柴油机涡轮增压器设计

中南大学学士学位论文 柴油机涡轮增压器设计CENTRAL SOUTH UNIVERSITY本科生毕业论文（设计）题 目 柴油机涡轮增压器设计学生姓名 指导教师 教授 学 院 能源科学与工程学院 专业班级 完成时间 年6月5日 53柴油机涡轮增压器设计摘 要：近年来，随着全球汽车产业的迅猛发展以及汽车保有量飞速增长，人们开始面临如石油资源紧缺、环境污染等一系列难题。涡轮增压器作为一种利用排气提高发动机升功率的装置，能大幅增加发动机的动力性，同时还利于减小油耗、降低排放。所以，目前柴油机大规模配备涡轮增压器，甚至有成为柴油机标准配置的趋势。实践证明使用增压器后的柴油机有效功率可提高30%50%，油耗约降低5%10%，在节能方面的优势十分明显。本文通过对DK4B型柴油机进行涡轮增压器的匹配计算，选择了JP50B3型涡轮增压器作为试配机型。在此基础上，利用湖南天雁机械有限责任公司的实验台架对JP50B3型涡轮增压器进行了压气机特性实验、联合运行实验。实验结果表明，增压后DK4B型柴油机的最大有效功率提高了34.9%。这证明利用理论计算辅助涡轮增压器匹配的效果很好，能够大大降低工作量，缩短匹配周期；而涡轮增压器对柴油机性能提高有十分明显的作用。关键词：汽车；柴油机；涡轮增压器；匹配；The Turbocharger Matching Design and Experiment Research of DK4B DieselAbstract：Nowadays, with the sharp increase of vehicle in use，people are facing a series of problems such as the lack of oil and the pollution of environment. As a machine for improving power per liter, the turbochargers can not only increase the power performance and emission performance of vehicle, but also reduce the consumption of fuel. So most of diesel engines are equipped with turbochargers. It seems that the turbocharger is going to be a part of a diesel engine. According to the experiences of practice, after equipped with turbocharger, the effective power of diesel engine can be increased by 30%50%, and the fuel consumption also can be reduced by 5%10%. Therefore turbocharger has a great advantage in energy-saving. The calculation for DK4B diesel engine turbocharger matching was done in this dissertation, and according to the results, the JP50B3 turbocharger was chosen for a try. After that, two experiments of JP50B3 turbocharger using the test-bed of Hunan Tianyan machinery Co., Ltd. were introduced. The two experiments were done for compressor characteristics and overall operation performance. The results showed that the effective power of DK4B diesel engine is increased by 34.9% after equipped with the JP50B3 turbocharger. Therefore it proves that the method can help choosing turbochargers for diesels and make the process simpler. And the performance of diesel is improved greatly with turbocharger. Key words: Vehicle, Diesel engine, Turbocharger, Matching目 录摘要及关键词IAbstract and KeywordsII1绪 论11.1 涡轮增压技术的研究背景11.2 涡轮增压技术简介11.3 本文研究的目的及意义21.4 本文研究的主要内容32文献综述52.1 涡轮增压技术研究52.1.1 国内涡轮增压器行业现状52.1.2 国外涡轮增压器行业现状52.1.3涡轮增压器新型结构的研究62.1.4高原地区功率恢复研究82.2.5涡轮增压器存在的问题92.2 发动机涡轮增压器的匹配研究现状92.2.1 国内的匹配仿真研究92.2.2 国内的匹配实验研究102.2.3 国外匹配研究现状112.3涡轮增压器试验台架研究现状122.4本章小结143柴油机涡轮增压器的匹配方法153.1涡轮增压器的构造及其工作原理153.1.1 离心式压气机153.1.2 径流式涡轮机163.2 柴油机涡轮增压器的匹配原则163.2.1 柴油机与压气机的匹配163.2.2柴油机与涡轮机的匹配183.2.3 压气机与涡轮机的匹配193.2.4柴油机与涡轮增压器的匹配203.5本章小结204涡轮增压器匹配设计计算224.1压气机设计点增压参数计算224.1.1设计任务与原始数据224.1.2设计点选择224.1.3增压参数的确定234.2离心式压气机设计点热力计算244.2.1已知的计算参数244.2.2选取参数244.2.3压气机热力计算254.3压气机设计点的匹配294.4 径流式涡轮机设计点热力计算304.4.1已知的计算参数304.4.2 选取参数314.4.3 涡轮机热力计算314.5涡轮机型号选定364.6涡轮增压器的定型364.7 本章小结375柴油机涡轮增压器实验385.1压气机性能实验385.1.1增压器性能实验介绍385.1.2压气机实验装置及方法395.1.3实验原始数据415.1.4压气机特性曲线绘制435.2柴油机联合运行特性实验465.2.1柴油机联合运行特性实验介绍465.2.2联合运行特性实验数据处理及匹配475.3 本章小结506全文总结516.1 主要结论516.2 将来可作的工作52参考文献53致谢57附录JP50B3型涡轮增压器装配图（CAD，1#）实习报告1绪 论本章主要介绍涡轮增压器技术的研究背景，详细阐述了涡轮增压器的发展历程以及涡轮增压技术的作用和原理，同时给出了本文的主要研究内容。1.1 涡轮增压技术的研究背景100多年前，已经有人希望通过采用增加进气密度的方法，在同样的时间内助燃更多的燃料，从而提高发动机的功率。1926年，世界上第一台增压发动机诞生于瑞士，Alfred JBuehi博士采用了废气涡轮增压的方式制造了这台发动机，可惜的是囿于当时的制造加工精度和材料工艺条件，这台增压发动机在扭矩和功率方面并没有显示出多大变化，这也导致了涡轮增压技术迅速淡出了人们的视野张俊红, 李志刚, 王铁宁. 车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望J.小型内燃机与摩托车,2007,36(1):66-69.。直到20世纪40年代末这一情况才得到改观，径流式涡轮增压器成功应用与车用发动机上，人们重新将涡轮增压器作为提高发动机升功率的重要技术加以研究。60年代中期，欧美国家开始将涡轮增压器这一技术大规模应用才柴油机上，并取得了良好的效果。在此后的几十年里，伴随着计算机辅助设计的普及，以及机床精度的提高，涡轮增压器的性能有了很大的改善，特别是数控机床的产生，为更加复杂的叶型加工提供了保障。压气机叶轮采用前倾后弯叶片之后，其效率比之前提高了7-10。现在，增压柴油机已经成为了中、重型商用车的首选动力装置，涡轮增压技术作为一项主要的发动机技术，成为提高柴油机动力性、经济性和排放性的重要途径之一刘云. 车用柴油机技术现状及发展趋势J. 潍坊学院学报, 2005, 5(4):85-87.。随着环境压力的不断加大，越来越严格的排放法规也不断更新，迫使汽车生产商加大技术研发的投入，这恰好成为了涡轮增压技术以及其他先进内燃机技术发展的强大推力。可以说，目前涡轮增压技术正处于一个前所未有的黄金时期。我国最早开始生产涡轮增压器是在上世纪50年代中期。经过几十年的积累与发展，我国的涡轮增压器生产也已经初具规模。特别是最近几年，增压发动机在我国发动机市场的比重迅速增加，涡轮增压器在柴油机和汽油机上都有应用，从小型乘用车到重型商用车上都出现了涡轮增压器的身影。而在我国西部广阔的高原地区，涉及到内燃机动力装置的机械，都必须配备增压系统。增压技术成为内燃机在高海拔地区应用的必备条件周文波. 高原柴油机的涡轮增压技术研究D.武汉：华中科技大学, 2004年.。 1.2 涡轮增压技术简介各种动力装置，特别是车用内燃机，一直追求用更小更轻的发动机输出更强劲的动力。小巧的动力装置不但给整车布置带来更大的选择空间，也减轻了车辆的自重，降低燃油消耗量。涡轮增压技术是指压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。所谓的内燃机废气涡轮增压系统包含一下部件：进排气管道、中冷器、涡轮增压器。涡轮增压系统根据排气能量利用方式不同又可分为定压和脉冲两种形式周龙保. 内燃机学M.北京：机械工业出版社, 2010.。通常，评价发动机强化程度的指标是升功率NL，可用下式表示： （1-1）式（1-1）中Pe平均有效压力；n发动机额定转速，r/min；发动机冲程系数。根据式（1-1）中所示，冲程系数确定之后，有两种途径可以提高升功率，即提高平均有效压力Pe和提高发动机额定转速n朱大鑫. 涡轮增压与涡轮增压器M.北京：机械工业出版社, 1992.。通常，转速n的提高会受到限制，如气缸内燃料无法充分燃烧，容积效率和机械效率大幅下降，零部件磨损加剧，使用寿命显著缩短以及发动机振动和噪声加大等。而对于柴油机来说转速的提高就更加有限，一般中型高速柴油机转速不高于4000r/min。那么就只剩下提高平均有效压力Pe这条路可走了。所幸，Pe提高时，发动机热负荷和机械负荷并不成比例增加，因此Pe可有大幅度提高的空间。根据研究结果，当以理想空燃比燃烧单位体积的燃油时，我们应该配备约为燃油体积10000倍的助燃空气。由此可以看出，就气缸体积有限的往复式内燃机而言，缸内体积绝大多数被空气占据，而燃油仅仅只需很小的一部分体积。因此自然吸气的内燃机，我们可以轻易地增加喷入气缸的燃油量，但却无法轻易地配给相应的空气助燃，巨大的空气体积就成为了我们亟待解决“主要矛盾”。根据上述分析，解决了增加柴油机供气量的问题，实际上也就解决了提高柴油机平均有效压力的问题。而增压技术就是针对这一问题的完美解答，在空气进入气缸之前为其增压，提高空气的密度，就能够在有限的气缸体积内充入尽量多的空气助燃。利用发动机排气蕴藏的能量带动压气机对进气进行压缩的废气涡轮增压技术就目前应用最为广泛的一种增压技术王铁宁. 增压中冷系统与柴油机的匹配研究D.天津：天津大学, 2007年.。 1.3 本文研究的目的及意义柴油机作为内燃机的一个大类，被广泛应用于船舶动力、车辆动力、发电、农业灌溉等领域，在车用动力方面的优势尤其明显。美国的柴油价格高于汽油价格，然而考虑到柴油机出众的动力性能，美国国内货运的55是由柴油动力完成的。众所周知，欧洲、美国有着最为严格的排放法规限制，能否通过排放法规的要求，已经成为欧美汽车生产商考虑的首要问题。而从近10余年来看，他们采取的一个重要战略就是 “汽车柴油化”。有调查数据显示，目前欧美国家100%的重型车、90%的轻型车采用柴油机，欧洲柴油轿车已占其轿车年产量的32%，法国、西班牙等国更高，达50%以上。可以看出，在排放法规越来越严格的趋势下，欧美国家发展新型清洁的柴油机的战略已经获得了初步的成功朱惠莲, 陆艳红. 车用柴油机特点及其技术发展趋势J.内燃机, 2006,(6):1-3.,向红, 梁正文. 车用柴油机的发展前景J.交通标准化, 2006, (12):141-145.,黄功胤, 楼狄明, 张宁宁. 国内外重型车用柴油机的现状及发展趋势J.车用发动机, 2003,(1):6-10.。随着汽车排放标准日趋严格，这对于汽车制造商来说提出了更高的要求，他们必须设计出既保证节能减排、又满足客户驾驶乐趣需求的新型汽车。而涡轮增压技术正好能够满足降低排放并提高燃油经济性，同时又能保证驾驶乐趣的要求，所以涡轮增压技术正越来越多的应用于车用发动机上。柴油机以其得天独厚的优势压燃式燃烧，很好的适应了增压技术在柴油机上的应用。因为柴油机运行时的压缩比本身就比较高，且不存在爆震这个说法，所以增压压力的限制较汽油机要小很多。增压中冷技术提高升功率的作用在柴油机上得到了很好的发挥。采用增压技术，再配合使用中冷器对增压后的空气进行中冷，使柴油机的平均有效压力(BMEP)已经可以达到30Bar左右，升功率水平也与汽油机相接近杨世友, 顾红中, 郭中朝. 柴油机涡轮增压系统研究现状与进展J.柴油机, 2001,(4):1-5.。可以说柴油机未来的发展已经离不开涡轮增压技术，涡轮增压器制造技术的不断提高，为柴油机的普及提供了重要条件。近年来，涡轮增压器的研发和制造朝着体积更小、重量更轻、零件更少的方向发展，制造工艺和材料选用方面也更趋成熟。目前，在欧洲汽车市场上相当一部分汽车发动机配备了涡轮增压器。无论对于汽油机还是柴油机来说，利用涡轮增压器提高汽车动力性能已是一个明显的趋势万渤华. 浅谈汽车涡轮增压技术的节能减排J.安全与环境工程, 2010,17(6):81-82.。 本文对柴油机涡轮增压器理论计算与实验相结合选配研究，可以为涡轮增压器在柴油机上的应用提供相应参考，简化匹配流程，降低匹配难度，最大限度发挥涡轮增压器的效果。1.4 本文研究的主要内容从上节的介绍可以看出，涡轮增压器几乎已成为柴油发动机必不可少的一个配件。涡轮增压器与柴油发动机匹配状况，将直接影响柴油机的动力性能。本文将对DK4B型车用柴油发动机选配一款合适的涡轮增压器，再此过程中提出一种理论计算与实验相结合的匹配方法。具体研究内容如下：1）查阅国内外相关文献资料，总结柴油机涡轮增压器使用、匹配方面研究现状及方向。2）通过对DK4B型发动机设计点n=1800r/min进行涡轮增压器结构计算，分别得到相匹配的压气机、涡轮机主要尺寸。并根据这些尺寸，选择了JP50B3型涡轮增压器作为初选机型。3）利用湖南天雁机械有限责任公司的实验台架，对JP50B3型涡轮增压器进行了压气机特性实验，以及柴油机联合运行实验。4）根据实验结果绘制了JP50B3型涡轮增压器压气机特性曲线与联合运行曲线，并对它们进行分析，判断匹配效果。为此，后续各章内容如下：第2章：文献综述。分析涡轮增压器原理，讨论柴油机涡轮增压技术的国内外研究进展和现状。第3章：柴油机涡轮增压器的匹配概述。对柴油机与涡轮增压器匹配的四大部分进行基本原理的阐述。第4章：涡轮增压器匹配设计计算。通过DK4B柴油机设计点的参数出发，对相匹配的压气机和涡轮机进行设计计算，得出其主要结构参数，并据此选型。第5章：柴油机涡轮增压器实验。对JP50B3型涡轮增压器的压气机特性实验和联合运行实验进行介绍和数据处理分析。第6章：全文总结。总结理论计算与实验研究结合为柴油机匹配涡轮增压器的方法，分析DK4B柴油机的增压效果。2文献综述本章将根据查阅的文献资料，整理出目前在涡轮增压技术研究方面国内外的新型研究成果及动向。并对于匹配方法、过程的新思路、方案进行了详细的阐述。 2.1 涡轮增压技术研究2.1.1 国内涡轮增压器行业现状随着我国汽车保有量迅速增长，汽车生产能力和制造水平也有大幅度提高。国家在汽车的电控技术、缸内燃烧技术、排气处理技术、涡轮增压器制造技术等方面的研究力度也越来越大，各方面新成果不断涌现。有数据显示，目前国内以柴油机作为动力装置的中重型商用车、客车已接近100% ,轻型货运和客运车辆也接近80%，而在这部分柴油机上绝大多数都应用了涡轮增压技术张晋东. 我国车用增压器产品现状及发展趋势J.柴油机, 2005,27(4):33-35.,王仁人, 任彦领, 王明杰, 等. 小型车用柴油机与涡轮增压器的匹配试验研究J.内燃机工程, 2001,22(4):16-19.。这个趋势的形成一方面是由于柴油机本身所具有的高扭矩特性，另一个重要的原因则是由于涡轮增压器的配备提高了柴油机升功率，一定程度上还降低了油耗。在我国汽车销售量激增的情况下，随之而来的是涡轮增压器需求量的明显增加。据统计，2002年，我国的发动机主机所配备的涡轮增压器仅为50万台，而到了2003年这个数字就增加到了80万台。从这组数据可以看出，我国涡轮增压器行业的发展速度之惊人。目前，我国的涡轮增压器行业已经成为年产值几十亿美元的一个资金、技术密集型产业 12,黄若. 涡轮增压器产业技术的现状与发展J.内燃机工程, 2003,24(1):81-84.。2.1.2 国外涡轮增压器行业现状国外涡轮增压器发展起步较早，最初涡轮增压器几乎都是安装在赛车或者高原地区车辆上。而当欧美国家意识到环境问题的严重性时，陆续出台了排放法规，并不断地更新和加大污染物排放限制力度。迫于压力，他们的汽车生产商们开始在车辆发动机上加装三元催化装置，使用废气再循环技术（EGR）。然而满足了排放法规的同时，发动机功率会下降20%左右。于是涡轮增压器就顺理成章地进入普通用途车辆领域，作为功率下降的弥补手段顾荣军, 杨小龙, 刘敬平, 等.汽油机涡轮增压系统的设计及匹配研究C.美国机动车工程师学会,2008：P139.。目前最著名的涡轮增压器制造商包括美国的霍尼韦尔公司以及德国的博格华纳公司。国外在涡轮增压器发展了几十年之后，对于单独的每个部件如，中冷器、增压器、进排气管路的改进已经比较到位，若想就一个部件提高其效率的可能性已经较小。所以他们希望把整个涡轮增压器系统作为一个整体来进行研究，从各部件配合工作的效果出发，对增压器进行一定的优化。例如：将中冷器入口和压气机出口整合到一起，把涡轮机的入口和发动机排气管合二为一14。这样一来，既减轻了装置重量、节省了空间，还可在一定程度上减小流动损失。M. Talbi等人还尝试利用废气同时进行吸收式制冷与涡轮增压。这样制冷量可供汽车空调用，也可以辅助增压气体的中冷M. Talbi, B. Agnew. Energy recovery from diesel engine exhaust gases for performance enhancement and air conditioningJ. Applied Thermal Engineering, 2002,(22):693-702.。欧美国家从20世纪20年代开始制造涡轮增压器至今，其大体经历了一下几个阶段：基本型、增压空气控制旁通放气、可变几何或可变截面、电子控制涡轮增压器。在此过程中，涡轮增压器的性能越来越稳定，适用的发动机范围也越来越宽。有资料表明，目前一款由瑞士ABB公司生产的轴流式涡轮增压器总效率达75%。而汽车生产大国日本在涡轮增压器研究方面也处于世界一流水平，特别是在小型化方面优势相当明显，小型化的涡轮增压器匹配汽油机，甚至是摩托车发动机。例如三菱公司、石川岛播磨公司的压气机叶轮直径曾经做到34mm。德国人则将其严谨的做事风格融入了涡轮增压器的开发生产过程中，如博格华纳公司生产的涡轮增压器在结构可靠性方面处于世界领先水平，他们继承了德国KKK公司传统，以制造经久耐用的涡轮增压器为首要目标14。2.1.3涡轮增压器新型结构的研究涡轮增压器与发动机的匹配状况是保证发动机的动力性、燃油经济性及使发动机满足排放法规的必要条件。为了保障增压器与发动机在全工况的良好匹配，国内发动机上逐渐出现了应用不同思路设计和精确控制的涡轮增压系统。国内在车用涡轮增压器中，应用最广的是带有废气旁通阀的涡轮增压器。而对于可变喷嘴涡轮增压器（VNT），正在小规模的研发、实验中，暂时还没有普及。废气旁通阀和可变喷嘴是两个提高涡轮增压器适应性的技术。它们采用不同的思路达到适应较宽广的涡轮增压器转速范围的目的马朝臣, 朱庆, 杨长茂, 等. 涡轮调节方式对增压柴油机匹配性能的影响J内燃机学报,2000,18(2):165-167. ,张晋东, 李洪武. 车用柴油机涡轮增压技术的新发展J. 车用发动机, 2002,(1):1-4.,刘蕴星. 带排气放气阀涡轮增压器与柴油机匹配时影响低速性能的因素分析J. 柴油机设计与制造, 2005,14(2):25-28.。两者的原理如下：1）废气旁通技术是将柴油机的匹配点选在最大扭矩点附近。在满足了最大扭矩所需的进气压比后，转速进一步增压时，流经涡轮的废气流量与膨胀比增大。这将导致与其同轴相连的压气机端转速和增压压力增加，压气机就有可能出现超速，而柴油机则会出现最高爆发压力过高的情况。这时，由于压气机出口压力显著上升，旁通阀执行器将涡端进口处的旁通阀打开，放出部分废气，是柴油机恢复正常工作。2）可变喷嘴技术则是在涡轮进口处设置一圈可动的喷嘴环叶片，在电控装置或者气动控制的调节作用下，叶片会根据压气机出口压力变化而变化。匹配点通常取在柴油机的标定点。当压气机出口压力下降时，执行器调节喷嘴环流通面积变小，从而增加涡端的功率输出，从而恢复压气机出口的压力。同时，涡轮机的最高效率点也会随着叶片角改变而变化，这样就可以在发动机不同工况下，通过调整喷嘴环叶片角，保证涡轮机工作在高效点。从上述介绍可以看出，可变喷嘴的适应能力要强于废气旁通技术，且不会出现较高工况损失部分废气能量的情况出现。然而，由于国内可变喷嘴技术刚刚应用，可靠性和制造加工难度方面还有一些缺陷胡松岩. 变几何涡轮及其设计特点J. 航空发动机, 1996, (3):21-26.。而废气旁通技术则应用较为方便，实现的成本相对低一些，国内市场绝大部分涡轮增压器都是采用废气旁通技术。使用废气旁通阀要处理的一个问题就是，旁通阀开启压力的设置。旁通阀开启得太早，将损失过多的排气能量。所以最佳方案应该是，在柴油机机械负荷和热负荷允许的前提下，尽量增加阀门的开启压力。研究表明，在某款欧车用柴油机上搭载同一款增压器，通过调节弹簧预紧力更改开启压力，较大的开启压力将能提高燃油经济性和降低涡前温度孟德干. 涡轮增压器与车用柴油机匹配研究J. 柴油机设计与制造, 2007, 15(3):33-36.。Arto Sarvi等人还发现，废气旁通阀的使用将对柴油机污染物排放的减少有所帮助Arto Sarvi, Carl-Johan Fogelholm, Ron Zevenhoven. Emissions from large-scale medium-speed diesel engines:1. Influence of engine operation mode and turbochargerJ.Fuel Processing Technology,2008,(89):510-519. 。北京理工大学的施新、马朝臣等设计了混流涡轮来匹配J6110Z柴油机,研究指出，混流涡轮与传统的径流式涡轮比，具有流通能力大、涡轮峰值效率出现在更低的速度比下施新, 马朝臣. 车用涡轮增压器混流涡轮的设计J. 工程热物理学报, 2002, 23(1):35-38.。张俊跃等人研制了一段轴径流式涡轮增压器，其压比能够达到4.5。所谓轴径流涡轮增压器是指对传统的离心式压气机进口处追加一个轴流式压气机。其结构如图2-1所示。图2-1 轴径流式涡轮增压器结构图张俊跃, 王林起, 徐思友, 等. 轴径流涡轮增压器设计与试验研究C. 中国工程热物理学会，2009：P201这种型式的涡轮增压器为超高增压方向研究开辟了一种新的思路，从而进一步提高发动机的进气密度与升功率。C.D. Rakopoulos等人在研究中发现，减小涡轮机入口空间，将有利于减少增压柴油机NO和碳烟的排放，但是幅度并不是很大C.D. Rakopoulos, A.M. Dimaratos, E.G. Giakoumis, et al. Evaluation of the effect of engine, load and turbocharger parameters on transient emissions of diesel engineJ.Energy Conversion and Management, 2009,(50):2381-2393.。为了克服传统的涡轮增压器响应慢的问题，Deliang Wang等人开发了一款新的涡轮增压器，同时他们还设计了该款涡轮增压器的控制系统Deliang Wang, Xianyi Qian. New-Style Turbocharger and Its Control SystemC. International Conference on Computer Application and System Modeling,2010,P551-554.。由于发动机排气的脉冲能量以及排气管的作用，发动机运行时产生的噪音对人体健康产生威胁。涡轮机作为排气系统的一部分，其在声学上的作用将影响发动机整机噪音大小。为了解决这个问题，K.S. Peat对涡轮机建立了声学模型，并通过实验对比，验证了该模型是比较符合实际的K.S. Peat, A.J. Torregrosa, A. Broatch, et al. An investigation into the passive acoustic effect of the turbine in an automotive turbochargerJ. Journal of Sound and Vibration, 2006,(295):60-75.。对于涡轮增压器主轴失效损坏机理，Xu Xiaolei等人进行了研究。由于旋转疲劳失效是工程上最常见的情况。他们采用金属旋转疲劳测验法，对主轴进行了实验。结果表明，在比较尖锐的边缘，如凹槽，是最容易出现断裂的位置。在这些位置加工圆角能有效缓解应力集中，减少失效情况出现Xu Xiaolei , Yu Zhiwei. Failure analysis of a locomotive turbocharger main-shaftJ.Engineering Failure Analysis,2000,(16):495-502.。为了加快乘用车涡轮增压器的响应速度，通常可以采用减轻叶轮和主轴重量的方法。然而传统涡轮叶轮材料无法用于排气温度高于850的情况下。Toshimitsu等人采用钛铝合金作为涡轮叶轮材料，这样的叶轮具有质量小、耐高温的特点，能使涡轮机性能更优Toshimitsu, Tetsui.Development of a TiAl turbocharger for passenger vehiclesJ.Materials Science and Engineering,2002,(331):582-588.。2.1.4高原地区功率恢复研究由于我国拥有面积广阔的高原地区，国内对于利用涡轮增压器恢复高原动力方面也做了大量的研究工作。刘瑞林等人在自行设计的内燃机高海拔模拟实验台架上，对海拔变化与涡轮增压柴油机性能关系进行了模拟。实验柴油机为BF8L513型增压柴油机，结果显示，海拔高度对高转速区域的影响较小，最大功率仅下降了3.6%。而在低速区，功率下降则较为严重，海拔高于2000m之后，功率最高下降了18%刘瑞林, 刘宏威, 秦德. 涡轮增压柴油机高海拔（低气压）性能试验研究J. 内燃机学报, 2003,21(3):193-196.。昆明理工大学的张云侠等人对一台单缸4冲程汽油机进行了，进气脉冲增压试验，在此过程中将压缩比和点火提前角做了适当调整。实验结果表明，当汽油机进行高原功率恢复时，需要将压缩比提高，同时对点火提前角进行调整。在喷油量一定的情况下，经过高原恢复功率后原机的排气温度由711下降到了690张云侠, 申立中, 颜文胜, 等. 一种小型风冷汽油机高原功率恢复试验研究J. 汽车技术, 2001,(10):27-29.。申立中等人利用内燃机大气模拟综合测量系统，对一台排量为3.3L的四缸四冲程柴油机进行了台架实验。其主要结论是：自然吸气时，柴油机缸内进气终了压力温度较小，使得滞燃期变长，早期放热率变大，压力升高。涡轮增压柴油机在海拔高度不同的情况下运行，其燃烧过程没有太大的差异。加装了涡轮增压器的柴油机应适当增加其喷油提前角，从而减少碳烟的排放申立中, 沈颖刚, 毕玉华, 等. 不同海拔高度下自然吸气和增压柴油机的燃烧过程J. 内燃机学报, 2002,20(1):49-52.。他们还专门进行了高原增压中冷柴油机排放性能研究。结果表明，高原地区CO、NOx、HC、PM排放浓度都有升高，尤其是怠速工况下申立中, 杨永忠, 雷基林, 等. 不同海拔下增压中冷柴油机性能和排放的研究J. 内燃机学报, 2006,24(3):250-255.。华中科技大学的周文波分析了高原柴油机通过改进燃油系统以及匹配涡轮增压器提高柴油机功率的可行性，并指出在高原动力装置的涡轮增压器匹配中应注意涡前温度和最高转速的限制周文波, 朱梅林. 高原柴油机的涡轮增压技术研究J. 柴油机设计与制造, 2003,(3):4-8.。天津大学的沈颖刚对高原地区不同燃料的发动机燃烧性能进行了实验分析。实验结果表明，在大气压变化的情况下，汽油机的万有特性曲线变化较大。而柴油机涡轮增压器的联合运行线将随海拔增加而逐渐逼近喘振边界线，导致压气机效率下降。若使用LPG/柴油双燃料发动机，匹配合适的涡轮增压器，将表现出良好的高原动力性沈颖刚. 高原环境下内燃机工作过程研究D. 天津：天津大学, 2005年.。2.2.5涡轮增压器存在的问题研究者也敏锐地观察到了涡轮增压器的使用带来的一些负面影响和问题，这些研究为未来性能更优的涡轮增压器的开发研制提供了方向。朱会田等人对柴油机涡轮增压器存在的问题归纳了以下几点朱会田, 王远, 李洪. 柴油机废气涡轮增压不良影响及对策J. 现代农业装备, 2008,(10):54-58.：1）车用涡轮增压器的使用将导致柴油机转矩适应性的下降。所谓转矩适应性，指的是在保持档位不变的情况下，柴油机克服外界阻力的能力。2）由于在柴油机启动时，涡轮增压器是不工作的，这将导致柴油机的启动性能不佳。3）涡轮增压器的使用使得柴油机气缸内部氧气更加充足，燃烧压力、温度升高。NOx产生所需的环境恰好是高温富氧，所以，涡轮增压器的使用将直接导致柴油机NOx排放量上升。4）涡轮增压器与发动机是气动联系的，叶轮对发动机工况变化反应存在延迟。这将导致柴油机加速性能不良，尤其是转子质量较大时。5）涡轮增压器的使用将提高每循环的喷油量，所以柴油机的机械负荷以及热负荷将有极大的增加。2.2 发动机涡轮增压器的匹配研究现状国内对于涡轮增压器的匹配方法，总体来有两个研究方向：一是利用仿真的方法，建立计算模型，对涡轮增压器各方面运行特性进行模拟，为匹配提供依据。另一个方向则是在实验方面做工作，通过不断优化实验过程，提高实验准度，减少匹配工作量。2.2.1 国内的匹配仿真研究在运用计算机仿真计算求得到涡轮增压器特性方面，我国近年来所得到的一些主要成果如下：目前有文献表明，对柴油机涡轮增压器运行建立计算模型，然后输入比较简单的涡轮增压器和柴油机参数，设定其运行环境和工况，对柴油机的动力性和经济性进行仿真赵艳婷, 殷勇. 柴油机涡轮增压器模型的建立及应用C. 中国内燃机学会第七届学术年会论文集,2007:P507.。湖南大学曾经针对汽油机进行了匹配的仿真，通过建立原发动机的GT-POWER仿真模型，进行模拟计算选择了涡轮增压器，并利用软件中的PID控制实现放气阀的控制。最后对汽油机增压后的最大功率进行预测，约增加60%左右15。计算机仿真还可用于模拟涡轮增压器实验，利用MATLAB/SIMUNILINK仿真环境，对涡轮增压器实验台架进行仿真段树林, 欧阳明高, 刘峥. MATLAB/SIMULINK在涡轮增压器动态特性仿真中的应用J. 大连铁道学院学报, 1999,(4):33-36.。研究者首先将实验台的各部分模块化。如将GarrettT51压气机特性曲线整理成二维数组存入计算机，再由热力学定律和牛顿定律计算出压气机出口温度和压气机消耗的扭矩。然后分别将转子、涡轮机、燃烧室的基本模型方程用MATLAB写成程序进行计算。仿真中，积分步长为20ms，采用了3阶龙格-库塔算法。结果表明，系统仿真结果与实验的结果比较接近。华中科技大学的程伟利用Boost软件，将进排气管、发动机、中冷器以及涡轮增压器作为一个整体来计算，考察了它们结构参数对增压压力、功率、扭矩等性能参数的影响情况程伟. H系列电控共轨柴油机进排气增压系统设计、试验与计算分析D.武汉：华中科技大学, 2005年.。北京理工大学的马培正为JK90S型可变几何涡轮增压器设计开发一套VGT气动执行机构，并利用GT-POWER，建立了JK90S固定截面涡轮增压器与WD615.50柴油机的仿真模型。与实验结果对比发现，该模型对柴油机的性能预测较为准确，模型计算误差在5%以内马培正. VGT气动执行机构的设计及其与柴油机匹配的仿真研究D.北京：北京理工大学, 2008年.。常婉帜等人对无导叶向心涡轮进行了流动仿真模型的建立，并在此基础上进行了涡轮效率、涡轮质量流量等参数的计算。与实验值对比之后发现，此计算模型对涡轮特性预测准确，可用于工程设计常婉帜, 戴韧, 邢卫东, 等. 增压器涡轮性能试验与CFD计算方法的研究J. 车用发动机, 2007,(6):68-71.。2.2.2 国内的匹配实验研究国内不少学者也对匹配方法以及匹配实验数据处理方面进行了一些改进。主要成果如下：有人提出了燃气发动机定压排气增压系统的匹配过程，即首先进行增压参数的确定，然后按设计点利用参数估算值与特性图结合的方法，从燃气发动机与压气机匹配、燃气发动机与涡轮的匹配和压气机与涡轮的匹配三个方面进行选择，最后通过发动机和涡轮增压器的实验进行部分调整苏展望, 庞志伟, 郭军良, 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J. 内燃机与动力装置, 2008,(6):15-17.。ZHANG Yangjun等人在文章中提出了涡轮增压器的设计方法，以便于实现涡轮增压器和发动机搞好的匹配。此方法建立在涡轮增压器设计概念、发动机循环与设计法规的交互作用上。再通过流动模型生成可选择的方案。此种综合方法可用于汽油机与涡轮增压器的匹配ZHANG YangJun1, CHEN Tao, ZHUGE WeiLin, et al. An integrated turbocharger design approach to improve engine performanceJ. SCIENCE CHINA(Technological Sciences):2010,(53):69-74.。清华大学曾经进行了以达到车用循环工况总油耗最小值为目标的发动机涡轮增压器匹配方法的研究，依据每个工况点的运行时间长短，配以相对应的全中，以油耗与权重的乘积总和作为优化目标，并使用该方法对某款1.8L汽油机进行了匹配的仿真研究。匹配结果为，多工况匹配法使该款发动机的最大扭矩提高3%，NEDC驾驶循环的平均有效燃油消耗率降低了百分之二孙万于, 张艳丽, 胡力峰, 等. 内燃机涡轮增压多工况匹配研究J. 车用发动机, 2010,(4):83-86.。施新为419QE汽油机匹配涡轮增压器时，设计了脉冲和定压两种增压系统。利用循环模拟程序计算了419QE汽油机增压之后的关键性能参数，对比脉冲和定压系统的结果，发现脉冲系统能够更加充分地利用废气能量施新, 马朝臣, 王樵. 491QE汽油机涡轮增压系统设计及模拟计算J. 车用发动机, 2004,(5):8-10.。陈木如对茂名石油化工公司铁路运输公司的GK1G-C机车用柴油机冒黑烟现象进行了深入分析，最后发现是由于原先匹配的增压器不合适，改用J170型增压器后排放性能有了较大幅度的提高陈木如. 12V190BJ6型柴油机增压器的选配J. 内燃机车, 2004,(5):24-25.。2.2.3 国外匹配研究现状国外在匹配方面的研究同样进行地比较早，为了使涡轮增压器能够帮助发动机发挥更好的作用，国外的研究人员对发动机与涡轮增压器更好地联合运行提出了许多改进方案。希腊有学者提出了一种涡轮机性能图M. Tancrez, J. Galindo, C. Guardiola, et al. Turbine adapted maps for turbocharger engine matchingJ. Experimental Thermal and Fluid Science, 2011(35):146-153.，用来为涡轮增压器与发动机匹配提供一种简洁而且合适的方法。这种涡轮特型图建立在涡轮增压器功率以及涡轮的质量流量基础之上，可以表达可变喷嘴（VNT）在不同叶片位置时的涡轮性能。将此图应用于模型计算增压后发动机性能得出的结果与发动机台架实验测得的发动机性能基本一致。福特公司的Ilya Kolmanovsky使用数值最优化控制技术，来求取涡轮增压器最好的瞬态控制方式。这种控制方式能够有效降低排放，提高车辆的动力性能Ilya Kolmanovsky, Anna G. Stefanopoulou. Evaluation of Turbocharger Power Assist System Using Optimal Control TechniquesJ. Society of Automotive Engineers,2000,(01):519-528.。西班牙的J. Galindo等人为了减少车用发动机上的涡轮增压器运行在压气机喘振区，对压气机喘振线的测定进行了研究。他们采用一种数学工具，将压气机喘振点与非喘振点区分开。它的原理是在频域内监测离心式压气机变量的瞬时变化J. Galindo, J.R. Serrano, X. Margot, et al. Potential of flow pre-whirl at the compressor inlet of automotive engine turbochargers to enlarge surge margin and overcome packaging limitationsJ.International Journal of Heat and Fluid Flow, 2007,(28):374-387.。J. Galindo同时还对离心式压气机进气管对发动机性能影响进行了研究。他们将本身成90弯曲的压气机进气管改成螺旋式（SGD），以此减少此段管道的压力损失，并扩大非喘振区域的范围。为了更好得了解SGD对离心式压气机进口处速度三角形的作用，J. Galindo等人还使用CFD计算方法，对这部分区域进行了仿真J. Galindo, J.R. Serrano, C. Guardiola, et al. Surge limit definition in a specific test bench for the characterization of automotive turbochargersJ. Experimental Thermal and Fluid Science, 2006(30):449-462.。Bernhard Schweizera等人研究了涡轮增压器废气涡轮的非线性喘振，使用多体系统仿真，得出不同的燃油供给压力及燃油供给温度对转子及轴承系统震动的影响Bernhard Schweizera, Mario Sievert. Nonlinear oscillations of automotive turbocharger turbinesJ. Journal of Sound and Vibration, 2009,(321):955-975.。C. D. Rakopoulos等人提出一种用来预测在压气机喘振时发动机充气系统动态特性的模型，是结合线性准稳态柴油机仿真代码发展起来的。这种分析法的优势有：更详细的引擎代码使基本操作简便、计算速度的提高以及省略了许多没有必要的数据（如发动机和涡轮增压器零部件的部分参数），而把重点放在了相关物理现象的正确模拟。瞬态操作运行，包括喘振开始时的临界情形，采用了两个类似的6缸柴油发动机C. D. Rakopoulos, C.N. Michos, E.G.Giakoumis. Study of the Turbocharged Diesel Engines Including Compressor Surging Using a Linearized Quasi-Steady AnalysisC. SAE International 2005-01-0225.。随着燃气发动机的使用，有学者对涡轮增压器在燃气发动机上的使用进行了研究。Ugur Kesgin采用仿真手段，建立缸内零维模型，随后主要选择了涡轮出口直径、增压器效率、涡轮背压等参数作为变量。研究它们的变化对燃气发动机性能的影响Ugur Kesgin. Effect of turbocharging system on the performance of a natural gas engineJ. Energy Conversion and Management, 2005,(46):11-32.。K.A. Al-attab等人通过两种稳态流动试验来检验三种不同的涡轮增压器与带中冷器的涡轮增压汽油发动机的匹配程度。第一种试验测试的是三种不同的压气机与涡轮在稳态流动下的性能。第二种试验的测试是稳态流动时，发动机与涡轮增压器匹配后，在设计状态与非设计状态的性能。测试的结果显示的整个热力循环在计状态与非设计状态的性能，此结果可以用于判别不同工作需要的发动机适合于哪种涡轮增压器K.A. Al-attab, Z.A. Zainal. Turbocharger-Design Effects on Gasoline-Engine PerformanceJ. Applied Energy, 2010,(87)：1336-1341.。Philippe Moulin等提出了涡轮增压系统的控制策略，此种策略建立在涡轮增压系统的线性反馈模型的基础上，为通用的更加复杂的涡轮增压系统提供了一种潜在的控制策略。并利用四缸汽油发动机完成了一些实验Philippe Moulin, JonathanChauvin. Modeling and control of the air system of a turbocharged gasoline engineJ. Control Engineering Practice, 2009, (6):1-11.。2.3涡轮增压器试验台架研究现状涡轮增压器的试验台架性能直接关系到涡轮增压器的使用和研究。台架测量的数据是否准确，采集过程是否简便易操作都是研究人员关心的问题。所以，涡轮增压器试验台架的开发将直接影响增压器的生产制造水平。近年来也有许多这方面的研究成果。北京理工大学的张虹、田建英等设计了一种压气机特性自动化实验平台张虹, 田建英. 涡轮增压器压气机性能试验台测控系统J. 北京理工大学学报, 2007,27(3):210-213.。压气机性能的实验是测取压气机工作过程中各工况下的压比、流量、效率、转速。然后将其整理成图形。传统的人工逐点记录将不但耗费大量的人力物力，而且测量误差较大黄勇, 林柏松. 涡轮增压器试验台计算机数据采集系统的设计及应用J. 内燃机车, 2001,(7):26-27.。采用该款自动化测试平台，可以方便地进行压气机特性实验以及整机自循环实验。所有的实验数据能有在控制平台实时监测，并按操作者的要求自动调整工况，保存每组数据。测试完成后，压气机特性曲线将自动生成。该套压气特性自动测试系统的硬件组成图如图2-2所示。