终稿1天然气发动机与涡轮增压器的匹配试验研究

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1、. . . . 天然气发动机与涡轮增压器的匹配试验研究摘要随着全球能源危机和污染加剧，对发动机的排放性能要求和燃料种类越来越高。我国也根据自身的具体情况，逐渐对天然气发动机汽车进行研究。天然气涡轮增压发动机是高新技术产品的代表之一，天然气具有节能、低污染的天然优势、能满足日益严格的排放法规要求，同时更是当今能源危机有效的替代品。而涡轮增压技术能提高天然气发动机的燃烧效率，提高动力性，减少排放等。正是由于各种排放和噪声法规的大量出台，石油资源的逐渐枯竭和人们对涡轮增压技术的更高要求，车用天然气发动机涡轮增压技术迎来了发展的黄金时期。本文研究的是NC4JR120柴油发动机改造的天然气发动机与可变截

2、面涡轮增压器匹配问题。通过实验验证与NC4JR120型天然气发动机匹配的可变截面涡轮增压器的高效性与经济性。本文以恒天动力研发实验室为研究平台，然后拟定了详细的试验方案，通过实验得出详实准确的试验数据。经过分析确定可变涡轮截面极佳的匹配效果。本文对增压器运行出现的喘振给出了分析，并针对如何提高增压器匹配性能提出了调整建议。关键词：天然气发动机；增压器；匹配；试验41 / 50CNG Engine Matching with Turbocharger and its Experiment AnalysisAbstract As the global energy crisis and envir

3、onment pollution aggravating, requirements for engine emission and other available fuel are needed too. Our country put a great energy in vehicle engine research gradually according to our background. CNG engine is one of the most advanced technologies, which has the qualities of energy conservation

4、, low pollution and legal to the nowadays laws and its a good substitute too. At the meantime, turbocharger can improve combustion efficiency, dynamic property and lower the pollution. In the history of internal combustion engine, turbocharger technology has played an important role in increasing po

5、wer to weight ratio and fuel economy. So it is called the golden age of internal combustion engine. This dissertation studies the matching problem on NC4JR120 CNG engine. Based on the experiment of matching, the type of turbocharger is finally determined. Platform provided by HengTian engine Cor. be

6、fore doing the experiment, some calculations about the experiment have been done. Two turbocharger types are prepared before the experiment. Then a detail experiment plan is carried out. The paper analyses the experiment data and make clear that VNT turbocharger has a better effect. The paper analys

7、es the reason of surge phenomenon and gives some suggestions to increase the matching behavior.Key words: CNG engine; Turbocharger; Match; Experiment目录摘要IAbstractII第一章前言11.1天然气发动机的优势与其分类11.1.1天然气发动机的优势11.1.2天然气发动机的分类21.2天然气发动机的增压31.2.1增压的分类31.2.2中冷技术31.3涡轮增压器发展状况41.3.1国外发展41.3.2国发展的状况51.4选题来源与意义61.5

8、本文的研究容61.6本章小结6第二章涡轮增压系统原理与选型72.1涡轮增压系统的原理72.1. 离心式压气机72.1.2废气涡轮82.2增压系统对发动机工作过程与性能的影响92.3 涡轮增压器模型分析102.3.1压气机模型102.3.2涡轮模型112.3.3增压器动力学模型112.3.4发动机模型112.4涡轮增压器的选型122.4.1天然气发动机简介122.4.2天然气发动机增压系统选型132.5本章小结15第三章试验组织163.1 试验条件163.2试验方案163.3试验用主要设备、仪器173.4 数据采集173.4.1 采集手段173.4.2 试验平台简图183.5 本章小结18第四章

9、试验结果与分析194.1增压天然气发动机试验194.2天然气发动机VNT匹配规律194.3增压天然气发动机负荷特性204.4增压天然气发动机的外特性214.5 离心压气机喘振分析234.7 改进建议264.7.1增压器安装建议264.7.2日常保养和使用264.6本章小结27第五章总结28参考文献29致30附录A 外文翻译-原文部分31附录B 外文翻译-译文部分38附录C 试验平台图片43附录D EIM0301D测控仪操作规程45第一章 前言1.1天然气发动机的优势与其分类1.1.1天然气发动机的优势天然气在21世纪世界能源供应领域中占有中要的地位。由于天然气汽车在排放方面具有明显的优越性，于

10、使用汽油车相比，天然气汽车颗粒物排放几乎为零，氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物的排放也显著降低，所以天然气汽车在改善空气质量方面有这重要的意义。与此同时，天然气汽车技术也得到了前所未有的发展，从过去的常压天然气汽车发展到压缩天然气，但是汽车在使用中仍存在一些问题，其中最为突出的是发动机功率下降、发送机服饰与早期磨损的问题。（1）社会环保效益显著蓝色燃料是以甲烷为主要成分的气态碳氢化合物燃料，包括天然气、石油伴生气、煤层气、炼厂气等。正是由于蓝色燃料这种蕴藏的广泛性、普遍性、所以不同的地区的蓝色气体成分有较大的差别，以此燃料为动力的汽车被统称为蓝色动力汽车。蓝色燃料通常含甲烷85%，氮含量约10%

11、，其余还包括乙烷、丙烷、氢、二氧化碳、一氧化氮、硫化氢和氦等。该混合气体燃烧后锁生成的有害气体显著低于汽油和柴油的，特别是当代先进的蓝色动力乘用车可以综合降低各类废气污染排放量的8212%，其中，非甲烷碳氢化合物可降低96%，碳氢化合物总量降低50%，一氧化碳可降低87%，二氧化碳可降低20%-30%，氮氧化合物可降低83%，铅化物可降低100%，硫化物可降低70%以上。此外，当在人口稠密的地区行驶时，蓝色动力汽车的臭氧烟雾生成量减少80%，温室气体排放量降低20%，不在有黑烟排出。为了减少汽车尾气中有害物质对大气的污染，世界各国都制定了汽车排放标准，而且其中有害成分的限制在逐年难度。使用天然

12、气作为汽车燃料可以大量降低发动机废气中各种有害成分，这也是工业发达国家使用天然气作为汽车燃料的一个最主要的原因。（2）有较高的经济效益在一样的当量热值时，世界各国一般将1立方米天然气的价格控制为1L汽油、柴油的一半。随着石化油气的逐渐枯竭，天然气的价格优势将更加明显。如果各类发动机的热效率比较近，则天然气汽车的燃料费用大约是汽油车或柴油车的一半。这不仅弥补了由于汽车的运行费用大幅降低。就汽车发动机而言，天然气容易扩散，在发动机中容易和空气均匀混合，燃烧比较完全干净，不易积炭，抗暴性能好，不会稀释润滑油，因而使发动机汽缸的零件磨损大大减少，使发动机的寿命和润滑油的使用期限大幅增长。这些都会降低汽

13、车的保养和运行费用，提高汽车的经济性。（3）使用安全经过美国、俄罗斯、意大利、加拿大、阿根廷、荷兰、澳大利亚等许多国家几十年的使用表明，燃气汽车是一种清洁安全的代用燃料汽车。汽车燃用天然气比燃用汽油、柴油更安全。从燃点看，天然气的自然温度高达650-680e，远高于汽油的228-471e、柴油的200-300e， 这一特性决定了天然气达到自然点起火的可能性比汽油、柴油小的多；从着火界限看，天然气着火界限围为5%-15%，汽油为113%-716%。天然气比空气轻，稍有泄漏，很快就会扩散到大气中，要形成天然气点燃的浓度比汽油难得多，因此，天然气作为汽车燃料是安全的。（3）燃料费和维修费 大大降低

14、按目前市场价格，1L93#为汽油8元，1立方米压缩天然气116元，1立方米天然气动力值等于1113L汽油。如一辆公交车每天用汽油250元，用压缩天然气只需花100元左右；一辆出租车每天用油70元，用压缩天然气只需花30元左右。燃油税开征后减半征收燃气税。发动机使用天然气做燃料，运行平稳、噪声低、不积碳、能拖延发动机使用寿命，不需经常更换汽油和火花塞，可节约50%以上的维修费用。1.1.2天然气发动机的分类 天然气发动机的分类方法常见的有根据携带天然气的方式和燃料种类多少分两种。根据燃料储存的方式不同，可分为压缩天然气，液化天然气发动机、吸附天然气发动机（ANG）和加氢压缩天然气（HCNG）发动

15、机，根据燃料种类多少，天然气发动机可分为两用燃料发动机、双燃料发动机，单燃料发动机、单燃料天然气发动机。 两用燃料发动机即具有两套相互独立的燃料供给系统，一套供给天然气，另一种供给天然气之外的的燃料，两套燃料供给系统可分别但不可同时共同向气缸供给燃料，如汽油、压缩天然气两用发动机。两用燃料发动机对发动机的改动较小，易于实现，但由于不能对两种燃料进行优化匹配，所以不能充分发挥两种燃料的性能。 在CNG发动机的发展初期，由于加气站设备不普与，同时制造厂家尚未开发出充分发挥CNG的性能的发动机，因此将现生产的汽油机改装为CNG、汽油机械式化油器两用燃料发动机。该发动机将CNG通过进气混合器将CNG通

16、入发动机的进气中。在燃料供给系统中，通过电磁阀切换供给CNG或汽油燃料。 为适应商用车降低排放污染和能源结构调整的发展需要，在CNG发动机的发展初期采用CNG和柴油的掺烧的方法，即通过在原柴油机的进气系统总增加天然气混合器，将天然气吸入，使天然气与空气形成可燃混合气，混合气进入缸后，用柴油喷射引燃，柴油和CNG的供给想需求量进行匹配，降低原柴油的供给量，低负荷时空燃比过大，甚至导致失火，而在大负荷时，由于发动机压缩比沿用柴油机压缩比，非常容易爆震，同时由于部分负荷柴油喷射量较小，喷油器的润滑和冷却问题成为影响发动机可靠性的新问题。玉柴柴油机/天然气双燃料发动机的研发表明，机械式的双燃料发动机由

17、于两种燃料均采用机械式控制，替代比只能达到50%，并且由于控制精度有限，柴油的增压压力的波动导致CNG发动机的供气量的变化从而影响发动机的可靠性。目前国外双燃料技术发展水平较高，加拿大西港公司所采用高压双燃料电控系统中，CNG和柴油共用一个喷嘴，可单独精确控制柴油、天然气的喷射时间和喷射量，CNG对柴油的替代率高达90%以上，同时达到满足欧四的排放法规需求，代表了双燃料的发展方向。单燃料发动机即只用一种品种的燃料发动机，如CNG发动机或LPG发动机。单燃料天然气发动机根据天然气的特性对燃烧系统、燃烧供给系统进行针对性开发，充分发掘发动机的潜能，发动机经济性、动力性、排放均比双燃料发动机好，是目

18、前气体发动机发展的方向。如根据天然气辛烷值高的特点，增大压缩比，同时利用增压中冷、稀薄燃烧技术，提升发动机动力性、可靠性同时降低排放、汽耗。国外CNG发动机绝大部分采用此种形式。并且采用电控喷射、增压中冷、高能点火，二元催化等发动机领域的高新技术。利用柴油机改装的火花点火式天然气发动机，在国外均已投放市场。1.2天然气发动机的增压1.2.1增压的分类 天然气发动机增压方式主要分为三类：机械增压发动机输出轴直接驱动机械增压装置（如螺杆式、离心式等），实现对进气的压缩。机械增压的特点是：不增加发动机排气背压，但消耗有效功率，总体布置有一定的局限性，增压压力一般也不超过0.150.17MPa，但是由

19、于是发动机曲轴直接驱动，所以对于发动机的瞬态响应比较好，对于加速性要求较高的车辆，如某些跑车所配备的发动机就使用机械增压。排气涡轮增压利用排气能量使排气在涡轮中进一步膨胀做功，用于驱动压气机的增压方式。特点是不消耗发动机的有效功率，增压器的布置比较灵活，涡轮还能降低部分排气噪声，进一步减少排气中的有害成分。涡轮增压包括多种方式，如二级涡轮增压等等。目前涡轮增压是应用最广泛的增压方式。气波增压利用排气系统中的压力波动效应来压缩进气；可变长度进气管直接利用进气压力波和进气惯性来增加进气量，实际上也是一种气波增压。气波增压结构简单，低工况时有较高的增压压力，工况的适应性好；但是质量和体积较大，安装受

20、限制，效率较低，运转时的噪声比较大，这些缺点限制了气波增压的应用。另外还可以将多种增压方式加以组合，称为复合增压，以获得更好的增压效果。比如将涡轮增压和机械增压组合，形成串联式或并联式的复合增压。1.2.2中冷技术 增压中冷天然气发动机是在压气机出口和发动机入口之间安置空气中间冷却器（中冷器），使增压后的空气温度降低、密度增大，增加循环进气量。发动机进气温度每下降1，最高燃烧温度和排气温度就下降23。增压中冷降低了增压后进气的温度，就能降低最高压力、压力升高率，以与最高燃烧温度，缓解了热负荷和机械负荷的增加。因此可以较大幅度的提高发动机功率，还可以提高经济性，降低排放，尤其是NOx的排放水平。

21、 中冷器的冷却方式按照冷却介质的不同，有水冷式和风冷式两种。 水冷式根据冷却水系的不同分为两种方式：用柴油机冷却系的冷却水冷却这种方式不需要另设水路，结构简单。但是由于冷却水的温度较高，在高负荷时对增压空气的冷却效果较差，因此只能用于增压度不大的柴油机中。用独立的冷却水系冷却柴油机有两套冷却水系，其中的一套用于中冷器。这种方式最好。水冷式中冷器一般应用在发动机中置或后置的车辆上，以与大排量发动机上。例如奔驰S400CDI轿车和奥迪A8TDI轿车搭载的发动机都使用了水冷式中冷器。风冷式根据驱动冷却风扇的动力不同，分为两种方式：用曲轴驱动风扇把中冷器置于冷却水箱前面，用柴油机曲轴驱动冷却风扇与行驶

22、时的迎面风冷却中冷器和水箱。这是车用柴油机的普遍冷却方式，但在低负荷时进气过冷，影响发动机性能。用压缩空气涡轮驱动风扇由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮，带动风扇来冷却中冷器。这种方式虽然效果较差，但是冷却风量随负荷变化，兼顾了不同负荷时的燃烧性能，而且尺寸小，安装方便。1.3涡轮增压器发展状况1.3.1国外发展美国、欧洲、日本和澳大利亚等国家和地区的重型卡车柴油机已100%采用增压器，中小型汽车柴油机采用增压器的达80%，轿车柴油机采用涡轮增压技术的和汽油机采用涡轮增压的也在不断增多。车用发动机主要采用径流式涡轮增压器。国外径流式涡轮增压器产品的研制开发和生产主要集中在美国的联信涡轮增压系统

23、公司、Schwizer(施韦策)公司、英国的Holset公司、德国的KKK公司、日本的MHI和IHI等几个大的集团公司。美国Allied Signal公司目前生产Garrert牌、AIReseareh牌、Roto-Master牌、Rajay牌涡轮增压器以与Garrett牌中冷器，生产厂遍与世界10个国家(美国、墨西哥、巴西、爱尔兰、英国、法国、意大利、日本、南和中国)。德国KKK公司是世界上生产小型涡轮增压器的著名厂商之一。为适应汽油机增压的需要，KKK公司积极开展瓷涡轮和隔热涡轮箱的研制开发工作，采用的新技术主要有;应用电子控制的增压压力调节装置来控制轿车或卡车发动机的增压；采用可调喷嘴的可

24、变截面涡轮增压器并开发出一套相配套的电子控制装置；旁通阀和涡轮箱铸成一体，从而简化结构，提高可靠性和降低成本；带有两个涡轮增压器的顺序增压器。瑞士的ABB公司以生产轴流式涡轮增压器为主，但也有部分径流式涡轮增压器产品。此外，国外生产径流式涡轮增压器的公司还有美国的AerodyneDalls（爱罗达因达勒斯）公司、德国的MTU公司、日本的Kornatsu(小松)、Toyota(丰田)、Nissan(日产)和Hitaehi(日立)等公司，但这些公司小型径流涡轮增压器产品的生产规模较小。1.3.2 国发展的状况我国从1958年开始涡轮增压技术的研究工作，经过几十年的开发、生产，增压技术有了较大的发展

25、，目前我国共有增压器生产厂家100余家，具有较大生产规模、技术质量水平较高并具有一定开发能力的厂家有：天雁机械XX公司、寿光康跃增压器厂、凤城汽车增压器厂、黎明增压器厂、江津增压器厂、潍坊富源增压器、霍尔塞特公司（中英对照合资）等。目前国在增压器开发技术、制造工艺、产品质量、生产规模等方面处于领先水平的是成立于1994年首家美国独资企业霍尼韦尔涡轮增压系统（）和中英合资企业霍尔塞特工程，经过10余年发展，它们已经分别达到30万台以上的产销规模。涡轮增压技术的发展与增压发动机未来发展的要求密切相关，主要是满足更高要求的排放法规和提高发动机的全工况性能。因此，要求涡轮增压系统有更高的热效率；在增压

26、系统与发动机的匹配上采用电子控制系统，使增压系统与燃油系统在发动机全工况实现最佳匹配；对涡轮增压器要求尺寸更小，质量更轻，同时要具有良好的可靠性，易于实现系列化生产等等。车用涡轮增压技术的特征总体来说,当今的车用涡轮增压技术主要具有以下4点特征：（1）小型化在发动机重量与体积增加很少的情况下，发动机不需要做重大改变，即很容易提高功率20% 50%。由于不像机械增压时压比受到限制,故近年来高增压的趋势越来越明显。高增压时，功率提高甚至可大于100%。因此，采用涡轮增压技术，可在功率保持不变的前提下，大大降低发动机的整体尺寸、这对发动机与车辆的小型化、轻量化和降低成本有巨大的吸引力。（2）节能涡轮

27、增压器的原理是利用发动机排放的废气来驱动涡轮机，涡轮机转动来带动同轴的压气机工作，压气机对将进入发动机的新鲜空气进行压缩，从而增加发动机的进气量，提高发动机的功率、机械效率和热效率，使发动机涡轮增压后耗油率可降低5% 10%。因此我们能用小功率的带涡轮增压器的发动机来代替大功率的自然吸气的发动机，从而达到节能的目的。（3）环保涡轮增压器能够使发动机节能，必将降低发动机有害气体和CO2的排放量。若把自然吸气发动机改成同样排量的增压发动机，因其空气供应充足，碳烟和CO的排放大幅度减少；由于燃烧充分，燃烧温度升高，燃烧室的化学反应更趋强烈，HC化合物的排放也会降低。但吸入气缸的空气量增加和燃烧室温度

28、升高，使平均有效NOx的排放量增加。同时，提高了充气温度，缩短了滞燃期，降低了燃烧噪声。（4）高原功率补偿在高原条件下，发动机气缸进气流量减少，空气中的含氧量降低，使燃烧过程恶化，后燃现象加重，燃烧持续期延长，冒烟加重。为了更好地组织燃烧，提高氧的利用率，采用涡轮增压技术，提高发动机的进气量，补偿因进气不足而损失的功率。1.4选题来源与意义采用增压技术可以提高燃机的动力性和燃油经济性，并可以节约能源、降低噪声，可以在高海拔地区使用时恢复发动机因空气稀薄导致的功率下降，适应高海拔地区车辆和工程机械作业的要求。特别是近年来世界各国对汽车排放法规控制越来越严格，发动机的增压器技术被放到越来越突出的位

29、置。因此，作者认为有必要以NC4JR120柴油机改造天然气系统的匹配为课题进行研究，意义在于：（1）进一步提高该型天然气发动机的功率，发掘潜在的动力性能；（2）满足用户需要、提高产品竞争力，从而进一步打开市场，提高市场占用率。1.5本文的研究容 作者以恒天动力天然气发动机研发实验室为研究平台，先期进行了试验计算，初定了两种增压器，拟定详细的试验方案。经过分析试验数据确定哪种增压器具有更佳的匹配效果。论证使用叶片可调涡轮增压器的可行性和运行的高效性，对增压器运行出现的喘振给出了分析，并针对如何提高增压器匹配性能提出调整建议。1.6本章小结本章简明讲述了天然气发动机的优势和种类，涡轮增压器的发展历

30、程和发展趋势。通过加装涡轮增压器的简易方法就可以大幅提高发动机的动力性能，减少有害污染物的排放，如何使涡轮增压器与天然气发动机匹配的性能达到最佳被提到日程上来。各国纷纷致力研究提升涡轮增压技术，不断改进涡轮增压器的设计制造理论和工艺，提出新设计的理念。本人以恒动天然气发动机研发实验室为研究平台进行试验。经过分析试验数据确定哪种增压器具有更佳的匹配效果。第二章 涡轮增压系统原理与选型 发动机的增压方式有许多种，按照压缩空气时源动力和涡轮增压器结构的不同，增压方式可分为机械增压、废气涡轮增压、气波增压、复合增压等。不同的增压方式各有其优缺点，但目前应用最为广泛的增压方式是废气涡轮增压。2.1涡轮增

31、压系统的原理 所谓废气涡轮增压，就是利用发动机排出的高温高压废气，来驱动增压器涡轮的高速运转，涡轮的高速运转带动与之同轴的压气机叶轮旋转，压气机叶轮从大气中吸入空气，利用压气机叶轮对空气压缩做功，使空气的压力增高，从而提高空气的密度，使得进入发动机的新鲜空气增多，使得发动机的功率大幅度提升。发动机采用废气涡轮增压后机械效率明显提高，燃油消耗率下降，发动机经济性得到改善，同时发动机工作在较大的过量空气系数情况下，燃烧较完全，排气污染得到改善。因此，废气涡轮增压系统得到广泛应用。 废气涡轮增压系统采用单离心式压气机，涡轮部分一般采用单级涡轮。按照废气在涡轮中流动方向来区分，有径流式和轴流式两种。一

32、般车用增压发动机多采用径流式废气涡轮增压，大功率发动机多采用轴流式增压，混流式涡轮增压也越来越多。目前车用增压发动机一般采用带旁通阀结构的径流式废气涡轮增压器，涡轮增压系统主要由离心式废气涡轮两部分。2.1.1离心式压气机 废气涡轮增压器中的离心式压气机一般由以下几个部分组成：进气装置,工作轮，扩压器，出气蜗壳。 （1）导流罩(也称吸气壳)：它是压气机的进气装置。新鲜空气从机车外壁通过滤清器吸入后，经导流罩进入压气机的工作叶轮。为减少损失，保证在工作轮进口截面处获得均匀的气流，常使空气沿着压气机的轴线方面进入工作轮。这种轴向进气道略呈收敛形，以形成有利的吸气条件。根据能量守恒原理，气流通过收敛

33、形的进气道后，速度稍有提高，故在工作轮进口处的气流压力和温度均比进口的大气状态有所降低，这有助于外界空气通过进气道源源不断地流入。 （2）工作叶轮：是离心式压气机的主要部分，是安装在涡轮所带动的压气转轴上的高速旋转元件。它的作用是把涡轮的机械能转换成空气的动能和压力能。工作叶轮的叶片一般为径向直叶片，空气沿着这些叶片组成的流道流动，并在极大的离心力作用下被甩向轮缘后流入扩压器，因为气流温度T、压力P、速度C均大有提高，因而拥有高的动能和压力能。为减小流动损失，使气流无冲击地进入工作轮，通常把工作轮叶片的前缘部分做成弯曲形状，称之为导风轮，起进气导向作用。工作轮主要有封闭式和半封闭式两种。封闭式

34、工作轮指叶片所组成的流道两侧被轮盖和轮盘封闭，使空气流经工作轮流道时与壳体之间没有摩擦，因此气流损失较小，效率较高，但由于结构复杂而很少采用。半封闭式工作叶轮只有轮盘，没有轮盖，空气流经流道时，会产生气流损失，并且部分气流会从一个流道越过叶片顶部进入另一个流道，造成潜流损失，但由于结构简单，易于制造，并有足够强度和刚度而得到广泛应用。 （3）扩压器：通常由无叶扩压器和有叶扩压器两部分组成。它的作用是把从压气机叶轮来的高速空气的动能转变为压力能，在扩压器中气流的运动速度降低，压力增高。无叶扩压器又称缝隙式扩压器，它是一个环形的空腔，具有平行的稍为收敛形的间壁。它的作用是使流出工作叶轮的高速气流的

35、速度均匀并使其稍有下降，以减小进入叶片扩压器时的流动损失。特别是当工作叶轮出口处的气流速度超过音速时，通过无叶扩压器可使气流速度下降到小于音速，避免气流冲击波。 （4）出气蜗壳：它的作用是收集从扩压器来的增压空气，使增压空气沿着按气流运动规律，并沿着其圆周逐渐增大的流通截面。2.1.2废气涡轮 废气涡轮主要由涡轮进气壳，喷嘴环，工作轮，涡轮出气壳和涡轮轴五个部分组成。 废气涡轮的主要部件是喷嘴环和工作轮。喷嘴环是径向排列着的导向叶片的圆环，在工作轮的圆周边缘上嵌有一圈的工作叶轮片。当废气流进工作轮叶片时，由于气流在通道转弯，产生离心作用，以与气流的相对速度增加对叶片产生反作用的缘故，气流在叶片

36、的凹面上压力提高，而在叶片的凸面则压力减小。作用在工作叶片表面压力的合力，就形成了推动工作轮旋转地扭矩。 按照废气在涡流中的流动方向，废气涡轮可分为轴流式和径流式两大类。在轴流式涡轮中，废气沿涡轮旋转方向流动。当流量较大时效率较高，适用于大流量的废气涡轮增压器。在径流式涡轮中，废气沿与涡轮旋转轴线垂直的平面径向流动。在流量较小时，它的效率较高，制造又较简单，适用于小流量的废气涡轮增压器。 （1）涡轮进气壳。涡轮进气壳把发动机和增压器连接起来，将发动机排出的废气，按照喷嘴环进口形状均匀地进入喷嘴环，以减少流动损失，充分利用废气能量。由于废气温度高（一般控制在600），速度也高，涡轮进气壳的通道截

37、面要按一定规律变化，通道表面要求光滑，以减少气流阻力损失。 （2）喷嘴环。喷嘴环安装在涡轮进气壳与工作轮之间，废气从这里引入工作轮。喷嘴环的导向叶片均匀地分布在喷嘴环上，叶片间的通道是渐缩的，叶片在喷嘴环的出口处有一定的出口角，这样，废气在流过喷嘴环后，均匀、高速并朝着一定的方向冲击工作轮叶片。喷嘴环对涡轮的工作性能影响很大，因此对制造加工的要求较高，通道的表面要求光洁，导向叶片的出口角与喷嘴环出口面积都要求精确。 （3）工作轮。工作轮是把从喷嘴环出来的高速废气的功能和压力能转换成机械功的。其结构依径流式涡轮与轴流式涡轮而不同。径流式涡轮的工作轮叶片一般都与轮盘做成一体。叶片的叶形目前大都采用

38、抛物线形，工作轮的形式有半开式和星形。轴流式涡轮的工作轮由工作叶轮和轮盘组成，结构比较复杂。其连接方式有整体式和装配式两种。 （4）涡轮出气壳。涡轮出气壳是将已作了功的废气引出涡轮增压器，它在涡轮增压器的几个壳体中间，起着支架的作用，支撑整个增压器的重量。 （5）涡轮轴。涡轮轴将涡轮工作轮和压气机工作轮连接在一起，传递扭矩。工作轮与涡轮轴的连接方式有体式和装配式两种。整体式是将工作轮的轮盘与涡轮轴锻成一体，或焊接成一体。这种涡轮在工作时，轮盘不会松脱，动平衡不易破坏，零件少。但有部分零件损坏后不易修复。装配式优缺点与整体式正好相反，其是将工作轮的轮盘与涡轮轴用键连接。2.2增压系统对发动机工作

39、过程与性能的影响 一台性能优良的发动机，主要表现在比功率大、比质量小、燃油消耗率低，排放污染小，工作可靠，使用寿命长，操作方便，等等。而影响燃机功率大小的因素很多，可以表达为：其中，为有效功率,为气缸数，为气缸工作容积，为燃料低热值，为化学计量比，也就是燃烧1燃料所需要的理论空气量；为冲程数；是充量系数；是指示热效率；是空燃比；是机械效率；是发动机转速；是发动机进气密度。 由上式可知，提高燃机的功率主要有下列途径：结构方面，增大气缸直径和活塞行程，增加气缸数。在工作过程方面，采用二冲程，提高充量系数，改善燃烧过程，优化空燃比。在提高机械效率方面，减少摩擦损失，优化设计风扇、水泵、机油泵等辅助系

40、统。在运行方面，适当提高发动机的转速，等等。 但是，简单的更改发动机的缸径等几何参数，会使得发动机结构复杂笨重，而且大大增加发动机的生产成本；二冲程则会降低热效率；高转速增加了摩擦损失，而且增加了运动件的惯性力。只有采用增压技术改进柴油机，可以提高充量密度，大大提高功率，改善燃烧过程和经济性，降低排放以与噪声。目前，世界上对柴油机进行增压已经是基本设计。从动力性角度，燃机所能发出的最大功率主要是由燃料有效燃烧发出的热量决定的，而这受到每循环吸入气缸实际空气量的限制。如果空气在进入气缸前得到压缩，空气密度增加，则可以进入更多的新鲜空气，因而可以增加循环供油量，获得更大的输出功率。从经济性角度，发

41、动机的进气得到压缩，换气过程形成正的泵气功，涡轮增压还能利用一部分排气能量，发动机的指示热效率有所提高；因为有扫气作用，缸残余废气系数降低，同时减少了对进气的加热，充量系数得到提高；机械效率也随增压度的提高而提高。所以根据式发动机的燃油消耗率有所降低，经济性提高。从排放角度，增压发动机一般采用相对较大的过量空气系数，所以燃烧可以更充分，HC、CO和碳烟排放都降低。CO是柴油不完全燃烧的产物，增压后，过量空气系数增大，排放中的CO减少。的生成率随温度升高而急剧上升；发动机增压后，缸温度升高，加速了NO的生成。由于增压后，缸富氧，温度较高，燃烧反应加快，因而HC含量减少。发动机的增压在发动机的总质

42、量和体积基本不变的情况下，输出功率得到较大提高，提高了升功率、比质量功率和比体积功率，降低了单位功率的造价；增压有利于高原稀薄空气条件下恢复功率；增压可以使滞燃期缩短，降低压力升高率和燃烧噪声；对于涡轮增压，排气在涡轮中进一步膨胀，降低了排气噪声。2.3 涡轮增压器模型分析涡轮增压系统模型由压气机模型、涡轮模型、增压器动力学模型、发动机模型四大组成部分。废气涡轮增压器是由压气机和燃气涡轮组成，压气机通常采用单级离心式、径向叶轮和无叶扩压器，而燃气涡轮的型式取决于增压器的大小，小型涡轮增压器的废气涡轮一般采用径流式涡轮，大型废气涡轮增压器则采用单级轴流式涡轮。废气涡轮增压器在稳定运行过程中必须满

43、足涡轮与压气机能量平衡、流量平衡与转速相等三个条件。2.3.1压气机模型压气机的质量流量、效率、转矩和压比有如下关系：根据增压器生产厂家提供的压气机特性曲线，给出压气机的转速和流量，即可得出压气机的压比和效率，由、和,根据牛顿定律，可求出压气机消耗的扭矩，即（2-1）式中，为气体常数；为等熵指数；为环境温度。2.3.2 涡轮模型涡轮的质量流量、效率、转速、膨胀比有如下关系：,。根据涡轮特性曲线，给出涡轮的转速和流速，即可得出膨胀比和效率。由、 和，根据牛顿定律，可求出涡轮所发出的扭矩,即 （2-2）式中，为气体常数；为等熵指数；为燃烧室出口温度。2.3.3 增压器动力学模型废气对涡轮所做的功一

44、部分用于压气机压缩空气，另一部分则消耗于摩擦损失（不计散热损失）得增压器转子扭矩的平衡方程： （2-3） （2-4） 式中，为增压器的转动惯量，,为摩擦系数。2.3.4 发动机模型（1）发动机流量忽略残余废气系数，进入气缸的气体流量可按下式计： （2-5）式中，为气体充气效率，仅是发动机转速的函数，可由发动机台架试验测得；为发动机气缸排量；为发动机转速；为增压压力；为增压温度。（2）扭矩按下式计算： （2-6）式中，为发动机指示热效率；发动机转速和空燃比的函数，可由台架试验测得；为单位时间喷入气缸的燃油量；为燃油低热值。（3）摩擦扭矩 可采用一个反映平均摸彩压力与转速间函数关系的经验公式： （

45、2-7）式中，为平均摩擦压力；为系数；为活塞平均速度。摩擦损失扭矩： （2-8）（4）发动机动力学模型发动机转动的平衡方程： （2-9）式中，为负载扭矩；为发动机转动惯量。2.4涡轮增压器的选型2.4.1天然气发动机简介NC4JR120天然气发动机原机为1台多点喷射电控柴油机，排量为2.8L，压缩比为11.2，最高转速为3600r/min。在原柴油机的电控系统基础上，加装1套天然气电控喷射系统，电子点火系统。实现对天然气发动机空燃比控制、点或控制，怠速控制与VNT控制等功能。图2-1天然气供气系统NC4JR120天然气发动机供气系统主要由高压气瓶、天然气气路关电磁阀、天然气喷射阀组成，气瓶储存

46、的约20MPa高压天然气经减压阀后压力降低为0.5MPa左右，然后供入天然气喷射阀喷入各缸进气歧管。系统中的天然气喷射阀选用了KEIHIN燃气喷嘴。2.4.2天然气发动机增压系统选型天然气发动机增压面临着与汽油机增压同样的技术难题，其主要技术瓶颈在于爆燃、混合气控制、热负荷和增压器的特殊要求等方面：（1）天然气发动机增压后，由于进气温度和压力提高与燃烧受热零件热负荷升高等原因，将促使爆燃发生。本文中原柴油机的电控系统匹配有爆震传感器，爆震控制功能确保了天然气发动机点火控制的可靠性；（2）混合器式天然气发动机进行增压时，气流流经混合器喉口的压力是变化的，使混合气的浓度难于精确控制。本文采用电控燃

47、气喷射技术，降低了天然气发动机增压器匹配的难度；（3）天然气发动机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀比小，排气温度比柴油机高200-300摄氏度。因此，增压天然气发动机的热负荷严重，应采用空-空中冷器冷却进气；（4）天然气发动机增压比低、流量围广、热负荷高、最高转速高且转速围大。这就要求增压器体积小、耐高温性能好、转动惯量小、效率高。为了适应天然气发动机在宽广转速围工作，同时避免爆震现象出现，一般情况下采用对增压压力进行控制。常用控制方法为： （1）采用放气阀。在放气阀包括进行进气放气阀和排气放气阀。采用排气放气阀是较为普遍的方案，为了确保低速性能，放气点悬在发动机最大转矩点处，发动机高速工作

48、时，通过旁通阀放出涡轮前的一部分废气，以降低增压器转速和压比来限制最高燃烧压力。这是目前采用较多的方法，不足之处是由于放走了一部分废气，造成了能量损失，牺牲了增压器的效率，发动机高工况情况的燃料消耗率有所增加。 车用发动机一般采取高工况下放部分废气不经过涡轮做功而直接排入大气。与变截面涡轮增压方式相比，在高工况下由于部分排气没有经过涡轮做功便排出，是一种能量上的浪费，经济性不如前者，但是结构简单，成本低廉，可靠性高，通过与发动机的良好匹配，通过提高常用工况的性能，牺牲部分非常用工况的性能的方式，一样可以满足使用要求。（2）采用可变截面涡轮增压器。可变涡轮截面增压器包括：通过改变喷嘴环叶片角度的

49、VNT与轴向变 涡轮形式的涡轮增压器。由于VNT可以在不损害高工况经济性的同时使低俗转矩提高，并可扩大低油耗运行区，提高发动机的加速性。可变截面涡轮增压系统的基本工作原理是从低速到高速通过分段或连续改变涡轮截面，来提高发动机低工况时的过量空气系数。燃气通过涡轮喷嘴叶片时，根据柴油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度和当量流通面积，使进入涡轮叶片的气流参数发生变化，从而达到涡轮增压器与柴油机在各工况下有良好的匹配。变截面涡轮增压系统还可以提高柴油机的瞬态特性和降低瞬态排放。喷嘴出口面积可由以下公式计算：喷嘴环出口面积；喷嘴环截面形心半径；喷嘴环出口气流角变截面增压器有多种实现方式，对有叶喷嘴，

50、改变叶片的安装角，可以改变气流的出口角度，从而改变喷嘴环的出口截面积，相当于改变了面径比()；对于无叶喷嘴，则在涡壳设置辅助装置用以改变值。通过调节喷嘴环叶片角度来改变蜗壳喷嘴出口面积。发动机低速时，通过关小喷嘴换环减小涡轮流通截面积，使增压压力提高，从而改善发动机的低速特性；发动机高速时，喷嘴环逐渐打开，涡轮流通截面积增大，使增压压力相对减小，解决增压过量的问题。本文采用菱重生产的TF035HM作为普通增压器，再加装步进电机作为VNT截面可调增压器，可调涡轮增压器的执行机构采用步进电机控制，控制方案如下图所示。通过改变可变喷嘴环控制拉杆位置，实现对涡轮喷嘴环叶片角度的调整，并通过可变喷嘴环控

51、制拉杆位置，传感器检测的控制拉杆的实际位置，对可变喷嘴涡轮增压器进行闭环控制。图2-2 VNT增压器执行机构2.5本章小结本章介绍了涡轮增压器的组成与原理，天然气发动机与涡轮增压器的选型。涡轮增压器由离心式压气机和废气涡轮组成。压气机由进气装置、工作轮、扩压器、出气蜗壳组成。废气涡轮由喷嘴环和工作轮等组成，涡轮增压器的调节方式有排气调节和变截面调节。分析了涡轮增压器模型,并且确定了发动机型号和涡轮增压器的型号。第三章 试验组织3.1 试验条件在进行性能试验时，应在以下大气状态下进行：温度（）：283KT313K 0=273.15K气压（）：80kPa110 kPa当试验的大气状态与标准大气状态

52、（温度=298K，干空气压=99 kPa）有差异时，应对实测功率进行校正，对于天然气发动机，有：=式中：校正功率（即标准大气状态下的功率）；校正系数；实测功率为使试验有效，校正系数ad应满足：0.91.1。在试验中，预热发动机，使水温、油温达到要求。对发动机按下述要求控制:冷却水温度：85士10 ；燃气温度38士5 ；涡前温度720，涡后温度620；机油温度95士15，在整个试验过程中尽量保持不变。3.2试验方案试验在恒天动力NC4JR120试验平台EIM0301D测控仪上进行。方案：试验增压器匹配试验分别在工况点3600 r/min、3200 r/min、2800 r/min、2400r/m

53、in、2000r/min、1600r/min、1200r/min、800r/min下的外特性点，在测量的过程中同时记录天然气消耗量、扭矩、功率，节气门位置调到最大位置，根据工况点顺序，发动机由高速向低速进行，依次调节WE33水力测功机系统改变负荷，使发动机在每一工况点稳定运行不少于1分钟后，测量并记录各个数据。3.3试验用主要设备、仪器表3-1 试验设备列表名 称型 号 规 格精 度制 造 厂WE33水力测功机1%奕科机电技术发动机转速气耗仪ToCeiL-CMF0250.35%同圆发动机测试工程技术排气表EIM0301D测控仪1%奕科机电技术油温表EIM0301D测控仪1%奕科机电技术水温表E

54、IM0301D测控仪1%奕科机电技术油压表EIM0301D测控仪2.5%奕科机电技术大气压力计定槽式0.5%气象仪表厂湿度测量计YB-272大气干湿球温度计医用仪表厂空气流量计ZA13.F7德国AERZEN公司 3.4 数据采集3.4.1 采集手段发动机工作循环的功率、曲轴转角和油管压力等信号分别送入WE33水力测功机、ToCeiL-CMF025发动机转速气耗仪等仪器并实时显示。如果情况异常，须重新采集。3.4.2 试验平台简图NC4JR120增压器排气表空气流量计大气废气油温表油压表测功器湿度计大气压力计气耗仪 水温表图3-1 试验平台简图3.5 本章小结本章介绍了试验进行的外部条件，对冷却

55、系统水温、排气温度、机油温度等都进行了限定，这样保证了试验的规性。其次，提出了增压器匹配试验的方案，即在所选工况点由高速到低速测发动机外特性点。最后，详细罗列了试验所用到的试验仪器，讲述了部分仪器的检测原理，并展示了总体试验平台的简图。第四章 试验结果与分析4.1增压天然气发动机试验增压天然气发动机试验所用测功机为奕科机电技术生产的WE33水力测功机，采用ZA13.F7空气流量计测量进气量。排气温度采用镍铬康铜热电偶检测，增压器前后压力采用定槽式大气压力计，并采用增压器转速表检测增压器工作状态。为兼顾增压天然气发动机的动力性与热负荷，混合气过量空气系数确定在1.2左右。涡轮喷嘴环开度的调控目标

56、确定为发动机外特性以最佳动力性为优化目标。试验过程中以最高排气温度和最高增压压力为约束条件，考虑涡轮增压器涡轮材料的耐温限制，最高排气温度限制在720摄氏度以，并且考虑发动机的机械负荷和热负荷限制，最高增压比限定在1.8以。通过天然气发动机与VNT的匹配试验，研究了增压天然气发动机VNT调节规律，通过对发动机不同增压方式下的经济性、动力性对比，以验证可调截面涡轮增压器的优势特点。4.2天然气发动机VNT匹配规律 通过匹配试验得出了VNT喷嘴环叶片调节控制规律，如图所示。喷嘴环叶片全开区喷嘴环叶片调整区图4-1 VNT调节控制的工况围由于天然气发动机为量调节方式，因此VNT叶片开度调节规律与柴油

57、机显著不同。天然气发动机的规律调节主要通过调节节气门开度来实现。在天然气发动机转速一定时，随着发动机负荷的增加，节气门开度增大，发动机输出功率增压，但功率随节气门开度的增大而增大的趋势由快变慢，当节气门开度增大至一定开度后，功率不再增大，出现功率停滞现象。发动机转速越低，发生功率停滞的节气门开度就越小，因此，增压天然气发动机VNT开始调节的节气门开度也越早。当增压天然气发动机节气门开度增大至出现功率停滞现象后，逐渐减小废气涡轮喷嘴环叶片的开度，使蜗壳喷嘴出口面积减小，排气流速增大，从而使增压器转速上升，提高了增压压力和进气密度，使发动机的功率和转矩提高。因此，VNT调节规律不仅与节气门开度有关

58、，也与发动机的转速有关。在天然气发动机中低负荷时，输出功率的控制通过节气门开度调节来实现，而VNT叶片开度保持全开，以降低排气阻力，减小泵气损失，改善经济性。而当发动机输出大道较高负荷时，为了进一步提高输出转矩，需逐步减小VNT叶片开度，以提高涡轮转速，进而提高增压压力，使输出转矩增大，提高动力性。4.3增压天然气发动机负荷特性 图4-2为发动机转速为2000r/min时，普通增压天然气发动机与VNT增压天然气发动机的负荷，图4-3为该转速下VNT叶片的调节规律。图4-2 普通增压天然气发动机与VNT增压天然气发动机的负荷特性图4-3 VNT调节规律与功率由图4-2可见，在中低负荷工况下，VN

59、T增压天然气发动机燃料消耗率低于普通增压天然气发动机，主要在于部分负荷工况下天然气发动机功率调节主要由节气门开度控制，节气门部分开启时，由于压气机与废气涡轮的存在增大了进排气阻力，使泵气损失有所增加。因而，在发动机部分负荷下，废气涡轮喷嘴环叶片全部打开。随着发动机负荷的增加，节气门开度增大，当节气门开度达到50%左右，普通增压天然气发动机在转速为2000r/min时输出功率达到50kw左右，节气门开度继续增大，功率输出出现停滞现象。由于全负荷混合器浓度增大，天然气发动机的燃料消耗有所增加。VNT增压天然气发动机随着节气门开度的增大，输出功率增加，当节气门增大到50%时，输出功率出现停滞时，逐渐

60、减小废气涡轮喷嘴环叶片开度，使增压器转速上升，进气压力提高，增压天然气发动机在转速为2000r/min时，全负荷输出的最大功率可达56kw，在机械失功率变化不多的情况下，由于高负荷下增压天然气发动机的有效功率提高，因此机械效率提高，增压天然气发动机的燃料消耗率降低。4.4增压天然气发动机的外特性下图为普通增压天然气发动机与VNT增压天然气发动机的动力性与经济性对比。天然气的消耗量是根据空气流量和过量空气系数计算得出的。图4-4外特性天然气消耗率随转速不同的变化图4-5外特性功率随转速不同的变化图4-6 外特性转矩随转速不同的变化从天然气发动机采用VNT增压前后的外特性转矩与功率对比可以看出，采

61、用VNT增压技术后，发动机的功率和转矩显著提高，最大功率从71 kw提高到77 kw，最大转矩从282Nm提高到292Nm，且最大转矩点转速越低。这主要是由于采用VNT增压后，在发动机低速时，可通过适当哦喷嘴环开度，在一定程度上提高增压器和增压比，从而提高发动机的低速转矩。从天然气发动机VNT增压前后的天然气消耗率对比可以看出，VNT增压天然气发动机全负荷工况的经济性比普通增压天然气发动机有改善，尤其是在低速围，因而提高了经济性。综上所述：（1） 可变喷嘴涡轮增压器通过改变喷嘴环叶片的角度来调节涡轮喷嘴环流通截面，同时改变进入涡轮叶片气流的进气角，对废气有较好的引导作用，因此在整个工作围有较高

62、的效率，并可扩大低燃料消耗率运行区，提高发动机的性能。（2） 天然气发动机VNT调节规律不仅与节气门开度有关，也与发动机转速有关。天然气发动机匹配VNT系统后，最大功率从71kw提高到77kw，最大转矩从282 Nm提高到292 Nm，改善了发动机的动力性和经济性。4.5 离心压气机喘振分析根据天然气发动机排温高的特点，选用水冷中间体增压器解决因排温过高导致机油结胶问题，同时由于本天然气发动机采取预混合技术路线，为提高发动机功率，增压器压力相对较大，但由于天然气占混合器体积比例约10，导致空气实际流量较小，增压器容易喘振在离心压气机的工作特性线上对应每一条等转速线都有一个确定的最小流量，称为该转速的压气机喘振点流量。当流量再继续减小时，流道的气流发生强烈的振荡或倒流，并伴随间断性的爆破音或啸叫，机组无常工作。很多因素可能引起喘振，如叶片扩压器失速、压气叶轮失速、工作轮失速、无叶扩压器不稳定工作或以上诸因素的合成。这里讨论叶片扩压器与压气叶轮引起喘振的现象。在增压发动机上，如果遇到压气机喘振，这时发动机进气管压力便不稳定，发动机转速随之不稳定，在发动机进气管中发出“轰隆轰隆”的响声，整个机组振动加剧。这两个