【正文】 們采用增壓及中冷技術(shù)來(lái)減少肺氣中的有害氣體排放，降低車(chē)用柴油機(jī)的排氣污染，以達(dá)到更嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。我國(guó)有大面積的高海拔區(qū)域，同時(shí)作為資源相對(duì)有限的發(fā)展中國(guó)家來(lái)說(shuō)，發(fā)展渦輪增壓技術(shù)對(duì)我國(guó)建設(shè)“低碳”的環(huán)境友好型社會(huì)具有戰(zhàn)略性的重要意義。由于不像機(jī)械增壓時(shí)壓比受到限制,故近年來(lái)高增壓的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。因此，采用渦輪增壓技術(shù)，可在功率保持不變的前提下，大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸、這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及車(chē)輛的小型化、輕量化和降低成本有巨大的吸引力。因此我們能用小功率的帶渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)代替大功率的自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。柴油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)本來(lái)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1，增壓使柴油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)一步提高，對(duì)排放產(chǎn)生了明顯的影響。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。同時(shí)，提高了充量溫度，縮短了滯燃期，降低了燃燒噪聲。（4）高原功率補(bǔ)償在高原條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸進(jìn)氣流量減少，空氣中的含氧量降低，使燃燒過(guò)程惡化，后燃現(xiàn)象加重，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，冒煙加重。（5）渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)多種匹配方式為了最大限度地發(fā)揮渦輪增壓技術(shù)的潛力和不同目的的需求，人們研究出了多種渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配方案。同時(shí)我們看到渦輪增壓器的零部件材料和制造工藝也經(jīng)歷著革新，不斷有新技術(shù)和新理念引入到渦輪增壓器設(shè)計(jì)制造上。同時(shí)為保證在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)有足夠的喘振余量及高效率，壓氣機(jī)的出氣殼采用優(yōu)化的輪廓，可適于一個(gè)或二個(gè)出氣口。為了減少排氣系統(tǒng)的熱慣性，薄鋼板渦輪殼體因運(yùn)而生，其質(zhì)量小，熱慣性也小，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后從排氣系統(tǒng)吸收的熱量較少，能夠較快地使催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到工作溫度，改善催化轉(zhuǎn)化器的凈化效果。外支承式軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性好，維護(hù)管理方便，便于拆裝，軸承距離較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)子受高溫氣體的影響較小，便于布置與安裝軸封裝置，軸承直徑小，軸頸線(xiàn)速度低，摩擦損失小，軸承的壽命長(zhǎng)，因此過(guò)去大多數(shù)增壓器采用這種方式。而內(nèi)支承式軸承軸向尺寸小，軸承距離短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易采用非冷卻式殼體及軸向進(jìn)氣，便于清洗流道，但回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差，若采用滾動(dòng)軸承，軸承直徑大，軸頸線(xiàn)速度高，軸承易損壞，拆裝不方便。（4）軸承系統(tǒng)性能的提高在小型車(chē)用渦輪增壓器上采用滾動(dòng)軸承代替滑動(dòng)軸承，其機(jī)械效率可達(dá)95%以上，增壓器總效率可提高5% ~7%，在小流量時(shí)甚至可提高20%，這可大大改善車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的低速工況性能；另外由于軸承中摩擦小，使得增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)非常靈活，可顯著改善增壓器的加速性。新式噴嘴環(huán)的形狀保證了高效率，借助單獨(dú)適配的噴嘴環(huán)可獲得透平增壓器和相應(yīng)柴油機(jī)的最佳匹配。當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷改變時(shí)，通過(guò)改變噴嘴環(huán)流通截面積，獲得最佳匹配，即當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噴嘴環(huán)出口流通截面積減小，使廢氣的壓力能更多地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，滿(mǎn)足柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要的新鮮空氣量。（6）靜音消音器新開(kāi)發(fā)的徑向消音器能把噪音降到105dB(A)以下，徑向布置的消音扇形片能提供最佳的流通條件，在透平的全部效率范圍內(nèi)，均能滿(mǎn)足使用要求，增壓器圓周上的過(guò)濾鋼墊易于拆卸和清洗。車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用徑流式渦輪增壓器。在此期間，各種新的增壓系統(tǒng)和材料技術(shù)不斷出現(xiàn)，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷得到完善和發(fā)展。美國(guó)Allied Signal公司目前生產(chǎn)Garrert牌、AIReseareh牌、RotoMaster牌、Rajay牌渦輪增壓器以及Garrett牌中冷器，生產(chǎn)廠(chǎng)遍及世界10個(gè)國(guó)家(美國(guó)、墨西哥、巴西、愛(ài)爾蘭、英國(guó)、法國(guó)、意大利、日本、南韓和中國(guó))。為適應(yīng)汽油機(jī)增壓的需要，KKK公司積極開(kāi)展陶瓷渦輪和隔熱渦輪箱的研制開(kāi)發(fā)工作，采用的新技術(shù)主要有。瑞士的ABB公司以生產(chǎn)軸流式渦輪增壓器為主，但也有部分徑流式渦輪增壓器產(chǎn)品。達(dá)勒斯）公司、德國(guó)的MTU公司、日本的Kornatsu(小松)、Toyota(豐田)、Nissan(日產(chǎn))和Hitaehi(日立)等公司，但這些公司小型徑流渦輪增壓器產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模較小。目前國(guó)內(nèi)在增壓器開(kāi)發(fā)技術(shù)、制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模等方面處于領(lǐng)先水平的是成立于1994年首家美國(guó)獨(dú)資企業(yè)霍尼韋爾渦輪增壓系統(tǒng)（上海）有限公司和中英合資企業(yè)無(wú)錫霍爾塞特工程有限公司，經(jīng)過(guò)10余年發(fā)展，它們已經(jīng)分別達(dá)到30萬(wàn)臺(tái)以上的產(chǎn)銷(xiāo)規(guī)模。特別是近年來(lái)世界各國(guó)對(duì)汽車(chē)排放法規(guī)控制越來(lái)越嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器技術(shù)被放到越來(lái)越突出的位置。 本文的研究?jī)?nèi)容作者以南昌凱馬有限公司柴油機(jī)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室為研究平臺(tái)，先期進(jìn)行了試驗(yàn)計(jì)算，初定了兩種增壓器，擬定詳細(xì)的試驗(yàn)方案。論證使用TB28渦輪增壓器的可行性和運(yùn)行的高效性，對(duì)增壓器運(yùn)行出現(xiàn)的喘振給出了分析，并針對(duì)如何提高增壓器匹配性能提出調(diào)整建議。特別是近十幾年來(lái)，生態(tài)危機(jī)的日益嚴(yán)峻，尋找新能源達(dá)到節(jié)能減排的目的，通過(guò)加裝渦輪增壓器的簡(jiǎn)易方法就可以大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，減少有害污染物的排放，如何使渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配的性能達(dá)到最佳被提到日程上來(lái)。觀(guān)察當(dāng)今渦輪增壓技術(shù)總結(jié)了五個(gè)特征，同時(shí)也看到在渦輪增壓器制造的新材料、新工藝。經(jīng)過(guò)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。渦輪增壓器所用的壓氣機(jī)一般有離心式、軸流式和混流式，由于機(jī)車(chē)對(duì)部件的重量和限界尺寸要求較嚴(yán)，因此機(jī)車(chē)柴油機(jī)用的渦輪增壓器上多采用單級(jí)離心式壓氣機(jī)。離心式壓氣機(jī)主要有導(dǎo)流罩(吸氣殼)、導(dǎo)風(fēng)輪、工作葉輪、擴(kuò)壓器和出氣蝸殼等組成。（1）導(dǎo)流罩(或稱(chēng)吸氣殼)：它是壓氣機(jī)的進(jìn)氣裝置。為減少損失，保證在工作輪進(jìn)口截面處獲得均勻的氣流，常使空氣沿著壓氣機(jī)的軸線(xiàn)方面進(jìn)入工作輪。根據(jù)能量守恒原理，氣流通過(guò)收斂形的進(jìn)氣道后，速度稍有提高，故在工作輪進(jìn)口處的氣流壓力和溫度均比進(jìn)口的大氣狀態(tài)有所降低，這有助于外界空氣通過(guò)進(jìn)氣道源源不斷地流入。它的作用是把渦輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成空氣的動(dòng)能和壓力能。為減小流動(dòng)損失，使氣流無(wú)沖擊地進(jìn)入工作輪，通常把工作輪葉片的前緣部分做成彎曲形狀，稱(chēng)之為導(dǎo)風(fēng)輪，起進(jìn)氣導(dǎo)向作用。封閉式工作輪指葉片所組成的流道兩側(cè)被輪蓋和輪盤(pán)封閉，使空氣流經(jīng)工作輪流道時(shí)與殼體之間沒(méi)有摩擦，因此氣流損失較小，效率較高，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而很少采用。（3）擴(kuò)壓器：通常由無(wú)葉擴(kuò)壓器和有葉擴(kuò)壓器兩部分組成。無(wú)葉擴(kuò)壓器又稱(chēng)縫隙式擴(kuò)壓器，它是一個(gè)環(huán)形的空腔，具有平行的稍為收斂形的間壁。特別是當(dāng)工作葉輪出口處的氣流速度超過(guò)音速時(shí)，通過(guò)無(wú)葉擴(kuò)壓器可使氣流速度下降到小于音速，避免氣流沖擊波。壓氣機(jī)通道中氣體狀態(tài)的變化如圖21。目前在機(jī)車(chē)柴油機(jī)上廢氣渦輪有軸流式和徑流式兩種，軸流式多應(yīng)用于大流量。但大流量高壓比的徑流式廢氣渦輪增壓器也獲得相應(yīng)的發(fā)展。高溫廢氣在渦輪內(nèi)作功后，廢氣的壓力和溫度下降。噴嘴環(huán)是靜止的、徑向排列的導(dǎo)向葉片，固定在殼體上。如將兩個(gè)軸承分別布置在壓氣機(jī)葉輪和渦輪之間，稱(chēng)為內(nèi)支承結(jié)構(gòu)；如兩個(gè)軸承分別布置在壓氣機(jī)葉輪和渦輪的外側(cè)，稱(chēng)為外支承結(jié)構(gòu)。工作輪葉片通常也是收斂型通道，燃?xì)庠谶@里繼續(xù)膨脹，壓力和溫度繼續(xù)下降，氣流的相對(duì)速度繼續(xù)升高，氣流作用在葉片上的力，可以看成是氣流從葉片流出時(shí)的反作用力，是使工作輪旋轉(zhuǎn)的一種力矩，它與燃?xì)饬鹘?jīng)渦輪葉片時(shí)對(duì)工作輪產(chǎn)生的沖擊力矩一起，使工作輪旋轉(zhuǎn)作功。廢氣渦輪增壓器是由壓氣機(jī)和燃?xì)鉁u輪組成，壓氣機(jī)通常采用單級(jí)離心式、徑向葉輪和無(wú)葉擴(kuò)壓器，而燃?xì)鉁u輪的型式取決于增壓器的大小，小型渦輪增壓器的廢氣渦輪一般采用徑流式渦輪，大型廢氣渦輪增壓器則采用單級(jí)軸流式渦輪。壓氣機(jī)的質(zhì)量流量mc、效率、轉(zhuǎn)矩和壓比有如下關(guān)系：根據(jù)增壓器生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的壓氣機(jī)特性曲線(xiàn)，給出壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速n和流量mc，即可得出壓氣機(jī)的壓比πc和效率ηC，由πc、mc、ηC、n和T1,根據(jù)牛頓定律，可求出壓氣機(jī)消耗的扭矩MC，即 （21）式中，R為氣體常數(shù)；κ為等熵指數(shù)；T1為環(huán)境溫度。根據(jù)渦輪特性曲線(xiàn)，給出渦輪的轉(zhuǎn)速n和流速，即可得出膨脹比πt和效率ηt。 增壓器動(dòng)力學(xué)模型廢氣對(duì)渦輪所做的功一部分用于壓氣機(jī)壓縮空氣，另一部分則消耗于摩擦損失（不計(jì)散熱損失）得增壓器轉(zhuǎn)子扭矩的平衡方程： （23） （24） 式中，Jtc為增壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，c1,c2為摩擦系數(shù)。（2）指示扭矩指示扭矩按下式計(jì)算： （26）式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比的函數(shù)，可由臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得；為單位時(shí)間噴入氣缸的燃油量；為燃油低熱值。摩擦損失扭矩： （28）（4）發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡方程： （29）式中，為負(fù)載扭矩；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。渦輪增壓器由離心式壓氣機(jī)和廢氣渦輪組成。廢氣渦輪由噴嘴環(huán)和工作輪組成。第三章 NC4110Z15柴油機(jī)增壓器選型 廢氣渦輪增壓器與柴油機(jī)配合運(yùn)行時(shí)，由于其渦輪機(jī)允許的工作范圍較，運(yùn)行時(shí)問(wèn)題較少；而其壓氣機(jī)的特性隨通流元件的變化較大，高效率區(qū)的范圍較窄。發(fā)動(dòng)機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線(xiàn)圖的繪制是把發(fā)動(dòng)機(jī)外特性各轉(zhuǎn)速下的增壓比πk和折合流量Gnp值點(diǎn)在壓氣機(jī)特性線(xiàn)圖上，再把各點(diǎn)聯(lián)接起來(lái)而成的曲線(xiàn)，即為外特性配合運(yùn)行線(xiàn)。渦輪增壓器與柴油機(jī)配合運(yùn)行的基本要求：（1）在標(biāo)定工況下，須達(dá)到預(yù)期的增壓壓力Pb及空氣流量Qmb，有足夠的燃燒過(guò)量空氣系數(shù)φa，使燃燒完善，燃油消耗率滿(mǎn)足要求；渦輪前排氣溫度不超過(guò)預(yù)定值，以保證氣缸熱負(fù)荷不至于過(guò)高，及保證增壓器可靠性，因?yàn)闇u輪葉輪材料有其耐高溫極限，增壓器的軸承系統(tǒng)和密封結(jié)構(gòu)也有其正常工作的溫度范圍，如排氣溫度超出設(shè)計(jì)的預(yù)定值，將影響葉輪和軸承系統(tǒng)、密封結(jié)構(gòu)的可靠性、耐久性；增壓壓力不能過(guò)高，以避免最高爆發(fā)壓力過(guò)大，使機(jī)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。（2）在低工況時(shí)，必須保證有足夠的空氣量，以滿(mǎn)足燃燒和降低熱負(fù)荷的要求，對(duì)于國(guó)內(nèi)車(chē)用柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，由于使用的道路條件、用途（卡車(chē)、公交車(chē)、爬坡）等原因，尤其要求滿(mǎn)足低速大扭矩，以保證汽車(chē)有理想的起步性能和加速性能。 渦輪增壓器與柴油機(jī)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(shí)最高燃燒壓力高，渦輪前排氣背壓高，柴油機(jī)泵吸功大。當(dāng)增壓壓力一定時(shí)，增壓器的效率主要影響柴油機(jī)的排氣背壓，進(jìn)而影響柴油機(jī)的泵吸功和掃氣效率。因此選擇高效率的增壓器很重要。如果渦輪的效率進(jìn)一步提高，排氣背壓可進(jìn)一步降低，掃氣壓差進(jìn)一步降低，掃氣壓差進(jìn)一步加大。它具有以下特點(diǎn)：（1）采用直噴式燃燒系統(tǒng)，燃油消耗率低，煙度低，起動(dòng)性能好。（3）采用淡水、海水雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)，水冷排氣管，使機(jī)艙內(nèi)空氣質(zhì)量好，溫度好，操作方便。（5）結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)與同類(lèi)同檔柴油機(jī)相比，體積小、重量輕，給機(jī)艙留下更多的使用空間，也增加了船舶的承載量。柴油機(jī)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)。其主要易損件與X110系列柴油機(jī)有很高的通用性。15176。1176。代人得：Pe =（1）增壓器的壓比 n 確定按經(jīng)驗(yàn)公式Pk=( ~)Pe選取增壓器的壓比。P/3600 （32）式(32)中：A—— 過(guò)量空氣系數(shù)，中速機(jī)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/kW代入：=國(guó)內(nèi)有很多柴油機(jī)產(chǎn)品與NC4110Z15型柴油機(jī)技術(shù)指標(biāo)類(lèi)似，參考同類(lèi)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(jī)特性曲線(xiàn)，初步選定TB28和TB31進(jìn)行試驗(yàn)。其次研究了增壓器匹配柴油機(jī)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(yàn)初選提供了更加全面的依據(jù)。第四章 試驗(yàn)組織 試驗(yàn)條件在進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在以下大氣狀態(tài)下進(jìn)行：溫度（T）：283K＜T＜313K氣壓（）：80kPa≤≤110kPa當(dāng)試驗(yàn)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(shí)，應(yīng)對(duì)實(shí)測(cè)功率進(jìn)行校正，對(duì)于柴油機(jī)，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(shí)測(cè)功率為使試驗(yàn)有效，校正系數(shù)ad應(yīng)滿(mǎn)足：≤ad≤。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)按下述要求控制:冷卻水溫度：85士3 ℃；燃油溫度38士5 ℃；機(jī)油溫度80士5℃，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中盡量保持不變。方案1：試驗(yàn)增壓器匹配試驗(yàn)分別在工況點(diǎn)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(diǎn)，在測(cè)量的過(guò)程中同時(shí)記錄柴油機(jī)的燃油油耗量、排氣煙度、進(jìn)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(diǎn)間距100 r/min進(jìn)行測(cè)量和記錄。方案2：對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行加速度煙度測(cè)試。 在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下，迅速但不迅猛的踏下油門(mén)踏板，使噴油泵供給最大油量。一旦達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，立即松開(kāi)油門(mén)踏板，使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)至怠速，不透光度儀恢復(fù)至相應(yīng)狀態(tài)。不必讀取每次發(fā)動(dòng)機(jī)加速后發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下的讀數(shù)值。所記錄的光吸收系數(shù)Xm應(yīng)為這四個(gè)數(shù)的平均值。1%江蘇啟東農(nóng)機(jī)廠(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速油耗儀SYZZ1A%上海內(nèi)燃機(jī)研究所排氣煙度計(jì)FDQ102177。1%無(wú)錫江南測(cè)試儀器廠(chǎng)油溫表WXMT數(shù)字顯示儀177。1%無(wú)錫江南測(cè)試儀器廠(chǎng)油壓表WXMT數(shù)字顯示儀177。%長(zhǎng)春氣象儀表廠(chǎng)排放分析儀AVL4000廈門(mén)海騰發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備有限公司濕度測(cè)量計(jì)YB272大氣干濕球溫度計(jì)上海醫(yī)用儀表廠(chǎng)空氣流量計(jì)德國(guó)AERZEN公司 消光煙度計(jì)AVL4390 G003AVLGRAL AUSTIA