氣機(jī)一般由以下幾個部分組成：進(jìn)氣裝置,工作輪，擴(kuò)壓器，出氣蝸殼。一般車用增壓發(fā)動機(jī)多采用徑流式廢氣渦輪增壓，大功率發(fā)動機(jī)多采用軸流式增壓，混流式渦輪增壓也越來越多。 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)采用單離心式壓氣機(jī)，渦輪部分一般采用單級渦輪。發(fā)動機(jī)采用廢氣渦輪增壓后機(jī)械效率明顯提高，燃油消耗率下降，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性得到改善，同時發(fā)動機(jī)工作在較大的過量空氣系數(shù)情況下，燃燒較完全，排氣污染得到改善。不同的增壓方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但目前應(yīng)用最為廣泛的增壓方式是廢氣渦輪增壓。經(jīng)過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定哪種增壓器具有更佳的匹配效果。各國紛紛致力研究提升渦輪增壓技術(shù)，不斷改進(jìn)渦輪增壓器的設(shè)計(jì)制造理論和工藝，提出新設(shè)計(jì)的理念。本章簡明講述了天然氣發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢和種類，渦輪增壓器的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢。經(jīng)過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定哪種增壓器具有更佳的匹配效果。因此，作者認(rèn)為有必要以NC4JR120柴油機(jī)改造天然氣系統(tǒng)的匹配為課題進(jìn)行研究，意義在于：（1）進(jìn)一步提高該型天然氣發(fā)動機(jī)的功率，發(fā)掘潛在的動力性能；（2）滿足用戶需要、提高產(chǎn)品競爭力，從而進(jìn)一步打開市場，提高市場占用率。采用增壓技術(shù)可以提高內(nèi)燃機(jī)的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并可以節(jié)約能源、降低噪聲，可以在高海拔地區(qū)使用時恢復(fù)發(fā)動機(jī)因空氣稀薄導(dǎo)致的功率下降，適應(yīng)高海拔地區(qū)車輛和工程機(jī)械作業(yè)的要求。（4）高原功率補(bǔ)償在高原條件下，發(fā)動機(jī)氣缸進(jìn)氣流量減少，空氣中的含氧量降低，使燃燒過程惡化，后燃現(xiàn)象加重，燃燒持續(xù)期延長，冒煙加重。但吸入氣缸的空氣量增加和燃燒室溫度升高，使平均有效NOx的排放量增加。（3）環(huán)保渦輪增壓器能夠使發(fā)動機(jī)節(jié)能，必將降低發(fā)動機(jī)有害氣體和CO2的排放量。（2）節(jié)能渦輪增壓器的原理是利用發(fā)動機(jī)排放的廢氣來驅(qū)動渦輪機(jī)，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動來帶動同軸的壓氣機(jī)工作，壓氣機(jī)對將進(jìn)入發(fā)動機(jī)的新鮮空氣進(jìn)行壓縮，從而增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，提高發(fā)動機(jī)的功率、機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動機(jī)渦輪增壓后耗油率可降低5% ~10%。高增壓時，功率提高甚至可大于100%。車用渦輪增壓技術(shù)的特征總體來說,當(dāng)今的車用渦輪增壓技術(shù)主要具有以下4點(diǎn)特征：（1）小型化在發(fā)動機(jī)重量及體積增加很少的情況下，發(fā)動機(jī)不需要做重大改變，即很容易提高功率20% ~50%。渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與增壓發(fā)動機(jī)未來發(fā)展的要求密切相關(guān)，主要是滿足更高要求的排放法規(guī)和提高發(fā)動機(jī)的全工況性能。 國內(nèi)發(fā)展的狀況我國從1958年開始渦輪增壓技術(shù)的研究工作，經(jīng)過幾十年的開發(fā)、生產(chǎn)，增壓技術(shù)有了較大的發(fā)展，目前我國共有增壓器生產(chǎn)廠家100余家，具有較大生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)質(zhì)量水平較高并具有一定開發(fā)能力的廠家有：湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司、山東壽光康躍增壓器廠、鳳城汽車增壓器廠、沈陽黎明增壓器廠、重慶江津增壓器廠、山東濰坊富源增壓器有限公司、無錫霍爾塞特公司（中英對照合資）等。此外，國外生產(chǎn)徑流式渦輪增壓器的公司還有美國的AerodyneDalls（愛羅達(dá)因應(yīng)用電子控制的增壓壓力調(diào)節(jié)裝置來控制轎車或卡車發(fā)動機(jī)的增壓；采用可調(diào)噴嘴的可變截面渦輪增壓器并開發(fā)出一套相配套的電子控制裝置；旁通閥和渦輪箱鑄成一體，從而簡化結(jié)構(gòu)，提高可靠性和降低成本；帶有兩個渦輪增壓器的順序增壓器。德國KKK公司是世界上生產(chǎn)小型渦輪增壓器的著名廠商之一。國外徑流式渦輪增壓器產(chǎn)品的研制開發(fā)和生產(chǎn)主要集中在美國的聯(lián)信渦輪增壓系統(tǒng)公司、Schwizer(施韋策)公司、英國的Holset公司、德國的KKK公司、日本的MHI和IHI等幾個大的集團(tuán)公司。 美國、歐洲、日本和澳大利亞等國家和地區(qū)的重型卡車柴油機(jī)已100%采用增壓器，中小型汽車柴油機(jī)采用增壓器的達(dá)80%，轎車柴油機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)的和汽油機(jī)采用渦輪增壓的也在不斷增多。 ②用壓縮空氣渦輪驅(qū)動風(fēng)扇由壓氣機(jī)分出一小股氣流驅(qū)動一個渦輪，帶動風(fēng)扇來冷卻中冷器。風(fēng)冷式根據(jù)驅(qū)動冷卻風(fēng)扇的動力不同，分為兩種方式： ①用曲軸驅(qū)動風(fēng)扇把中冷器置于冷卻水箱前面，用柴油機(jī)曲軸驅(qū)動冷卻風(fēng)扇與行駛時的迎面風(fēng)冷卻中冷器和水箱。水冷式中冷器一般應(yīng)用在發(fā)動機(jī)中置或后置的車輛上，以及大排量發(fā)動機(jī)上。 ②用獨(dú)立的冷卻水系冷卻柴油機(jī)有兩套冷卻水系，其中的一套用于中冷器。 水冷式根據(jù)冷卻水系的不同分為兩種方式： ①用柴油機(jī)冷卻系的冷卻水冷卻這種方式不需要另設(shè)水路，結(jié)構(gòu)簡單。因此可以較大幅度的提高發(fā)動機(jī)功率，還可以提高經(jīng)濟(jì)性，降低排放，尤其是NOx的排放水平。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度每下降1℃，最高燃燒溫度和排氣溫度就下降2~3℃。比如將渦輪增壓和機(jī)械增壓組合，形成串聯(lián)式或并聯(lián)式的復(fù)合增壓。氣波增壓結(jié)構(gòu)簡單，低工況時有較高的增壓壓力，工況的適應(yīng)性好；但是質(zhì)量和體積較大，安裝受限制，效率較低，運(yùn)轉(zhuǎn)時的噪聲比較大，這些缺點(diǎn)限制了氣波增壓的應(yīng)用。目前渦輪增壓是應(yīng)用最廣泛的增壓方式。特點(diǎn)是不消耗發(fā)動機(jī)的有效功率，增壓器的布置比較靈活，渦輪還能降低部分排氣噪聲，進(jìn)一步減少排氣中的有害成分。機(jī)械增壓的特點(diǎn)是：不增加發(fā)動機(jī)排氣背壓，但消耗有效功率，總體布置有一定的局限性，~，但是由于是發(fā)動機(jī)曲軸直接驅(qū)動，所以對于發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)比較好，對于加速性要求較高的車輛，如某些跑車所配備的發(fā)動機(jī)就使用機(jī)械增壓。利用柴油機(jī)改裝的火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動機(jī)，在國內(nèi)外均已投放市場。國外CNG發(fā)動機(jī)絕大部分采用此種形式。單燃料天然氣發(fā)動機(jī)根據(jù)天然氣的特性對燃燒系統(tǒng)、燃燒供給系統(tǒng)進(jìn)行針對性開發(fā)，充分發(fā)掘發(fā)動機(jī)的潛能，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動力性、排放均比雙燃料發(fā)動機(jī)好，是目前氣體發(fā)動機(jī)發(fā)展的方向。目前國外雙燃料技術(shù)發(fā)展水平較高，加拿大西港公司所采用高壓雙燃料電控系統(tǒng)中，CNG和柴油共用一個噴嘴，可單獨(dú)精確控制柴油、天然氣的噴射時間和噴射量，CNG對柴油的替代率高達(dá)90%以上，同時達(dá)到滿足歐四的排放法規(guī)需求，代表了雙燃料的發(fā)展方向。 為適應(yīng)商用車降低排放污染和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的發(fā)展需要，在CNG發(fā)動機(jī)的發(fā)展初期采用CNG和柴油的摻燒的方法，即通過在原柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)總增加天然氣混合器，將天然氣吸入，使天然氣與空氣形成可燃混合氣，混合氣進(jìn)入缸內(nèi)后，用柴油噴射引燃，柴油和CNG的供給