1、渦輪增壓技術103這篇文章涉及較多的渦輪技術，包括描述壓縮機的部分特性曲線圖、計算發動機的增壓比和空氣質量流量，怎樣在特性曲線圖上繪制點來幫助你選擇合適的渦輪增壓器。把你的計算器放在手邊吧。一 壓縮機部分特性曲線圖1 壓縮機特性曲線圖是詳細描述壓縮機壓縮效率、空氣質量流量范圍、增壓性能和渦輪轉速等性能特性的一種圖表。下面展示的是一幅典型的壓氣機特性曲線圖：2 增壓比增壓比（）被定義為出口處絕對壓力除以進口處絕對壓力注：=增壓比、P2c=壓氣機出口絕對壓力、P1c=壓氣機入口絕對壓力3 在壓氣機入口和出口處使用絕對壓力為計量單位非常有必要，一定要記住絕對壓力的基礎是14.7磅/平方英寸（在這個單

2、位下“a”代表絕對壓力）這被稱為標準大氣壓力和標準情況。4 表壓即計示壓力（在計量單位為磅/平方英寸下“g”代表表壓力）測量的是超過大氣壓力的大小，所以表壓力在大氣壓力下應該顯示為“0”。增壓表測量的岐管壓力是相對于大氣壓力的，這就是表壓力。這對于決定壓縮機出口處的壓力是非常重要的。比如說增壓表上讀出的12磅/平方英寸意味著進氣歧管的壓力高于標準大氣壓力12磅/平方英寸。即：歧管壓力26.7磅/平方英寸=12磅/平方英寸（表壓力）+14.7磅/平方英寸（標準大氣壓力）5 這個條件下的增壓比就能計算了：（26.7磅/平方英寸絕對壓力）/14.7磅/平方英寸（標準大氣壓力）=1.826 然而這是在

3、假定壓氣機入口處沒有空氣濾清器影響的情況下7 在決定增壓比的時候，壓氣機入口處的絕對壓力時常比環境壓力小，特別是在高負荷時。為什么會這樣呢？因為任何對空氣的阻礙（這其中就包括空濾器管道的限制）都會對進氣造成壓力損耗，在決定增壓比時，壓氣機上游的損耗都需要被計算。這種壓力損耗在某些進氣系統上可能達到或超過1磅/平方英寸的表顯壓力。在這種情況下壓氣機入口處壓力應該如下取值：壓氣機入口絕對壓力=14.7psia 1psig = 13.7psia8 帶入最新的入口處壓力進行增壓比計算應該是下面這樣(12 psig + 14.7 psia) / 13.7 psia = 1.95.9 以上計算方法很好，但

4、是如果你不是在標準大氣壓下呢？在這種情況下，在計算工式中簡單地用真實的大氣壓力替代標準大氣壓力14.7psi能夠使計算更精確。在較高的海拔下會對增壓比有顯著的影響。比如說：在丹佛5000尺的海拔高度下，大氣的平均壓力在12.4psia,在這種情況下帶入的進氣真空度在壓縮比計算時：（12psig + 12.4psia）/（12.4psia 1psig）=2.14(增壓比)這樣的結果和最原始計算的增壓比1.82相比有很大的不同。10 從以上的例子總可以看出增壓比取決于很多參數，不僅僅是增壓器。1. 空氣質量流量1 空氣質量流量是在給定的一段時間空氣流過壓氣機（或發動機）的量，常被表示為lb/min

5、(磅/分鐘)。質量流量可以使用物理方法測量。但是許多情況下在選擇適當的渦輪過程中估計質量流量就已經足夠了。2 許多人使用體積流量（表達為：立方英尺/分鐘CFM或者ft3/min）代替質量流量。體積流量可以通過乘以空氣密度轉換成質量流量。標準大氣壓下空氣密度為0.076 lb/ft3。3 質量流量我應該取多少？一般情況下渦輪增壓的汽油引擎每1 lb/min質量流量可以產生9.5-10.5馬力（飛輪上測得），所以如果一個引擎想要400馬力那就要求空氣質量流量為36-44 lb/min，這樣的計算只能粗略地幫助你縮小增壓器的選擇范圍。2. 喘振線1 喘振線是壓氣機特性曲線圖的左邊界，喘振線的左邊是流

6、動不穩定的區域。這一區域內壓氣機內氣體從小波動變化到大波動。如果在這一區域內連續運轉會因為渦輪的高軸向負載導致渦輪失效。2 根據經驗在以下兩種情況下渦輪喘振經常發生。第一種也是最嚴重的一種就是在負載過輕時的喘振。這種情況下很明確就是渦輪太大。喘振經常發生在增壓后節氣門快速關閉時。隨著節氣門快速關閉氣體質量流量快速減少，但是節氣門仍然高速旋轉長生壓力，導致喘振發生。這立刻驅使渦輪工作狀態遠遠超出壓氣機特性曲線圖左邊的區域立刻導致喘振。一旦渦輪轉速減到足夠小減少增壓并將工作狀態移到穩定工作區域喘振將會減弱。這種情況常用一個泄壓閥或者式旁通閥解決。泄壓閥的作用是減少進氣壓力到大氣壓力以至于緩慢地降低

7、氣體質量流量，防止渦輪喘振發生，在使用循環旁通閥的情況下，氣流會再循環到渦輪進氣口。3 一個有旁通道的渦殼（看圖2）組成了壓氣機汽缸的一部分，它的作用是通過允許氣流不通過渦輪葉片直接通過渦輪，把喘振線移到更左邊（看圖3），防止出現喘振。這增加了額外的可用范圍同時允許更大的增壓器被使用在對氣流有更高要求同時要求增壓器不能出現喘振的條件下。渦殼旁通道有一個較小的副作用，那就是降低了壓氣機效率。3. 阻塞線阻塞線是壓氣機特性曲線圖的右邊界。對于Garrett增壓器曲線來說，典型的阻塞線被定義為特性曲線圖上效率低于58%的點。除此之外快速下降的增壓效率經過這個點，渦輪轉速將接近或者超過渦輪的極限轉速。

8、如果你確實或者打算讓我輪工作超過這個極限轉速，建議你還是換個大渦輪吧。4. 渦輪轉速線渦輪轉速線是許多固定的轉速線。在這些線之間的渦輪轉速可以通過插值法計算。隨著渦輪轉速的升高，增壓比和、或氣體質量流量增加。根據以上多余阻塞線的描述，渦輪速度線非常靠近特性曲線圖的右邊緣。一旦壓氣機的工作超過了阻塞極限，渦輪轉速升高非?？欤藭r渦輪就已經超速了。5. 效能區域增壓效能區域是指特性曲線圖上一些代表增壓器效率的任意點所形成的同心區域?？拷匦郧€圖中心的最小的區域是效率最高的區域。隨著轉速離開這一區域，增壓效率下降直到達到喘振或者阻塞區域。二 計算增壓器特性曲線圖數據這一部分將呈現，計算增壓壓力和氣

9、體質量流量的方法來達到所要求的目標馬力。這些計算的數據將用來指導你選擇合適的壓氣機和渦輪增壓器。在選擇過程中有明確的馬力目標在心里是很重要的。除此之外增壓壓力和空氣流量的計算也是必要的，把馬力作為目標就要求選擇適合的噴油器、噴油泵、調整器、以及發動機的其它部件。1. 估算要求的空氣流量和增壓壓力達到既定的馬力目標1 需要知道的參數：1) 馬力目標2) 發動機排量3) 最大轉速4) 環境條件（大氣壓力和溫度，大氣壓力經常給定的數據時汞柱的尺寸，需要進行換算到psi）2 需要估算的值：1) 發動機的體積效率，現在常用的頂置四氣門多缸發動機最大體積效率范圍在95%99%，兩氣門發動機在85%95%。

10、如果你有發動機的扭矩曲線，那么你可以用它計算出發動機不同轉速體積效率。在一個調整好的發動機上，體積效率會隨著轉矩到達最高點。這個數可以被用來等比例計算其他轉速的體積效率。一個典型的四氣門發動機比兩氣門發動機有更高的體積效率。2) 進氣歧管溫度，具有高體積效率的壓氣機會帶來更低的進氣歧管溫度。有中冷器的歧管溫度一般在華氏100103度。沒有中冷的歧管能夠達到華氏175300度。3) 單位燃油消耗率（BSFC），描述產生每一馬力所需要的燃料流率。對于渦輪增壓汽油機來說燃油消耗率的大體在0.50.6之間變動，或者更高。它的單位是lb/(hp*hr)。燃油消耗率越低則說明產生相應功率時消耗燃油的速率越

11、小。為了達到上述的最低燃油消耗率，需要選擇好燃油種類和做好積極的匹配調整。在下面的方程式中我們將除以60將小時化為分鐘計算。4) 為了繪制壓氣機的工況點，首先計算空氣流率。Wa = HP * (A/F) * (BSFC/60) 其中Wa = 實際空氣流率（lb/min） HP = 飛輪端目標馬力 A/F = 空燃比 BSFC/60 = 單位燃油消耗率lb/(hp*hr)/603 舉例我有一臺發動機，我想要它輸出400馬力我想要選擇空燃比為12，燃油消耗率為0.55，把這些參數帶進方程式計算Wa = 400*12 *(0.55/60) = 44.0(lb/min)這樣，我的壓氣機特性曲線圖上就要

12、有泵44磅氣體每分鐘的能力作為起始點。注意：我們在這個計算中沒有輸入任何發動機排量和轉速。這就意味著對于任何發動機想要輸出400馬力那么他就需要44磅每分鐘的泵氣量（這是在假定任何發動機的燃油消耗率都是0.55的時候得出的）顯然，一個小排量的發動機和大排量發動機相比就需要更多大的增壓或者更高的轉速。那么究竟需要多高的增壓呢？4 計算達到目標馬力或者進氣量需要的歧管壓力：MAPreq = 想要達到目標馬力需要的歧管絕對壓力Wa = 實際空氣流率R = 氣體常數 = 639.6Tm = 進氣溫度（F）VE = 體積效率N = 發動機轉速（RPM）Vd = 發動機排量（CI）（CI = L * 61

13、.02 ）5 舉例：繼續上面舉到的例子，假設一個2.0L的發動機其他參數如下：Wa=44lb/min(上一例子所得)Tm =130（F）VE = 體積效率92% （峰值）N = 發動機轉速7200（RPM）Vd = 發動機排量122（CI），（CI = L * 61.02 ） =41.1psia(記住，這是絕對壓力需要減去大氣壓力得到表壓力)41.1 psia 14.7 psia (標準大氣壓) = 26.4 psig 表壓力6 作為比較，讓我們再計算更大排量的發動機5.0L Wa=44lb/min(上一例子所得)Tm =130（F）VE = 體積效率85% （峰值）（一臺帶推桿的V8 發動機

14、）N = 發動機轉速6000（RPM）Vd = 發動機排量4.942*61.2 = 302（CI），（CI = L * 61.02 ）=21.6 psia(表壓力為6.9)這個例子闡明了想要達到400馬力，一個更大排量的發動機需要的歧管壓力更低，但是仍然需要44lb/min的泵氣量。這對于我們選擇增壓器有顯著的指導作用。隨著進氣流量和歧管壓力的計算，我們已經快要準備好在特性曲線圖上繪制點了。下一步就是確定進氣歧管和壓氣機之間有多少壓降。最好的方法就是使用數據采集系統記錄壓降，但是多數情況下不現實。根據上面計算空氣流量，中冷器特性、管尺寸、轉彎的數量、節氣門體的限制等，氣管內的壓降可以計算出來，

15、在一個設計的很好的進氣系統中，壓降可能是1psi或者更少。在某些限制性的設置下，尤其是那些已經高于氣流水平的設置下，壓降會達到4psi或者更大。對于我們的舉例，我們假設壓降為2psi。所以在確定壓氣機出口處壓力時，我們需要加上上面計算的2psi壓降P2c = 壓氣機出口絕對壓力 (psia) MAP = 歧管絕對壓力 (psia) Ploss = 歧管到壓氣機的壓降對2.0L發動機來說 = 43.1psi還記得我們在講解壓力比時討論過的進氣壓力會因為進氣系統形狀和空濾器而降低嗎，我們說過典型的壓降大概是1psi，所以那將被帶入到計算，比如說，假設我們在海平面，那么標準大氣壓力為14.7psi那

16、么我們將減去1psi把大氣壓力換算成壓氣機入口處的壓力。P1c = 壓氣機入口處壓力 Pamb = 環境壓力 Ploss = 進氣系統壓力降低值P1c = 14.7 1 = 13.7 psia這樣一來我們就能計算增壓比了對2.0L發動機來說 = 3.147 到現在為止，我們有足夠的信息在壓氣機特性曲線圖上畫出這些工況點了。首先我們來試試GT2860RS這款渦輪，這款渦輪壓氣機葉片60mm,60°的壓氣機葉輪。顯而易見這款壓氣機葉輪太小了，兩款發動機的工況點都遠遠超出了阻塞線。我們再來試試這款GT3076R發動機，壓氣機葉輪直徑76mm，56°對于2.0排量的發動機，這是一個

17、比較合適的壓氣機。它工作的點略微接近壓氣機特性曲線的阻塞邊界，但這可以得到附加的喘振裕度。發動機較低的轉速將會處于高效率區同時增壓器會較好的輸出表現而且響應較快。對于5.0排量的發動機，這款壓氣機顯然太小了，無需考慮。既然我們已經找到了可以接受針對2.0發動機的壓氣機，那么我們計算一個更低轉速下壓氣機工作點在特性曲線上所在的位置，然后看一下發動機的運行曲線圖。我們可以根據下面的方程來計算：我們將會根據經驗或者理論推斷使發動機工作在最大扭矩點。這種情況下我們首先選擇5000rpm。式中：Wa=空氣流量（磅/每分鐘）MAP=歧管絕對壓力=35.1磅/平方英寸R=氣體常數=639.6Tm=歧管進氣溫度=130FVE=充氣效率=0.98N=發動機轉速=5000rpmVd=發動機排量=122立方英寸把這個點繪到GT3071R壓氣機的特性曲線上，如下圖。這個圖中幾個點可以很好地代表在該增壓水平下的壓氣機運行線，可以看出，非常適合該壓氣機的特性曲線。當發動機工作在5000轉以