涡轮增压器与燃气发动机的匹配及主要增压参数的计算

2008年第6期(总第108期) 内燃机与动力装置I．C．E＆Powerplant 2008年10月 【研究】 涡轮增压器与燃气发动机的匹配及主要增压的计算 苏展望，庞志伟，郭军良。徐树伟 (胜利油田胜利动力机械有限公司，山东东营257032) 摘要：增压燃气发动机要获得良好的性能，就必须解决好燃气发动机与增压器的匹配问 题，因此如何实现燃气发动机与增压器的良好匹配是一个十分重要的问题。本文重点介绍了 预混合后增压燃气发动机增压器选配时主要增压参数的计算分析，并提出了燃气发动机定压 排气系统涡轮增压器匹配的基本步骤，为增压器的匹配设计提供依据。 关键词：燃气发动机；增压器；匹配；预混合后增压；增压参数 中图分类号：TK433．5文献标识码：A文章编号：1673—639r7(2008)06—0015—03 MatchingTestofTurbochargerandGasEngineandCalculationonKey TurbochargedParameters SUZhan—wallg，PANGZhi—wei，GUOJun—liang，XUShu—wei (ShengliOilFieldShengliPowerMachineryGroupCo．，Ltd．， Shandong，Dongying，257032) Abstract：Forsoedperformanceinturbochargedgasengine，propermatchbetweengasengineand turbochargerhastobeconsideredespecially．Thisarticlefocuseso．ncalculationandanalysisofmain parametersforselectionofproperturbochargerforthepre—mixedandtuJbock哑间gasengineandalso proposesproeedun葛toachievetheactivities．Evidences锄presentedforMatchingdesignof turbochargers． KeyWords：GasEngine；Turbocharger；Matching；1’wbochargingafterPre—mixture； TurbochargerParameter 引 言 内燃机涡轮增压是利用发动机排出的废气的能 量驱动涡轮，再由涡轮带动离心式压气机对空气或 者混合气体进行增压，一方面回收了发动机一部分 废气能量，有利于发动机经济性能得到提高；另一方 面增加了进气密度，使充满气缸的空气或者混合气 体的气量得到了提高，有利于发动机功率的提升。 因此对燃气发动机增压器的适当匹配可以使发动机 的功率、经济性等各项性能指标得到明显的提高。 1 预混合后增压燃气发动机增压参数的计算 为了保证燃气发动机与增压器的良好匹配，即 达到预定增压发动机各项性能指标，就必须正确确 定燃气发动机的增压参数，因为它是设计或选择增 压器的依据。对于预混合后增压燃气发动机来说， 增压参数主要有：(1)增压燃气发动机所需混合气体 容积流量K或质量流量G。；(2)增压压力P。或压 比7l"。；(3)涡轮前废气平均温度n。以下论述是假 定混合气体在增压前后等过程中不发生泄漏的前提 下．对上述增压参数进行理想状态下的理论分析计 算： 1．1混合气体容积流量以或质量流量G． 预混合后增压燃气发动机所需混合气体容积流 量y．或质量流量c．的计算： U=‰+Vr,(矗／s)(1) 作者简介：苏展望(1979一)，男，陕西乾县人，师，主要从事燃气发动机的研究与开发工作。 万方数据 ·16- 内燃机与动力装置 2008年12月 G。=G～+GF．(kg／s)(2) 式中：‰、G知分别为燃气发动机所需空气容积流量 和质量流量； Vv．、Gh分别为燃气发动机所需燃气容积流量 和质量流量。 所需燃气容积流量为： ‰=鬻(m3／s) (3) 则所需燃气质量流量： G萨kP，=等等(训 (4) 式中：N。为发动机功率，kW； 叩。为发动机热效率； 日。为燃气低热值，l【J，m3； lD，为燃气的密度，kg／m3。 所需空气容积、质量流量分别为： ‰=％·R·口(m3／s) (5) G～巩讯=糟肌．P^(ks／m3)(6) 式中：R7为燃料完全燃烧时的理论体积空燃比； a为过量空气系数； p^为空气的密度，k∥m3。 将(3)、(5)式代人(1)得： K=(1+R·口，i36面00N,(m3／s)(7) 将(4)、(6)式代人(2)得： G。地+GA,-掣宰+器一饥 =i3600瓦Ne(』D，+R7⋯lD^)(kg，s)(8) 单台增压发动机所需混合气体容积流量I，i或 质量流量Gi： K-(1竹口)鬻(m3／s)(9) Gia-(Gh慨)／i-器‰洲⋯¨ (1【g／s) (10) 式中：i为发动机增压器的个数。 1．2增压压力Pk或压比丌k 对于四冲程发动机G．又可示为： G．：竺盥(kg／120 8)(11)u-一 s， ＼1-， 式中：／'g为发动机转速，r／min； K为燃气发动机总排量，m3； ≯．为扫气系数； P为进入气缸混合气体密度，kg／,n'。 则单台增压器的混合气体流量Gi为： Gj：竺辫(吲s)(12)120‰一 ·i 、咐87 、“7 则增压后混合气体密度“为： B：等等(kg／m3)(13)B5i可可 o”， 对于预混合后增压燃气发动机来说，混合器前 燃气压力和空气压力分别为P町P^o，由于Pm—P舯 ≤10kPa，可近似确定混合器进气前压力为Po7= (Pm+P∞)／20 压气机进口的混合气体压力P。为 Po=Po7一△p(kPa) (14) 式中：却为进气混合器压差降。 由理想气体状态方程得压气机前混合气体密度 肌为： Po：百M"万Po(1【g／m3) (15)5百可LWm， L1)7 式中：M为压气机前混合气体摩尔质量，kg／mol； 尺为常数，等于8．314； 丁为压气机前混合气体平均温度，K。 根据涡轮增压器压比计算公式⋯，则压气机的 压比为： ．—L 7rk_(＆卜 (16)D 式中：A=与生，为混合气nk 体的绝热指数； 刀为压气机多变系数(一般比压气机绝热效率 高约扬左右)。 1．3涡轮前废气平均温度n 一般来说在正常的燃烧与扫气情况下，n大致 可代表发动机气缸热负荷的大小，另外对增压器来 说，它也是一个重要的设计参数。燃气发动机的排 温n的计算是相当复杂的，而且计算精度也是不 高的。n的确定可以根据能量平衡计算，即根据流 进流出发动机气缸的气体参数建立能量平衡式进行 计算¨]，根据流进流出柴油机气缸的气体参数建立 能量平衡式，推导出流进流出燃气机气缸的气体参 数建立能量平衡式求出排温矸值(这里就不再推 导)，另外可参考同类型增压燃气机排温进行数据选 取。 2燃气发动机定压排气系统涡轮增压器的 选配步骤 涡轮增压时，燃气发动机与增压器之间存在一 定的气动联系，作为一种往复式机械的发动机又与 一种叶片机械的增压器之间存在着很大的差异，因 万方数据 2008年第6期 苏展望，等： 涡轮增压器与燃气发动机的匹配及主要增压参数的计算 ·17· 此燃气发动机与增压器的良好匹配是比较复杂的过 程。但总的来说，对于燃气发动机定压排气系统增 压器的选配步骤可分为，增压参数的确定；按设计工 况进行涡轮增压器的选配，发动机与涡轮增压器的 匹配试验调整。 2．1增压参数的确定 首选根据燃气发动机的用途、燃料和预期所确 定的设计工况及其参数计算增压参数的确定，为增 压器的压气机和涡轮选配设计提供依据。对于预混 合后增压燃气发动机来讲，可根据上述燃气发动机 增压参数的计算方法进行计算确定。 2．2按设计工况进行涡轮增压器的选配 按设计工况进行涡轮增压器的选配有三个方 面，即燃气发动机与压气机的匹配、燃气发动机与涡 轮的匹配和压气机与涡轮的匹配。 2．2．1燃气发动机与压气机的匹配 根据增压发动机的要求，选取设计工况点的参 数P。、n、T，之后，参考同类柴油机的绝热压缩效率 T／d,、柴油机的空气比耗量g。、充气系数'7。与扫气 系数声。之积玑等值。然后在增压压力比系列曲线 图(增压器生产厂家提供或可查相关设计手册)，找 出接近叩“值的增压压力比曲线，并根据该图上P。 与g。／7。值，查出相应的丌u值。然后找出接近'7止 值的空气流量曲线，并在该图上根据丌。．值及燃气 发动机的特征参数Z、K、／'t、叩。的值，查出GK^值。 再由丌¨、GKA值并考虑所配套燃气机的用途，在增 压器生产厂家提供的压气机性能曲线中找出合适的 压气机型号，并查出设计工况点的刁吨及，l。值。 2．2．2燃气发动机与涡轮的匹配 燃气发动机与涡轮的匹配主要依据参数的估算 方法进行，参考同类型发动机预选涡轮增压器的综 合效率刁n，然后在涡轮膨胀比曲线(增压器生产厂 家提供或可查相关没计手册)找出接近刁n值的涡轮 膨胀比曲线，并在该图上根据丌¨、％值查出涡轮膨 胀比丌¨值；再由燃气机的用途决定涡轮出口的背 压P7。，从而算出涡轮前压力P止=丌“·P7。值。废气 流量G，是混合气体总质量流鼍G。即空气质量流 量G～与燃气质量流量Gh之和，在确定Gn后计算 ，，1厢、l旦业I值。然后根据涡轮通流特性曲线，由 、PT ，^ lr、际＼j7f¨和I兰业l值，查出涡轮喷嘴环出口截面积 、PT1^ 及叶轮出口截面积。 2．2．3压气机与涡轮的匹配 压气机与涡轮的匹配主要考虑两者之间的平衡 问题，即两者之间的平衡条件为：(1)压气机和涡轮 转速相等；(2)当单独运行的涡轮增压器在管道无泄 露时，通过涡轮废气质量流量等于空气质量流量与 燃气质量流量之和；(3)在增压器稳定运转时，涡轮 输出的功率应等于压气机消耗的功率及机械损失功 率之和。根据这三个平衡条件完成压气机与涡轮的 匹配。 3燃气发动机与涡轮增压器的匹配试验调整 根据以上分析匹配，选择适合该燃气发动机工 况的涡轮增压器进行发动机配套试验、校核设计工 况及整个运行工况的性能是否达到设计性能的要 求。如果燃气发动机与增压器的匹配不佳，即增压 燃气发动机达不到预期的性能，就要对燃气发动机 与增压器匹配进行调整，除了燃气发动机上要进行 压缩比、点火提前角、气门开启关闭时刻、燃气供给 量等进行调整外，可根据试验情况对增压器涡轮流 通面积以及压气机流通部分的尺寸进行部分调整。 若调试无法达到预期的性能要求时，则需根据具体 情况另选其它型号的涡轮和压气机，再进行匹配试 验、调整，直到满足增压燃气机的预期性能要求为 I匕。 4结论 综l二所述，本文提出了一种预混合后增压燃气 发动机增压器选配主要增压参数的计算方法，并提 出了燃气发动机定压排气系统选配增压器的基本步 骤，可为燃气机与增压器提供匹配依据。但由于燃 气发动机与增压器的良好匹配是比较复杂的过程， 因此在根据此方法进行计算、匹配时，应充分考虑与 增压燃气发动机匹配有关的各种的因素，并经过不 断的匹配试验、调整，最终实现满足增压燃气机的预 期性能要求的涡轮增压器。 参考文献： [1]朱大鑫．涡轮增压与涡轮增压器．北京：机械工业出版社， 199|2． [2]柴油机设计手册编委会．柴油机设计手册．北京：中国农 业机械工业出版社，1984． [3]宋守信．内燃机增压技术．上海：同济大学出版社，1993． [4]顾宏中．涡轮增压柴油机热力过程模拟计算．上海：上海 交通大学出版社，1984． 万方数据 涡轮增压器与燃气发动机的匹配及主要增压参数的计算 作者： 苏展望， 庞志伟， 郭军良， 徐树伟， SU Zhan-wang， PANG Zhi-wei， GUO Jun-liang ， XU Shu-wei 作者单位： 胜利油田胜利动力机械有限公司,山东,东营,257032 刊名： 内燃机与动力装置 英文刊名： INTERNAL COMBUSTION ENGINE & POWER PLANT 年，卷(期)： 2008(6) 参考文献(4条) 1.朱大鑫 涡轮增压与涡轮增压器 1992 2.《柴油机设计手册》编委会 柴油机设计手册 1984 3.宋守信 内燃机增压技术 1993 4.顾宏中 涡轮增压柴油机热力过程模拟计算 1984 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sdnrj200806005.aspx