废气涡轮增压与发动机匹配的理论计算研究
第 1期
2OO4年 2月
内燃机
Internal Combustion Engines
No．1
Feb．2004
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摘 要 ：根据废气涡轮增压 的工作原理 、结 构特性 ，对增压器和发动机的空气流量和其他方面的匹配进行 了计算和理
论分析 ，提 出了发动机选 配增压器 的基本过程 和注意事项 ，以及 重新 为指定发 动机设计增压器 的基本步骤 。
关键词 ：废气涡轮增压 ；发动机 ；匹配
中图分类号 ：TK411．8 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—6494(~o4)o]一0001—03
Study on Theoretical Calculation of M atching of Turbocharger and Engine
W ANG Ying—hong。ZHENG Guo—zhang
(Taiyuan University ofTechnology。Taiyuan 030724。China)
Ah吐 ：Based on operating principle of mdx~harger。structural features-air flow characteristic and other aspects of tudx~harger
and engine aIe calculated and田1a theoretically．Tne current process was raised for the matching of mdx~harger and e．gine
Accordingly the basic~ ul'e们s desi led for the designated engine
r words：turbocharger；engine；matching
O 前 言
采用增压技术是提 高车用发 动机动力性能、顺
态性能 以及排放性能的有效方式 。常规的车用发动
机增压方法有机械增压 、废气涡轮增压和气波增压。
涡轮增压时，发动机与增压器之间仅存在气动关系，
不象机械增压 时二者有 固定的速 比，且发动机是一
种往复式机械 ，而涡轮增压器则是 叶片机械 ，二者的
特性存在本质的差异 ，故匹配 比较复杂。总的来说 ，
发动机与增压器 的匹配有 三个方面 ，即发动机与压
气机的匹配 、发动机与涡轮 的匹配和压气机与涡轮
的匹配。这里我们 只对前两项进行研究 ，对 涡轮增
压器的性能提 出要求 ，具体增压器 的设计 以及压气
机与涡轮的匹配由增压器公司来定。
下面通过一台具体机型来说 明发动机与增压器
选配方法和步骤 。
1 增压 参数 的选定
为了保证发 动机 与增压器 的 良好 匹配，达到预
定 的增压发 动机各项性能指标 ，首先要确定增压参
数 ，它是设计或选择增压器的依据。
1．1 增压后发动机所需空气流量 G (即压气机流量)
作者简 介 ：王应 红 (1974一)，男 ，山西 吕梁 人 ，硕 士，主
要研 究方向 ：汽油机增压技术 。
收稿 日期 ：2003—09—12
= ￡。
式 中， 为发 动机所需的空气流量 ，kg／s； 为
发动机 功率 ，kW；a为过量 空气 系数 ； 为 扫气系
数 ； 为发动机 的燃油消耗率 ，g／(kW·h)。为 了满
足最 大功率和最 大扭矩的要求 ，应在发动机的外特
性工况下计算。
1．2 压气机的压比
： ( )-一 ；实际测量 中常用 ： ’
pq ’ po— pd
式中，Pc为压 气机出 口的空气密度；』0。为发动
机所需的中冷后增压空气的密度 ； 为压气机多变
效率 ；Po为环境压力 ； 为压气机出 口压力；P 为压
气机进 口压力。
1．3 压气机效率
(273 t )( 一 一1)
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为压 气 机进 口温度 ，oC；t 为压气 机 出 口温
度 ，℃。
2 发 动机 与压气机 的匹配
a．压气机不但要达到预定 的压 比，而且要具有
较高的效率 。压气机效 率越 高，在同一增压压 力时
空气温度越低 ，所得到的增压空气密度就越高 ，增压
效果也就越好。
b．经过实验测得压气机特性曲线和发动机在各
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． ’ ． 内燃机 2OO4年 2月
转速下的耗气特性曲线。如果发动机的特性线穿过
压气机的高效率 区，发动机的运行线与压气机 的高
效 率 圈平 行 ，这 时 匹 配最 好 ，见 图 1。如果 发 动机 的
运行线位于压气机特性线右侧 ，见图 2，表 明所选 的
压气机流量偏小 ，使联合工作时压气机处于低效率
区，要选较大型号的增压器或加大压气机流通部分
尺寸 ；相反 ，发动机运行线整个偏 于压气机特性左
侧 ，见图 3，发动机低转速时压气机效率降低 ，同时可
能 出现 喘 振 ，这 时 需 要选 较 小 型 号 的增 压 器 或减 小
压气机流通部分尺寸 。
c．发动机的耗气特性线应离开压气机喘振线一
定距离 ，否则再联合工作时可能 出现喘振。
2．
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图 1 发动机耗气特性与压气机特性 的配合
质量 (kg-s-1) ／
图 2 发动机与压气机 匹配不合适 的特性 图
(压气机 流量偏小 )
d．根据 WR36D柴油机的要求我们匹配了 J130A
增 压器 ；
在如下条件下我们做 了压气机性 能实验：润滑
油进 口油压 为 0．2 0．4 MPa；润 滑 油进 口油 温为 45
75℃；润滑油出口油温不大于 120℃；涡轮前进 口
温度不 大于 650 cI=。
测得 J130A增压器 的压气机特性 曲线如图 4所
示 。由图可见 ，压气机具有较大的高效率圈，最高效
率为 82％以上；流量范围宽广 ，而且 喘振线及流量范
围适 当左移 ，偏向小流量方向，增加了配机喘振裕度。
质 量流量／( ) ／
图 3 发动机与压气机匹配不合适 的特性 图
(压气机 流量偏大 )
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图 4 J130A前倾后 弯压气机性能 曲线
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第 1期 王应红等 ：废气 涡轮增压 与发动机 匹配 的理论计算研究
3 发动机与涡轮 的匹配
要保证在发动机整个运行范围内涡轮具有较高
的效率及合适 的流通能力 ，以保证提供给压气机所
需的功率 ，发动机与涡轮的匹配是否 良好 主要是看
涡轮流通能力的选择是否合适 ；既要保证最大扭矩
点有足够 的增压压力 ，在标定点处增压器 又不能过
度超速。发动机与涡轮的匹配情况可借助涡轮特性
曲线 。我们做 了涡轮流通特性实验 ：采用外气源供
给压缩空气，经燃烧室加热后驱动涡轮 ，进 口温度控
制在 650℃左 右 ，润 滑油进 口油 压 为 0．2～0．4 MPa，
润滑油进油温度控制在 50～75℃。大气温度 t ：29
。c；大气压力 Pn=89．7 kPa；进行了 35000，40000,45
000，50 000，55 000，60 000 r／rain几个转速的实验 ，在
每一转速下 ，测点选在压气机最大流量附近(接近阻
塞流量)，同时要求增压器公 司对增压器进行 了改进
设计 ，选用参数 d值为 44，42，4o crn2。
由图 5中曲线可以看出，J130A增压器涡轮 0—0
截面为 44 crn2时，流通 特性 比较平缓 ，阻塞出现较
晚 ，这样 的流 通能力 对 发动 机特 别 有利 ，可 以保证 发
动机低速时得到较高的增压压力 ，又可以降低发动
机额定点的增压器转速 。
4 发动机与增 压器的 匹配
发动机与增压器的匹配要求如下 ：
a．发动机运行范围内正处于压气机高效率 区，
且离压气机喘振线有一定的裕度 ；
b．发动机运行范围内不出现过高的排气温度 ；
c．发动机 运行 范围 内增压 器转 速不超 过极 限
值 ，也不出现过高的增压压力和爆发压力 ；
d．发动机负荷特性上增压压力与背压的交点位
于低负荷区 ，且越低越好 ，增压压力与背压的交点越
是靠左边小负荷 ，说明发动机与增压器匹配良好 ；
e．增压发动机能达到预定 的功率 、经济性及烟
度等指标 ，特别是在万有特性上低油耗的区域应宽
广，在负荷特性上低负荷范围内不致出现太高的油耗。
在柴油进油温度为(4o±3)℃，冷却水进水温度
为(75±5)℃，涡轮前排气温度不大于 700℃ ，主油
道机 油压力 不 小 于 0．25 MPa，增 压器 机 油 压 力 不 小
于 0．2 MPa，最高燃烧压力不大于 10 MPa的实验条件
下做 了 J130A增 压 器 与 WR36D柴 油 机 的 匹 配 性 能
实验 ，测得数据如表 1。
根 据表 1我们 画 出 了 J130A增压 器与 WR36D柴
油机匹配的外特性曲线 ，见图 5。
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图 5 J130增压器与 WR36D柴油机外 特性 曲线
由曲线 可以看 出 J130A增 压器与 WR36D柴油
机匹配的增压压力与爆 发压力 的交 点位 于低 负荷
区 ，说 明匹配 良好 。
表 1 ．I130A增压器与 WR36D柴油机匹配性 能实验数 据表
(下转第 6页)
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· 6 · 内燃机 2004年 2月
加速度，[ 一]为设计许用凸轮最小曲率半径。
分析优化数学模 型，可知是一个约束非线性最
小化问题 。根据数学模型 的特点 ，应用 MATLAB的
Optimization Toolbox中的优化 函数 ，选择合适的算法 ，
设置合适的选项 ，编写 GUI界面，开发出配气凸轮优
化设计 的程序。
3 MATLAB实 现
主 要 应 用 MATLAB Op timization Toolbox 中 的
fmincon函数 ]，编写 GUI界面和 m代码 ，实现上述
优化数学模型的求解 。
本程序在给定的、合理的输入参数条件下 ，能够
计算出幂指数 P，q，r，s，t，相应 的系数 c。，Ca，Cr，
C ，C ，动力学修正参数 P， ，优化后的丰满系数 毒，
气门最大正负加速度 和凸轮最小曲率半径 ；并且将
最优条件下 的气门和凸轮 的升程曲线 、速度及加速
度曲线图形化显示出来。下面是应用本程序的一个
优化算例。
有关设计参数为：Y0=8．89 toni，u0=0．2 m／s，
【Ⅱ ．， ]=5 600 m／ ，【a llli ]=一1 600 m／ ， 0=62~，
= 15 708 rad／s，R6= 21 toni，【 ]：7．5 mln，i=
1．5，kl = 50420 N／m，k0 = 3 361 300 N／m，m = 0．224 8
kg，Y =0．22 mm。气门和凸轮的升程 曲线 、速度及
加速度 曲线如图 1所示 。
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气门和凸轮升程曲线
凸轮轴转 角／(。)
气门 、凸轮速度和加速曲线
凸轮轴转角／(。1
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督
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：
图 1 优化实例结果 曲线图
中的高次多项式动力凸轮被普遍采用 ；但用一般设
计方法设计函数凸轮 ，得到的丰满系数较小 ，而采用
优化设计 ，且将丰满系数作为 目标 函数 ，则可得到理
想的设计结果。c．应用 MATLAB的优化函数提供的
强大计算 功能 ，能显著提高配气 凸轮优化设计 的速
度 和精度 。
4 结束语
a．几何 凸轮已不能满足现代高速内燃机配气机 ，、
构在振动 、噪声和可靠性方面的高要求 ，为了得到缓
和的加速度 ，一般现代内燃机 的配气机构设计 中都 ?
采用函数凸轮。
b．为了改善配气机构 的动力学特性 ，将配气机 f5]
构的弹性在凸轮型线的设计 中给予考虑 ，函数凸轮
[参 考 文 献]
刘 帷信 ．机械 最 优设 计 【M]．北 京 ：清 华 大学 出版 社 ，
1994．
汽车工程手册编辑委员会 ．汽车工程 手册 [MJ．北 京 ：人
民交通出版社 ，2001．
David A．Stoddaa．Polydyne Ca／／l design(I，Ⅱ，m)[J]．Ma—
chine Design ，1953．
石英 ，等 ．配气凸轮优化设计 的惩罚函数法和增广拉格朗 日
乘子法[J]．武汉理工大学学报，20(12，(6)：365—368．
The Mathworks Co．MATLAB Release 13 Help Document Sys．
tem[M~．
(上接第 3页)
5 结束语
车用发动机选配增压器应根据发动机 的增压要
求 ，确定设计点及其参数(转速 n，功率 ，燃油消耗
率 ，发动机过量空气系数 a)，选定扫气 系数 。
通过计算确定增压器参数流量 和压 比 ，选定增
压器。通过增压器台架实验和配机实验进行发动机
与压气机 、发动机与涡轮的匹配。J130增压器与发
动机的匹配获得了良好的效果。
[参 考 文 献 ]
[1] 蒋德明 ．内燃 机原理(修 订本 )(M]．北京 ：机械 工业 出
版社 ，1988．
(2] 朱大鑫 ．涡轮增 压与涡 轮增压器 [M]．大同 ：兵器工业
第七 。研究所 。1997．
[3] 顾宏中 ．涡轮增压 柴油机性 能研究 [M]．上海 ：上海交
通大学 出版社 ，1998．
[4] 倪计民 ，孟 铭 ，等 ．涡轮增 压 器与 发动机 匹配 的理 论计
算研究[J]．汽车技术 ，2002，(10)：15一l8．
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废气涡轮增压与发动机匹配的理论计算研究.pdf
