渦輪增壓器設(shè)計(jì)選型

渦輪增壓器設(shè)計(jì)選型渦輪的各項(xiàng)指標(biāo)，規(guī)格以及型號(hào)劃分A/R:A代表出口面積R代表壓縮半徑很多人認(rèn)為a/r代表渦輪的大小，其實(shí)這是被渦輪上僅有一個(gè)能看見的數(shù)字誤導(dǎo)了。A/R比值代表渦輪殼體內(nèi)的容積大小，這個(gè)數(shù)值決定了排氣從殼體內(nèi)流過的速度。A/R決定了排氣葉輪的反應(yīng)速度，a/r越大，殼體的最高流量越高，但是在同等壓力下，a/r值小的殼體排氣流速就會(huì)比較快。一般這個(gè)數(shù)值在排氣外殼的選擇上比較重要，因?yàn)槲覀兛偸菫闇u輪的反應(yīng)速度而頭疼，a/r則是決定渦輪反應(yīng)素的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。Trim:TRIM=(Dp/Dg)²x100簡單來說，trim是葉片大直徑和小直徑的比值，這個(gè)比值決定了渦輪的最高流量。無論排氣葉輪和進(jìn)氣葉輪都是一個(gè)道理。舉例說明:Dg=50Dp=35Trim=(35/50)²x100=49渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配:以下部分我們講的是如何計(jì)算引擎需要的空氣體積或質(zhì)量，并選擇適當(dāng)型號(hào)的渦輪去匹配你的引擎。這也要提及到關(guān)于溫度，壓力和中冷系統(tǒng)對(duì)于引擎性能影響的內(nèi)容。引擎流量方程式volumeofair(cuft/min)=enginerpmxenginecid(1728x2)在四沖程自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中，每個(gè)氣缸在吸氣過程中理論上可以吸入的最大空氣量等于該氣缸的體積(0.7854x內(nèi)徑x口徑x沖程)。由于每個(gè)氣缸在曲軸轉(zhuǎn)兩周的過程中就有一個(gè)吸氣沖程，那么在曲軸每轉(zhuǎn)一圈中氣缸理論上可吸入的最大空氣量就等于氣缸容積的一半。這個(gè)方程式是講解如何計(jì)算出多少體積的空氣進(jìn)入到引擎內(nèi)。舉例說明，一臺(tái)231立方英寸排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣氣門每當(dāng)引擎轉(zhuǎn)動(dòng)兩周都會(huì)打開一次，那么，引擎沒轉(zhuǎn)兩周就會(huì)吸入231立方英寸的空氣。那么在同體積下有多少磅的空氣進(jìn)入引擎，就要看近期的壓力是多少，但是引擎每兩轉(zhuǎn)周的進(jìn)氣體積體積永遠(yuǎn)是231立方英寸。注:1立方英寸=16.387064cc231立方英寸=3785.411784cc理想氣體定律P(絕對(duì)壓力)V(容積cu.ft/min)=n(進(jìn)氣量lb/min)RT(絕對(duì)溫度)理想氣體定律是一個(gè)非常有用的方程式，它把進(jìn)氣壓力，溫度，進(jìn)氣體積和進(jìn)氣量聯(lián)系到了一起，如果你知道其中任意三個(gè)數(shù)值，就可以求出來另外一個(gè)。其中P是絕對(duì)壓力，并非我們的壓力表上看到的“相對(duì)壓力”V是近期體積R是個(gè)常數(shù)T是絕對(duì)溫度絕對(duì)壓力是我們表讀出來的相對(duì)壓力加上大氣壓力。在0海拔高度的大氣壓力位14.7psi。例如我們表上顯示17psi的壓力，那么絕對(duì)壓力就是17+14.7=31.7psi。絕對(duì)壓力單位是psia(psiabsolute)，而表讀壓力的單位是psig(psigauge)。絕對(duì)溫度是華氏溫度加上460這個(gè)常量(此為蘭金刻度單位degR)。如果我們外部溫度為80華氏度，那么絕對(duì)溫度是80+460=540degR。理想氣體定律可以在任何變化的數(shù)值下成立。例如，如果你已知壓力，溫度，和進(jìn)氣體積，那么你可以計(jì)算出進(jìn)氣量(磅)。n=PV/(RT)當(dāng)我們知道增壓的壓力，進(jìn)氣體積(可以通過上一個(gè)公式可以計(jì)算得出)和進(jìn)氣溫度的時(shí)候，我們可以算出有多少空氣進(jìn)入了引擎，你的引擎還可以壓榨出多少動(dòng)力。下面是理想氣體定律的幾個(gè)變形公式如何計(jì)算進(jìn)氣量n(lbs/min)=P(psia)xV(cu.ft./min)x29(10.73xT(degR))如何計(jì)算進(jìn)氣體積V(cu.ft./min)=n(lbs/min)x10.73xT(degR)(29xP(psia))容積效率VE和壓縮空氣溫度的影響如果世界上什么事情都可以做到完美的話，我們當(dāng)然要把燃燒室內(nèi)壓滿空氣。如果進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力達(dá)到17psi，我們當(dāng)然想讓燃燒室內(nèi)，到進(jìn)氣氣門關(guān)閉之前都能達(dá)到17psi的壓力。但是事實(shí)是殘酷的，一般情況下來說這是不可能的。由于氣缸內(nèi)殘留的廢氣和進(jìn)氣管道實(shí)際流量的限制，實(shí)際進(jìn)氣量要少于理想的進(jìn)氣量的。實(shí)際流量除以理想進(jìn)氣量就是我們這里談的容積效率。對(duì)于一般自然吸氣引擎來說，容積效率只能達(dá)到85-87%，如果加上大氣門，高角凸輪軸，進(jìn)氣拋光等工序的改裝之后，在某些轉(zhuǎn)速區(qū)域下，由于氣體慣性的關(guān)系，有可能會(huì)達(dá)到100%的容積效率，但通常來講，這是很難做到的。所以我們必須要計(jì)算出到底有多少空氣進(jìn)入了我們的引擎。實(shí)際進(jìn)氣量=理想進(jìn)氣量x容積效率舉例說一下，還是以第一個(gè)方程式的231立方英寸排量的引擎為例來計(jì)算一下。有兩臺(tái)一樣的引擎，工作轉(zhuǎn)速同為5000轉(zhuǎn)，一個(gè)有中冷系統(tǒng)，另外一個(gè)為無中冷系統(tǒng)，那么有多少體積的空氣被吸進(jìn)去了呢,V(CFM)=5000x231=334.2cfm1728x2我們可以看到兩個(gè)引擎吸進(jìn)去的空氣體積是一樣的。同樣，我們可以計(jì)算出實(shí)際的進(jìn)氣量則有很大的出入。比如其中一臺(tái)沒有中冷系統(tǒng)的引擎，進(jìn)氣壓力位19psi，進(jìn)氣歧管內(nèi)溫度為250華氏度，那么多少空氣被利用上了呢,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如果另外一臺(tái)有中冷系統(tǒng)的引擎會(huì)怎么樣呢,進(jìn)氣歧管內(nèi)溫度為130華氏度，進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力只有17psi的壓力。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從以上對(duì)比，我們看出有中冷系統(tǒng)的引擎雖然進(jìn)氣壓力比另外一臺(tái)低了2psi，但是實(shí)際進(jìn)氣量則多了很多，中冷引擎為41.3磅，無中冷引擎為36.4。雖然這個(gè)道理大家都很明白，但是這里給各位從理論角度講解了為什么溫度影響進(jìn)氣量。渦輪增壓器的壓氣機(jī)渦輪的進(jìn)氣側(cè)(compressor)是渦輪吸氣，壓縮并把空氣壓緊進(jìn)氣歧管內(nèi)的部分。檔空氣的分子被快速旋轉(zhuǎn)的葉片吸進(jìn)去，并被甩到外側(cè)的過程種，空氣分子被強(qiáng)制堆積到一起，這造成了壓力。大家都知道，進(jìn)氣葉片的動(dòng)力來源于同軸的排氣葉輪。但是并非所有來自排氣側(cè)的能量都用于壓縮空氣，而有一部分熱量使進(jìn)氣溫度升高(這同樣也是能量浪費(fèi)的一個(gè)過程)，這就要感謝我們?nèi)祟?，不能做出來完美的機(jī)械設(shè)備。由于壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)，空氣是一直在被攪拌的狀態(tài)當(dāng)中，同樣會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，就好比咱們天冷的時(shí)候搓搓手，進(jìn)氣葉片與空氣，空氣分子之間的不停摩擦，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。如果你把來源于排氣側(cè)的能量劃分出來一部分用于增加進(jìn)氣壓力，那么這一部分用于增壓的能量被稱之為“壓氣機(jī)效率”。舉例來說，如果壓氣機(jī)的效率是70%，那么只有70%的能量用于增加壓力，而余下的30%是用來制造了多余的熱量。這就是為什么，我們所有人都在喊“我要高效率的增壓器”。丹麥的Rotrex機(jī)械增壓，美國的Vertech機(jī)械增壓和渦輪增壓器都被稱之為離心式機(jī)械增壓器。因?yàn)樗麄兺ㄟ^同樣的方式來對(duì)空氣進(jìn)行攪拌、壓縮，同樣是只有70-80%的工作效率。而雙螺桿式機(jī)械增壓則通過不同方式來對(duì)氣體進(jìn)行壓縮，高效率的螺桿式機(jī)械增壓的容積效率可達(dá)到100%～而Eaton為首的魯式增壓器則只有40%左右的效率。那么怎么樣才能知道從壓縮之后的氣體到底有多熱呢,Tout=Tin+Tinx[-1+(Pout/Pin)0.263]efficiencyTout:出口溫度Tin:進(jìn)口溫度Pout:出氣口壓力Pin:進(jìn)氣口壓力舉例來說，如果進(jìn)氣口溫度為70華氏度，吸氣口壓力位-0.5psig，出氣口壓力為19psig，efficiency效率為72%，出氣口壓力是多少呢:Tin=70degF+460=530degRPin=-0.5psig+14.7=14.2psiaPout=19psig+14.7=33.7psiaPout/Pin=33.7/14.2=2.373(壓氣機(jī)內(nèi)部壓縮比)Tout=530+530x(-1+2.3730.263)=717.8degR-460=257.8degF我們需要想到的是，壓氣機(jī)的壓力并不是一直不變的，出氣口壓力取決與壓氣機(jī)吸入的氣體體積(不是進(jìn)氣量，而是體積，單位CFM)和轉(zhuǎn)速。壓氣機(jī)的性能表現(xiàn)可以通過增壓曲線圖來解釋。大家看上面這張壓縮曲線圖。下面的橫坐標(biāo)定義為進(jìn)氣量(磅/分鐘)?？v坐標(biāo)為出氣和進(jìn)氣壓力比值(增壓器的壓縮比)。這上面有兩組不同的曲線:效率曲線和轉(zhuǎn)速曲線。被劃線部分是工作范圍。在限定范圍內(nèi)，增壓器的工作是最好的。當(dāng)然了，如果你想讓渦輪超出這個(gè)曲線的范圍，得到更高流量也可以，但是這對(duì)增壓器本身非常不好。如果超出曲線左側(cè)的”surgelimit”，增壓器會(huì)非常不穩(wěn)定，壓力會(huì)沒有規(guī)律的上躥下跳，這就是所謂的surging。這種不正常的操作會(huì)導(dǎo)致增壓器完全報(bào)廢，而且會(huì)影響到引擎。下面給大家講解一下如何利用這張圖來選擇適合自己的增壓器咱們還用之前距離的231立方英寸排量的引擎為例，通過中冷之后進(jìn)氣量為41.3磅/分鐘，進(jìn)氣壓力位-0.5psig，溫度為70華氏度，現(xiàn)在我們把它作為標(biāo)準(zhǔn)的溫度和壓力。Correctedflow=actualflowx(Tin/545)0.5(Pin/13.949)我之所以用13.949，是因?yàn)榘阉薪^對(duì)壓力替換為英寸汞柱(此圖為蓋瑞特的標(biāo)準(zhǔn))。13.949psia=28.4英寸汞柱29.92英寸汞柱是在海平面的大氣壓力，那么29.92-28.4=1.52英寸汞柱真空壓力。這才是標(biāo)準(zhǔn)的吸氣壓力。標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)氣溫度為545DegR，或者545-460=85華氏度那么我們把外部條件從70華氏度，-0.5psig換算為85華氏度，-0.75psig(或13.949psia絕對(duì)壓力，或-0.75psi真空壓力，或1.5英寸汞柱真空，或隨便什么你習(xí)慣的單位)Tin=70+460=530degRPin=-0.5+14.7=14.2psiaCorrectedflow=41.3x(530/545)0.5=40.0lb/min(14.2/13.949)然后我們?cè)跈M坐標(biāo)上標(biāo)出這個(gè)點(diǎn)，然后從這一點(diǎn)做一條向上的垂直線。其實(shí)用流量表來測量進(jìn)氣量是更好的做法。比如TurboLink，TurboLink的測量單位是克/秒。換算為磅的話需要乘以0.1323。比如，如果流量表測出來是18克/秒@45mph(英里每小時(shí))，那么空氣流量為18x0.1323=2.4磅/分鐘。但是問題是流量計(jì)的弊端是最高只能讀到255克/秒。如果有更多的空氣通過的話，流量計(jì)就顯示不出來了。這就是為什么我們需要通過以上運(yùn)算來得到進(jìn)氣量的原因了。下一步是用絕對(duì)壓力來找到壓縮比的那一點(diǎn)。還是用我們剛才的例子，17psi的進(jìn)氣壓力。由于空氣從增壓器到進(jìn)氣歧管之間會(huì)有壓力的衰退，我們假設(shè)為3psi吧，那么實(shí)際從渦輪出來的壓力是17+3=20psig。進(jìn)氣口壓力是-0.5psi(還是剛才我們的例子)，那么壓縮比為Pout/Pin(Pout:出氣口壓力;Pin:進(jìn)氣口壓力):Pout/Pin=(20+14.7)=2.44(-0.5+14.7)然后我們?cè)诳v坐標(biāo)上找到2.44的位置，從這一點(diǎn)向右與橫坐標(biāo)平行畫一條橫線。這條橫線和我們剛才在橫坐標(biāo)上畫的那條豎線交叉點(diǎn)就是渦輪的工作點(diǎn)?，F(xiàn)在再看一下這個(gè)好像圓圈的曲線圖，我們的這一點(diǎn)大概在72%左右的范圍內(nèi)。那么當(dāng)我們的引擎工作在5000轉(zhuǎn)，17psi的壓力，外部溫度70華氏度，進(jìn)氣歧管內(nèi)130華氏度，增壓器的效率大概是72%。另外一條曲線是轉(zhuǎn)速曲線，我們的這一點(diǎn)落在105500轉(zhuǎn)上邊一點(diǎn)，那么渦輪的工作轉(zhuǎn)速大概在108000轉(zhuǎn)，從-0.5psi的進(jìn)氣壓力，產(chǎn)生20psi的出氣壓力。在以上數(shù)值中做任何一點(diǎn)更改，都會(huì)是增壓器的工作點(diǎn)改變。更高的引擎轉(zhuǎn)速，意味著更多的進(jìn)氣量，那么渦輪的工作點(diǎn)也會(huì)向右移動(dòng)。涼一些進(jìn)氣溫度意味著密度更高的空氣，渦輪的工作點(diǎn)也會(huì)向右移動(dòng)。提高渦輪的壓力也許會(huì)使更多的空氣進(jìn)入到燃燒室內(nèi)，但是同時(shí)渦輪的壓縮比也會(huì)隨之升高，渦輪的工作點(diǎn)必然隨之升高，也有可能會(huì)向右移動(dòng)。等等等等諸如此類的“如果”，大家可以隨意去假設(shè)。說這么半天，我們到底怎么樣去選擇一個(gè)正確的渦輪呢,第一，我可能會(huì)假設(shè)4個(gè)有可能的工作狀態(tài)。高速巡航，半油門加速，3500-4500轉(zhuǎn)全油門加速，5000-6000全油門加速，這四個(gè)點(diǎn)對(duì)于大多數(shù)人來說已經(jīng)足夠了。第二，計(jì)算出以上四種情況的進(jìn)氣體積。然后估計(jì)一下中冷之后的溫度，渦輪出氣口壓力，容積效率和進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力，計(jì)算出四種工作狀態(tài)的進(jìn)氣量。第三，這是最難的一步，找到你想選擇的渦輪的增壓曲線圖。蓋瑞特，