發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)在做增壓器的匹配時(shí)，對(duì)壓氣機(jī)要求是：一要滿足增壓比，二要足夠高的效率。提高壓氣機(jī)效率，可以降低增壓后壓縮氣體的溫度，有利于提高氣體的密度，進(jìn)而提高進(jìn)氣量，最終達(dá)到增壓的目標(biāo)。理想的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行線是發(fā)動(dòng)機(jī)與壓氣機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線可以通過壓氣機(jī)的高效率區(qū)域，同時(shí)與壓氣機(jī)的高效率范圍相平行，即讓發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后的特性曲線最大限度地利用壓氣機(jī)的高效區(qū)域。從圖1看出，當(dāng)所選擇的壓氣機(jī)流量過小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與壓機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線在壓氣機(jī)高效區(qū)的右邊，出現(xiàn)了壓氣機(jī)的阻塞。解決這一問題可以通過選擇大流量的壓氣機(jī)或者增加壓氣機(jī)氣體通道的橫截面積。

反之，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線在壓氣機(jī)高效率區(qū)域的左半部分，表明在發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)在壓氣機(jī)的低效率區(qū)域，如圖2所示。這種情況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高速工況時(shí)，壓氣機(jī)容易產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。解決這種問題的有效措施是選擇較小的增壓器或縮減壓氣機(jī)氣體通道的橫截面積。良好的發(fā)動(dòng)機(jī)與壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線應(yīng)遠(yuǎn)離喘振線，且不能出現(xiàn)壓氣機(jī)的阻塞。圖3是某款發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器的聯(lián)合運(yùn)行圖，從圖中可以看出，聯(lián)合運(yùn)行線既穿過了壓氣機(jī)的高效率區(qū)，又未超出喘振線和阻塞線。

一般地，渦輪機(jī)的高效率區(qū)域比較大。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況下范圍很小，渦輪的工作效率變化也不明顯，因此渦輪機(jī)的匹配空間很大。

實(shí)踐表明,渦輪機(jī)的氣體流通能力的對(duì)其匹配特性影響很大，故發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪的匹配是否良好主要取決于渦輪機(jī)的氣體流通能力大小。判定渦輪機(jī)的氣體流通能力大小常用的策略是將發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪的聯(lián)合運(yùn)行線放進(jìn)渦輪流通特性線上，如圖4所示，在聯(lián)合運(yùn)行線與渦輪機(jī)的氣體流通能力特性線不匹配時(shí)，就應(yīng)相應(yīng)選擇較大型號(hào)或較小型號(hào)的渦輪重新匹配。

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪機(jī)的匹配時(shí)，需要在渦輪機(jī)的氣體流通特性圖上同時(shí)標(biāo)示各設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)行工況。渦輪機(jī)的流通特性可能不能同時(shí)滿足各目標(biāo)點(diǎn)的需求，這就需要綜合各目標(biāo)點(diǎn)工況的情況，選擇相對(duì)合適渦輪機(jī)。 2100433B

影響發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的參數(shù)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量、增壓壓比、壓氣機(jī)的效率以及發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣溫度等?？諝饬髁亢蛪罕戎苯佑绊懺鰤汉蟀l(fā)動(dòng)機(jī)的壓力，在發(fā)動(dòng)機(jī)和壓氣機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線上如果壓力過高或過低都將影響渦輪增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配結(jié)果。壓氣機(jī)的效率和廢氣溫度制約著增壓系統(tǒng)的工作環(huán)境。

渦輪增壓器已經(jīng)普及到許多類型的汽車上，它彌補(bǔ)了一些自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的先天不足，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不改變排氣量的情況下可以提高輸出功率30%以上。因此許多汽車制造公司都采用這種增壓技術(shù)來改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，藉以實(shí)現(xiàn)轎車的高性能化。

對(duì)增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行理論計(jì)算，選擇合適的增壓器增壓度和發(fā)動(dòng)機(jī)的一些參數(shù)，鑒于增壓器的工作特點(diǎn)以及發(fā)動(dòng)機(jī)最佳匹配的原則，確定合適的匹配參數(shù)。 國(guó)內(nèi)的增壓器廠家也對(duì)增壓器的匹配有過一些研究，介紹了如何合理選用國(guó)產(chǎn)增壓器代替已損壞的進(jìn)口增壓柴油機(jī)增壓器的方法，并給出了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的各種渦輪增壓器的技術(shù)參考。多種進(jìn)口機(jī)械的增壓柴油機(jī)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)增壓器的匹配試驗(yàn),，都取得了成功 。

阻抗變換與匹配，在集總元件低頻電路中，負(fù)載阻抗與信源內(nèi)阻抗的特定配合關(guān)系稱為阻抗匹配。存在兩種匹配條件：①負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，這時(shí)信源輸出電壓可無失真地傳輸?shù)截?fù)載。②負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而幅角之和為零，此時(shí)在負(fù)載上可獲得最大功率，稱為共軛匹配。若信源阻抗和負(fù)載阻抗均為純電阻（實(shí)阻抗），則這兩種匹配條件相同。

原則上以上的阻抗匹配條件也適用于微波電路，但在微波電路中信號(hào)源與負(fù)載之間通常以傳輸線或波導(dǎo)連接，信號(hào)通過傳輸線或波導(dǎo)的傳輸用波描述更為確切，電壓只具有等效的意義。這時(shí)需解決負(fù)載與傳輸線的匹配，使傳輸線上的信號(hào)無反射地傳輸?shù)截?fù)載；也需解決信號(hào)源與連有負(fù)載的傳輸線的阻抗匹配問題，使信號(hào)源傳送最大功率給負(fù)載。在傳輸線兩端的連接處，阻抗匹配的解決要依靠阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，也稱為阻抗變換器。 　　阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為二端網(wǎng)絡(luò)，為由集總元件構(gòu)成的低頻網(wǎng)絡(luò)，或由傳輸線或波導(dǎo)構(gòu)成的微波網(wǎng)絡(luò)，用以連接它兩端具有不同阻抗的傳輸線段或電路元件，以實(shí)現(xiàn)從一端到另一端的最佳信號(hào)傳輸。這是在無源或有源電路中使用得最多的一種電路元件。 　　以阻抗為ZL的負(fù)載與特性阻抗（實(shí)）為Z0的傳輸線之間的匹配連接為例，為實(shí)現(xiàn)傳輸線上的功率無反射地傳送到負(fù)載，要使用阻抗變換器將傳輸線負(fù)載端的阻抗從ZL變換為Z0。最簡(jiǎn)單的變換方法是使用與傳輸線并聯(lián)或串聯(lián)的終端短路或開路的傳輸線短截線，在無耗情況下它們的阻抗為電抗性，借助于阻抗圓圖找到接入位置和截線長(zhǎng)度，可在設(shè)定的頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)負(fù)載與傳輸線的匹配。使用多個(gè)短截線并利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)一定頻帶寬度內(nèi)的阻抗匹配。 　　當(dāng)負(fù)載阻抗為電阻性，可使用1/4波長(zhǎng)阻抗變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載與傳輸線的實(shí)特性阻抗的匹配。由于變換段的電長(zhǎng)度隨頻率變化，1/4波長(zhǎng)阻抗變換技術(shù)僅能在中心頻率附近很小的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。當(dāng)要求在寬頻率范圍內(nèi)的阻抗匹配，必須使用多級(jí)1/4波長(zhǎng)阻抗變換，相繼的變換段的特性阻抗只有小的改變。反射系數(shù)按二項(xiàng)式展開規(guī)律變化的，可獲得最平緩的通帶特性，稱為二項(xiàng)式阻抗變換器。反射系數(shù)按切比雪夫多項(xiàng)式規(guī)律變化的則得到等波紋的通帶特性和大得多的帶寬，稱為切比雪夫阻抗變換器。以阻抗緩慢變化的連續(xù)漸變段也可實(shí)現(xiàn)寬頻帶的阻抗變換。最常用的為阻抗按指數(shù)律變化的漸變式變換器。當(dāng)切比雪夫阻抗變換器的段數(shù)無限增加而變換器的總長(zhǎng)固定，這種變換器對(duì)于固定的變換器長(zhǎng)度得到幅度最小的等波紋通帶特性，為漸變式阻抗變換器的最佳設(shè)計(jì)。

一臺(tái)性能優(yōu)良的柴油機(jī)和一臺(tái)效率高的渦輪增壓器，組合在一起后變成的增壓柴油機(jī)，其性能會(huì)更好。但這里有一個(gè)合理匹配的問題，合理匹配的前提是認(rèn)真仔細(xì)的前期研究和實(shí)驗(yàn)獲得的。

（1）柴油機(jī)和壓氣機(jī)的匹配。

柴油機(jī)和壓氣機(jī)的匹配，主要指柴油機(jī)所需空氣流量及壓氣機(jī)所能提供空氣流量的匹配。根據(jù)柴油機(jī)用途不同，其特性也會(huì)不同，如負(fù)荷特性、速度特性、調(diào)速特性等。要用一個(gè)增壓器完全滿足些特性的匹配條件，必須滿足以下條件：滿足柴油機(jī)上述特性的空氣流量曲線可盡量穿過氣機(jī)流量一效率曲線的高效率區(qū)，尤其是常用工況75%～90%負(fù)荷時(shí)應(yīng)在壓氣機(jī)高效率（菱形B區(qū)）。

柴油機(jī)的特性曲線，特別是速度特性的空氣流量曲線應(yīng)遠(yuǎn)離壓氣機(jī)的喘振區(qū)，即所說的要有足夠的富裕喘振區(qū)，通常要大于10%以上。

（2）柴油機(jī)和渦輪的匹配。

這里所指的匹配，主要指柴油機(jī)所提供的廢氣流量、壓力溫度和燃?xì)鉁u輪所需廢氣流量、壓力、溫度的匹配，主要有以下方面：在柴油機(jī)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程內(nèi)，渦輪機(jī)均具有較高的效率；柴油機(jī)排氣管、排氣道、排氣門和渦輪渦殼通道、噴嘴環(huán)、渦輪葉輪通道都要匹配合理，使柴油機(jī)在不同特性區(qū)域內(nèi)都能到獲得優(yōu)良的性能目標(biāo)。