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涡轮增压器设计选型

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涡轮增压器设计选型_第1页
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涡轮的各项指标,规格以及型号划分A/R:AREA 慎'A代表出口面积 R代表压缩半径很多人认为a/r代表涡轮的大小,其实这是被涡轮上仅有一个能看见的数字误导了A/R比值代表涡轮壳体内的 容积大小,这个数值决定了排气从壳体内流过的速度A/R决定了排气叶轮的反应速度,a/r越大,壳体的最高 流量越高,但是在同等压力下,a/r值小的壳体排气流速就会比较快一般这个数值在排气外壳的选择上比较重 要,因为我们总是为涡轮的反应速度而头疼,a/r则是决定涡轮反应素的一个重要数据Trim:TRIM = ( Dp / Dg )² x 100简单来说,trim是叶片大直径和小直径的比值,这个比值决定了涡轮的最高流量无论排气叶轮和进气叶轮都 是一个道理举例说明:Dg=50 Dp=35Trim=( 35/50 )²x100 =49涡轮与发动机的匹配:以下部分我们讲的是如何计算引擎需要的空气体积或质量,并选择适当型号的涡轮去匹配你的引擎这也要提 及到关于温度,压力和中冷系统对于引擎性能影响的内容引擎流量方程式volume of air (cu ft/min)= engine rpm x engine cid (1728 x 2)在四冲程自然吸气式发动机中,每个气缸在吸气过程中理论上可以吸入的最大空气量等于该气缸的体积(0.7854 x内径x 口径x冲程)。

由于每个气缸在曲轴转两周的过程中就有一个吸气冲程,那么在曲轴每转一 圈中气缸理论上可吸入的最大空气量就等于气缸容积的一半这个方程式是讲解如何计算出多少体积的空气进 入到引擎内举例说明,一台231立方英寸排量的发动机,进气气门每当引擎转动两周都会打开一次,那么, 引擎没转两周就会吸入231立方英寸的空气那么在同体积下有多少磅的空气进入引擎,就要看近期的压力是 多少,但是引擎每两转周的进气体积体积永远是231立方英寸注:1 立方英寸=16.387064CC 231 立方英寸=3785.411784CC理想气体定律 P(绝对压力)V(容积cu.ft/min)=n(进气量lb/min)RT(绝对温度)理想气体定律是一个非常有用的方程式,它把进气压力,温度,进气体积和进气量联系到了一起,如果你知道 其中任意三个数值,就可以求出来另外一个其中P是绝对压力,并非我们的压力表上看到的“相对压力”V是近期体积 R是个常数 T是绝对温度绝对压力是我们表读出来的相对压力加上大气压力在0海拔高度的大气压力位14.7psi例如我们表上显示 17psi的压力,那么绝对压力就是17+14.7=31.7psi绝对压力单位是psia (psi absolute),而表读压力的单位 是 psig(psi gauge)。

绝对温度是华氏温度加上460这个常量(此为兰金刻度单位deg R)如果我们外部温度为80华氏度,那么绝对 温度是 80+460=540degR理想气体定律可以在任何变化的数值下成立例如,如果你已知压力,温度,和进气体积,那么你可以计算出 进气量(磅) n=PV/(RT)当我们知道增压的压力,进气体积(可以通过上一个公式可以计算得出)和进气温度的时候,我们可以算出有多 少空气进入了引擎,你的引擎还可以压榨出多少动力下面是理想气体定律的几个变形公式如何计算进气量 n(lbs/min)= P(psia) x V(cu.ft./min) x 29 (10.73 x T(deg R))如何计算进气体积 V(cu.ft./min) = n(lbs/min) x 10.73 x T(deg R) (29 x P(psia))容积效率 VE 和 压缩空气温度的影响如果世界上什么事情都可以做到完美的话,我们当然要把燃烧室内压满空气如果进气歧管内压力达到17psi, 我们当然想让燃烧室内,到进气气门关闭之前都能达到 17psi 的压力但是事实是残酷的,一般情况下来说这 是不可能的由于气缸内残留的废气和进气管道实际流量的限制,实际进气量要少于理想的进气量的。

实际流 量除以理想进气量就是我们这里谈的容积效率对于一般自然吸气引擎来说,容积效率只能达到 85-87%,如果加上大气门,高角凸轮轴,进气抛光等工序的 改装之后,在某些转速区域下,由于气体惯性的关系,有可能会达到 100%的容积效率,但通常来讲,这是很 难做到的所以我们必须要计算出到底有多少空气进入了我们的引擎实际进气量 = 理想进气量 x 容积效率举例说一下,还是以第一个方程式的 231 立方英寸排量的引擎为例来计算一下有两台一样的引擎,工作转速 同为 5000 转,一个有中冷系统,另外一个为无中冷系统,那么有多少体积的空气被吸进去了呢?V(CFM) = 5000 x 231 = 334.2 cfm 1728 x 2我们可以看到两个引擎吸进去的空气体积是一样的同样,我们可以计算出实际的进气量则有很大的出入比如其中一台没有中冷系统的引擎,进气压力位19psi,进气歧管内温度为250华氏度,那么多少空气被利用 上了呢?Absolute temperature = 250 deg F + 460 = 710 deg RAbsolute pressure = 19 psig + 14.7 = 33.7 psian (lbs/min)= 33.7 psia x 334.2 cfm x 29 = 42.9 lbs of air per minute (ideal) 10.73 x 710 deg Rlbs air per minute actual = lbs/min ideal x VE = 42.9 x 0.85= 36.4 lbs air/minute如果另外一台有中冷系统的引擎会怎么样呢?进气歧管内温度为130华氏度,进气歧管内压力只有17psi的压 力。

Absolute temperature = 130 deg F + 460 = 590 deg RAbsolute pressure = 17 psig + 14.7 = 31.7 psian(lbs/min)= 31.7 psia x 334.2 cfm x 29 = 48.5 lbs of air per minute (ideal) 10.73 x 590 deg Rlbs air per minute actual= 48.5 x 0.85= 41.3 lbs air/minute从以上对比,我们看出有中冷系统的引擎虽然进气压力比另外一台低了 2psi,但是实际进气量则多了很多,中 冷引擎为41.3磅,无中冷引擎为36.4虽然这个道理大家都很明白,但是这里给各位从理论角度讲解了为什么 温度影响进气量涡轮增压器的压气机涡轮的进气侧(compressor)是涡轮吸气,压缩并把空气压紧进气歧管内的部分档空气的分子被快速旋转的 叶片吸进去,并被甩到外侧的过程种,空气分子被强制堆积到一起,这造成了压力大家都知道,进气叶片的动力来源于同轴的排气叶轮但是并非所有来自排气侧的能量都用于压缩空气,而有 一部分热量使进气温度升高(这同样也是能量浪费的一个过程),这就要感谢我们人类,不能做出来完美的机械 设备。

由于压气机的设计,空气是一直在被搅拌的状态当中,同样会产生大量的热量,就好比咱们天冷的时候 搓搓手,进气叶片与空气,空气分子之间的不停摩擦,就会产生大量的热量如果你把来源于排气侧的能量划分出来一部分用于增加进气压力,那么这一部分用于增压的能量被称之为“压气 机效率”举例来说,如果压气机的效率是70%,那么只有70%的能量用于增加压力,而余下的30%是用来制 造了多余的热量这就是为什么,我们所有人都在喊“我要高效率的增压器”丹麦的Rotrex机械增压,美国的 Vertech机械增压和涡轮增压器都被称之为离心式机械增压器因为他们通过同样的方式来对空气进行搅拌、压 缩,同样是只有70-80%的工作效率而双螺杆式机械增压则通过不同方式来对气体进行压缩,高效率的螺杆 式机械增压的容积效率可达到100% !而Eaton为首的鲁式增压器则只有40%左右的效率那么怎么样才能知道从压缩之后的气体到底有多热呢?Tout = Tin + Tin x [-1+(Pout/Pin)0.263]efficiencyTout:出口温度 Tin:进口温度 Pout:出气口压力 Pin:进气口压力举例来说,如果进气口温度为70华氏度,吸气口压力位-0.5psig,出气口压力为19psig, efficiency效率为72%, 出气口压力是多少呢:Tin= 70 deg F + 460 = 530 deg R Pin= -0.5 psig + 14.7 = 14.2 psiaPout= 19 psig + 14.7 = 33.7 psia Pout/Pin = 33.7/14.2 = 2.373 (压气机内部压缩比)Tout = 530 + 530 x (-1+2.3730.263 ) = 717.8 deg R - 460 = 257.8 deg F我们需要想到的是,压气机的压力并不是一直不变的,出气口压力取决与压气机吸入的气体体积(不是进气量,而是体积,单位CFM)和转速。

压气机的性能表现可以通过增压曲线图来解释FiQURE 1O-弍口口Z_E:O1迂口4DDL.ao].6O2口& 33OO1.2Qi.oci目 I尽 FLOW,DO ppn= KJ■v-rID/&4sH蒂d M罡豈聽Lu臣£.0074W大家看上面这张压缩曲线图下面的横坐标定义为进气量(磅/分钟)纵坐标为出气和进气压力比值(增压器的压 缩比)这上面有两组不同的曲线:效率曲线和转速曲线被划线部分是工作范围在限定范围内,增压器的工 作是最好的当然了,如果你想让涡轮超出这个曲线的范围,得到更高流量也可以,但是这对增压器本身非常 不好如果超出曲线左侧的”surge limit”,增压器会非常不稳定,压力会没有规律的上蹿下跳,这就是所谓的 surging这种不正常的操作会导致增压器完全报废,而且会影响到引擎下面给大家讲解一下如何利用这张图来选择适合自己的增压器咱们还用之前距离的231立方英寸排量的引擎为例,通过中冷之后进气量为41.3磅/分钟,进气压力位-0.5psig, 温度为70华氏度,现在我们把它作为标准的温度和压力Corrected flow = actual flow x 仃 in/545)0.5 (Pin/13.949)我之所以用13.949,是因为把所有绝对压力替换为英寸汞柱(此图为盖瑞特的标准)。

13.949psia=28.4英寸汞柱29.92英寸汞柱是在海平面的大气压力,那么29.92-28.4=1.52英寸汞柱真空压力 这才是标准的吸气压力标准的进气温度为545DegR,或者545-460=85华氏度 那么我们把外部条件从70 华氏度,-0.5psig换算为85华氏度,-0.75psig(或13.949psia绝对压力,或-0.75psi真空压力,或1.5英寸汞 柱真空,或随便什么你习惯的单位)Tin = 70 + 460 = 530 deg R Pin = -0.5 + 14.7 = 14.2 psiaCorrected flow = 41.3 x (530/545)0.5 = 40.0 lb/min (14.2/13.949) 然后我们在横坐标上标出这个点,然后从这一点做一条向上的垂直线其实用流量表来测量进气量是更好的做 法比如 TurboLink,TurboLink 的测量单位是克/秒换算为磅的话需要乘以。

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