涡轮增压器，如何从低速效率开始修正，此研究说明了一切

文丨聆听娱纪

编辑丨聆听娱纪

介绍

近年来，涡轮增压已成为提高汽油机和柴油机性能和燃油经济性的关键技术。

准确评估涡轮增压器性能以及使用发动机模型对涡轮增压器进行匹配和控制变得更加重要。

通常，涡轮增压器的制造商提供压缩机和涡轮图能够看到，其中主要有两个问题。一种是由于热传递导致的压缩机和涡轮机效率失真。

另一个是操作速度的差异，新欧洲驾驶循环（NEDC）表明，沿试验循环的发动机运行点处于发动机图谱和Schorn的最低部分负载范围。

Serrano和Nakhjiri<9>提出，在涡轮增压器最大速度的40-50%范围内，效率结果的失真增加。

涡轮增压器制造商提供的性能图数据远不止这些。涡轮增压器的实际工作范围包括最大转速的40-50%以下，所以在低速下精确的压缩机和涡轮机效率是必要的。

此前已经对热流的影响和压缩机效率的校正进行了一些研究。

Luis通过测量温度分布直接估计了热流，Njoya等人基于实际峰值效率在一条线上的假设提出了一种简单的校正方法。

Otobe等人指出，热流主要是由通过润滑油、冷却水和废气的边界条件，在低于90000rpm的不同条件下进行的实验表明，热流对压缩机的影响以及涡轮效率在较低转速下变得更高。

Lüddecke等人提出了一个简单的传热校正模型，并通过使用隔热涡轮增压器进行热气测试，显示了压缩机和涡轮机效率的校正结果。

实验在不同的冷却剂温度下进行，固定油温为90◦C.然而，没有直接的测量来校正与发动机实际工作范围相对应的涡轮增压器的低速性能（低于最大转速的40%）。

在低转速范围内，对压缩机效率和涡轮机整体效率的校正已经进行了许多研究。

大多需要详细的规范和数据，如热力学数据、表面温度测量数据和几何信息。

在实际的实验环境中需要一种更简单的方法，另一方面，涡轮增压器（用于柴油发动机）的类型和各种实验方法表明，使用冷却液并不是必不可少的。

所以首先有必要研究涡轮增压器低转速范围内基于油温的校正方法。

这个研究旨在指定在实际涡轮增压器制造环境中相对容易使用的各种校正方法，并通过冷气体测试和热气测试提出了一种根据机油和涡轮进口温度扭曲效率的方法。

我们提出了一种在低速范围内同时进行冷气体试验和热气体试验的压缩机和涡轮效率在低速范围的畸变校正方法，并利用涡轮增压器制造商的实验结果检验了该校正方法的有效性。

涡轮增压器的涡轮和压缩机效率

压缩机的实际输出功率（Pc）从涡轮机输出功率（Pt）传递，并且包括由于在传递过程中产生的机械效率（hm，TC）而引起的损失。

与等熵涡轮机的输出功率（Pis，t）的关系由以下方程（1）表示：

根据等式（1），涡轮增压器的等熵涡轮效率（his，t）和机械效率由涡轮总效率（ht）定义，并获得以下等式（2）：

使用涡轮机总效率的压缩机输出由以下等式（3）给出：

组合涡轮机效率被定义为实际压缩机输出与理想涡轮机输出的比率，如等式（4）所示：

为了准确地评估涡轮机效率，优先考虑压缩机的低速效率校正。压缩机输出定义为等熵压缩机输出与等熵压缩机效率之比，如下方程（5）所示：

等熵压缩机效率是压缩机在绝缘条件下所做的功与正常条件下实际压缩机所做功的比值，如方程（6）<3>所示：

压缩机效率通过试验台测量，包括压缩机的热通量（qc），并用方程（7）表示：

测得的压缩机效率由于传递到压缩机的热量而失真，为了校正这一点，引入了以下校正后的压缩机效率<3,7>：

热传递qc由以下等式（9）表示：

涡轮增压器的机械效率表示为压缩机功率与涡轮机功率的比率，如以下等式（10）所示，或者表示为包括机械损耗的涡轮机功率，如以下方程式（11）所示：

上述方程的压缩机功率和涡轮机功率表示为以下方程（12）和（13）：

试验台和试验方法

使用相同型号的涡轮增压器对效率校正方法进行了开发测试1和验证测试2，此研究使用了实验室试验台和涡轮增压器制造商的试验台。

制造商的常规涡轮增压器试验台是为热气试验而设计的，因此压缩机在低速范围内的效率失真是不可避免的。

需要一个单独的装置来进行冷气体测试，以避免热变形，在此研究中，建立了一个涡轮增压器测试台，以利用冷气体测试。

两个试验台的基本结构与回路热气台相同，热气台具有来自压缩机和涡轮机的独立气流。

在冷气体试验期间，实验室试验台使用电加热器而不是燃烧器来保持恒定的涡轮机入口温度，并且压缩机外壳是隔热的，以最大限度地减少热传递变形。

此外还对压缩比和相同转速下两个试验台的试验结果进行了兼容性分析。

试验1是使用实验室制造的试验台开发效率校正方法的实验，并且在涡轮增压器的低转速范围内进行冷气体试验和热气体试验。

实验室制造的试验台由管道系统、传感器系统、阀门控制和数据采集系统、燃烧器系统和其他补充系统组成，如图1所示。

为了精确测量压力和温度，采用了三点测量，并使用单独的油温控制装置和圆柱形喷射燃烧器控制涡轮机和油温。

在为试验1开发效率校正方法而进行的冷气体试验和热气体试验期间，将压缩机转速改为52000rpm（0.26℁），74000转/分（0.37℁فظ）和98000转/分（0.5℁فظ）。

在压缩机转速为74000 rpm的冷气体测试中，机油温度分别调整为38°C、62°C和93°C。

冷气体试验期间的涡轮机入口温度控制在约40°C，热气体试验期间涡轮机入口温度保持在约600°C。

参考涡轮增压器制造商的机油流量测量结果，进一步校准了测试中的机油流量，使用涡轮增压器制造商进行的图2的热气试验台，试验1的实验条件如表1所示。

试验2是使用涡轮增压器制造商的热气试验台对效率校正方法的应用和验证进行的。

此时，压缩机转速变为50000转/分、60000转/分和70000转/分，涡轮机入口温度从300◦C至600◦C、 并将压缩机效率修正方法应用于试验结果。

通过与实验室试验台冷气体试验结果的比较，验证了效率校正方法的准确性。试验2的实验条件如表2所示。

测试涡轮增压器是一台2升汽油发动机的废气门涡轮增压器（WGT）。

涡轮增压器壳体经过隔热处理，以防止热量损失和效率失真，此时冷却液没有供应到涡轮增压器，测试涡轮增压器规格如表3所示。

结果分析和效率修正

油和涡轮进口温度变化的影响

图2显示了通过测量涡轮机入口和油的温度变化得出的压缩压力比结果。如下所示，压缩压力比没有受到这些变化的显著影响。该结果与之前的研究结果相同。

图3显示了通过测量涡轮机入口和油的温度变化得出的压缩机效率结果。

如图3a所示，在压缩机转速较低的情况下，压缩机效率的平均变化量较高，从52000 rpm时的16%增加到74000 rpm时的9%，98000 rpm时为5%。

图3结果的（a）和（b）均表明，当机油和涡轮进口温度升高时，压缩机效率值降低。这是因为失真效应，这表明效率降低。

这可以在方程（7）中解释，其中分母由于压缩机外部的热传递而增加，为了估计校正后的压缩机效率，有必要计算到压缩机的热传递。

压缩传热的计算

涡轮增压器中会出现各种传热现象。空气、气体、油、水、轴和外壳之间存在传导、对流和辐射。

一般来说，油和水的传导效应占主导地位，辐射和外对流效应较小。

在这个研究中，使用了没有冷却水的隔热涡轮增压器进行实验。

如方程（14）所示，引入了一个简单的传热模型，该模型仅考虑压缩机与油气之间的传导。

系数a和b是与热传导相关的值，分别包括油和废气的几何数据和热导率，如方程（15）所示。压缩机的代表温度Tcomp是空气入口和出口温度的代数平均值：

压缩机效率校正的验证

将涡轮增压器制造商的热气体测试与该实验室的冷气体测试结果之间的压缩压力比进行比较，以确认压缩机效率的有效性。

如图8所示，可以确认它是在相对相似的条件下进行的。

将压缩机效率校正方法应用于制造商的实验结果的结果如图9所示。

在压缩机的效率校正之前的情况下，压缩机的转速越低，效率往往越低，同时压缩机效率之间的偏差根据涡轮机入口温度而加深。

在压缩机已经被校正之后，可以看出即使在低速段中，对应于涡轮机入口温度的压缩机的效率之间的偏差也减小了，效率增加了，并且低估得到了校正。

为了验证压缩机的效率校正，我们将实验室冷气体测试结果与制造商校正的热气体测试结果进行了比较，如图9所示。

从以下结果可以看出，在最大误差11%的范围内，冷气体测试结果、最大限度地减少由于热传递引起的失真和制造商的校正结果相对一致。

涡轮机效率校正的验证

涡轮机效率通过等熵涡轮机效率和组合涡轮机效率来评估。然而，等熵效率是作为涡轮机前后的温度来计算的，并且由于热传递引起的失真限制了效率评估的准确性。

如等式（4）所示，基于压缩机输出的组合涡轮机效率被应用于减轻传热失真，图10显示了使用涡轮增压器制造商h的校准压缩机效率结果的组合涡轮效率的结果。

校正前后在50000转/分时为30%，在60000转/分为19%，在70000转/分处为13%。经证实，低速时的效率校正效果较高，在70000rpm时为13%。经证实，低速时的效率校正效果较高。

结论

这项研究提出了一种方法来校正实验室制造的涡轮增压器测试台在52000 rpm至98000 rpm的低转速下的压缩机效率计算，结果如下：

（1） 在这些低速期间，来自外部的热传递会导致压缩机效率被低估。

（2） 通过分析冷气体测试结果来计算油到压缩机的传热率，并根据油温对压缩机效率计算进行校正。

（3） 压缩机效率的校正取决于涡轮机入口温度，通过热气体和冷气体测试进行，结果显示，在52000rpm下，校正前最大误差为23%，校正后最大误差为5%。

（4） 机油和涡轮机入口温度测试期间的校正压缩机效率与机油温度为38时的冷气体测试结果相比没有显示出显著差异◦C。其指示在低速期间由于热传递效应而产生的最小失真，从而确认在校正过程中没有失真。

（5） 为了验证附加压缩机的效率校正方法，将压缩机效率校正方法应用于制造商的热气测试结果。通过实验室冷气试验，表明压缩机效率结果有匹配的趋势，验证了异议法压缩机效率修正方法的可靠性。

（6） 基于校正后的压缩机效率，涡轮增压器制造商对涡轮组合效率结果进行了校正，并降低了对热传递引起的涡轮组合效率的过高估计，确认了涡轮组合效率校正是可能的。