涡轮增压器设计选型

涡轮增压器设计选型涡轮的各项指标，规格以及型号划分A/R: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)²x100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=50Dp=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volumeofair(cuft/min)=enginerpmxenginecid(1728x2)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(0.7854x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=16.387064cc231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(psiabsolute)，而表读压力的单位是psig(psigauge)。绝对温度是华氏温度加上460这个常量(此为兰金刻度单位degR)。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)xV(cu.ft./min)x29(10.73xT(degR))如何计算进气体积V(cu.ft./min)=n(lbs/min)x10.73xT(degR)(29xP(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)=5000x231=334.2cfm1728x2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,Absolutetemperature=250degF+460=710degRAbsolutepressure=19psig+14.7=33.7psian(lbs/min)=33.7psiax334.2cfmx29=42.9lbsofairperminute(ideal)10.73x710degRlbsairperminuteactual=lbs/minidealxVE=42.9x0.85=36.4lbsair/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。Absolutetemperature=130degF+460=590degRAbsolutepressure=17psig+14.7=31.7psian(lbs/min)=31.7psiax334.2cfmx29=48.5lbsofairperminute(ideal)10.73x590degRlbsairperminuteactual=48.5x0.85=41.3lbsair/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+Tinx[-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=70degF+460=530degRPin=-0.5psig+14.7=14.2psiaPout=19psig+14.7=33.7psiaPout/Pin=33.7/14.2=2.373(压气机内部压缩比)Tout=530+530x(-1+2.3730.263)=717.8degR-460=257.8degF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。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”surgelimit”，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。Correctedflow=actualflowx(Tin/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=530degRPin=-0.5+14.7=14.2psiaCorrectedflow=41.3x(530/545)0.5=40.0lb/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0.1323。比如，如果流量表测出来是18克/秒@45mph(英里每小时)，那么空气流量为18x0.1323=2.4磅/分钟。但是问题是流量计的弊端是最高只能读到255克/秒。如果有更多的空气通过的话，流量计就显示不出来了。这就是为什么我们需要通过以上运算来得到进气量的原因了。下一步是用绝对压力来找到压缩比的那一点。还是用我们刚才的例子，17psi的进气压力。由于空气从增压器到进气歧管之间会有压力的衰退，我们假设为3psi吧，那么实际从涡轮出来的压力是17+3=20psig。进气口压力是-0.5psi(还是刚才我们的例子)，那么压缩比为Pout/Pin(Pout:出气口压力;Pin:进气口压力):Pout/Pin=(20+14.7)=2.44(-0.5+14.7)然后我们在纵坐标上找到2.44的位置，从这一点向右与横坐标平行画一条横线。这条横线和我们刚才在横坐标上画的那条竖线交叉点就是涡轮的工作点。现在再看一下这个好像圆圈的曲线图，我们的这一点大概在72%左右的范围内。那么当我们的引擎工作在5000转，17psi的压力，外部温度70华氏度，进气歧管内130华氏度，增压器的效率大概是72%。另外一条曲线是转速曲线，我们的这一点落在105500转上边一点，那么涡轮的工作转速大概在108000转，从-0.5psi的进气压力，产生20psi的出气压力。在以上数值中做任何一点更改，都会是增压器的工作点改变。更高的引擎转速，意味着更多的进气量，那么涡轮的工作点也会向右移动。凉一些进气温度意味着密度更高的空气，涡轮的工作点也会向右移动。提高涡轮的压力也许会使更多的空气进入到燃烧室内，但是同时涡轮的压缩比也会随之升高，涡轮的工作点必然随之升高，也有可能会向右移动。等等等等诸如此类的“如果”，大家可以随意去假设。说这么半天，我们到底怎么样去选择一个正确的涡轮呢,第一，我可能会假设4个有可能的工作状态。高速巡航，半油门加速，3500-4500转全油门加速，5000-6000全油门加速，这四个点对于大多数人来说已经足够了。第二，计算出以上四种情况的进气体积。然后估计一下中冷之后的温度，涡轮出气口压力，容积效率和进气歧管内压力，计算出四种工作状态的进气量。第三，这是最难的一步，找到你想选择的涡轮的增压曲线图。盖瑞特，