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- 主题:[转载] 涡轮系统和发动机匹配理论的简单讲解
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涡轮系统和发动机匹配理论的简单讲解 这些年研究增压系统的一些心得
到今年年底，回国已经3年有余了。接触汽车改装方面的内容也有将10多年的
时间，从什么都不懂到现在，走过很多弯路。通过这些年来对内燃机和增压系
统的学习，也算对增压和发动机的系统匹配有一些小小的认识。在这些年的成
长过程当中，接受过很多好心朋友的帮助，让我收获收货了很多良师和益友。
遵循取之于民，用之于民的原则，简单的写了下这些年来对增压系统研究的心
得，希望可以对同行，车友，以至那些所谓的“工程师”们有所启发，有所帮
助。其实都是一些很基本的概念和公式而已，只不过是通过举例给大家讲解一
下运算过程。很多细节和原理性的内容并没有大篇幅的讲解，因为我觉得这种
文章写得越简单，越通俗易懂，越可以方便更多的人。
国内很多朋友由于语言问题，不能完全掌握国外网站上的一些技术讲解，所以
这次我也参考了一些国外的资料，翻译过来，方便咱们中国人查阅。
技术细节部分都是以英制单位计算，因为这是行业标准，不便之处请大家见谅。
稍后会再继续机械增压部分，简单介绍机械增压和机械增压/涡轮增压的对比。
Speedy House Turbocharger Design Co.
速豪增压系统设计
一、历史(简略)
说到涡轮增压器，它已问世了100多年了，可也就是近10年才被人们常常
提到。在1905年，sulzer brothers research and development 公司的
alfred buchi 博士申请了第一款涡轮增压器的专利——动力驱动的轴向增压
器，1911年在瑞士的winterthur增压器厂开工，在1915年制造出了原型航空器
发动机增压器，利用发动机废气驱动，主要目的是用来克服高海拔稀薄空气对
动力的负面影响。
早在1919年，美国通用电气公司制造的增压器将飞行器升到了一万米高空。
当时的人们还没有完全认识到增压器的潜力，直到1938年第一款带增压的卡车
发动机面市。
虽然buchi是涡轮增压器之父，可garrett将它广泛推广。到了1961年，小
轿车才开始试探性地安装增压器，首先出现在oldsmobile f85上, 并在1962年
上市。
使用了增压技术的oldsmobile jetfire3.5升v8发动机达到了215马力，而
非增压的最好成绩只有185马力。对于轿车，20世纪70年代是涡轮增压器的一个
转折点。
带增压的porsche911于1975年面市。1977年saab 99 又将涡轮增压器技术
传播得更广泛，使2升发动机的动力性能与3升发动机基本相同。接着是奔驰
300d turbo，它的动力性能给人留下了很深的印象。
1978年别克regal和le sabre运动款安装了涡轮增压器。在20世纪最后20年
中，带涡轮增压器的车型一款款的出现了。涡轮增压器在赛车中也起着重要的
作用，包括wrc、勒芒24小时。
二、发展
涡轮增压器可以产生更大的扭矩来满足开车人的驾驶乐趣。为了满足发动
机不同转速下的需求，1989年出现了几何可变增压的涡轮增压器（vnt）。在
发动机低速时，涡轮增压器减小流道容积，提高增压；在发动机全速运转时，
涡轮增压器流道容积增大，保证增压不会超出需求。
流道容积可用真空管控制，优点是提高了发动机低速时的加速性能。今天
的涡轮增压器已经变得部件更少、体积更小、转速更高（高达280000rpm），
压缩比已经达到2-2.5∶1（汽油机）和4-6∶1（柴油机）。
涡轮增压器的工作原理虽然简单，但制造工艺要求高，涡轮增压器就是一
个气泵，由发动机排出的废气来驱动涡轮增压器一侧的叶轮，当它越转越快时，
另一侧的叶轮也在同步加快，增大了进入燃烧室的进气量。就像你所理解的，
压缩后的空气会变得很热，所以在进入燃烧室前要进行冷却，就是我们常说的
中冷。中冷也帮助降低了燃烧室的温度。
涡轮增压器的原理很简单，但实际上它是很复杂和精密的。不仅需要内部
配件的严密配合，涡轮增压器还要和发动机严密匹配，否则就会降低发动机的
效率甚至造成损坏。
今天，随着排放标准的越来越严格，汽车制造商不仅要满足环保要求，同
时又要满足客户的需求，保证足够的驾驶乐趣。涡轮增压器正好能满足降低排
放并提高燃油经济性，同时又不会以失去驾驶乐趣为代价。
虽然涡轮增压器能够提供更好的燃油经济性，因为增压会给燃烧室提供更
多的空气，使小排量发动机可以榨取更大的功率输出，而且对于汽油机，有涡
轮增压器后，co2的排放与相同功率的自然吸气发动机相比要少10-20%。但是，
涡轮增压工作的过程需要很多的热量使涡轮排气叶轮进入工作转速，而且涡轮
压缩后的空气散热的过程也是在消耗热能。所以，涡轮增压系统的工作过程，
也是一个能量浪费的过程。
三、品牌简介
日本：三菱Mitsubishi, 石川岛IHI，日历Hitachi
欧洲：KKK
美国：Honeywell& Garrett, Borg Warner, Holset, Precision,
Turbonectics, etc.
中国涡轮市场状况：
1、外国品牌在中国市场开战
国际上知名的增压器厂商已全部进入国内，且占据了国内配套市场的60%
以上。如：霍尼韦尔不仅是全球领先的涡轮增压器供应商，在中国市场上也一
直处于领先地位，占有三分之一强的市场份额，产品覆盖从2.8 升的轻型商用
车到20 升的重型商用车。而且，各大公司采取了国际化战略，普遍性的在世界
各地设立独资或合资公司。世界上五大增压器公司都在中国建立了独资或合资
生产、研发基地，如上海Honeywell，无锡Holset，一汽三佳石川岛播磨，宁
波BorgWarner，上柴三菱。另外，台湾的有关厂商及捷克的CZ公司也在寻找合
作伙伴或在中国销售。国际企业在中国涡轮增压器市场的扩张和争夺市场份额
，加剧了涡轮增压器行业的竞争程度，也给我国涡轮增压器生产厂商带动很多
的竞争压力。
2、国内品牌基本缺乏“战斗力”
国内现有增压器生产企业60余家，但与发动机形成配套关系的主流企业只
有十来家，外资在国内外都建有研发基地，其产品品种多、储备广、技术含量
高，国内企业只有由中国北方发动机研究所提供技术支持的大同北方天力与宁
波天力两家生产企业技术实力较强。另外，国内市场上增压器产品拷贝生产厂
中很多企业没有开发、配试的能力，甚至没有任何加工能力。在市场上采购零
件进行组装，或者进行简单的加工产品不按照国家行业标准进行试验，大部分
没有出厂检验，只是以低廉的价格流向售后市场。面对国外品牌对中国涡轮增
压器的包揽，我国企业缺乏明显的“战斗力”。
四、涡轮的应用：
工业：涡轮增压系统在工业方面的用途以及优势
柴油和汽油工程机械：发电机组，挖掘机，工程车辆
汽车：涡轮增压系统在汽车上的应用以及优势
柴油机：卡车，客车，小轿车
汽油机：卡车，小轿车
五、改装市场应用
涡轮的各项指标，规格以及型号划分
A/R：(附件: IMAGE_1.png)
A代表出口面积
R代表压缩半径
很多人认为a/r代表涡轮的大小，其实这是被涡轮上仅有一个能看见的数
字误导了。A/R比值代表涡轮壳体内的容积大小，这个数值决定了排气从壳体
内流过的速度。A/R决定了排气叶轮的反应速度，a/r越大，壳体的最高流量越
高，但是在同等压力下，a/r值小的壳体排气流速就会比较快。一般这个数值
在排气外壳的选择上比较重要，因为我们总是为涡轮的反应速度而头疼，a/r
则是决定涡轮反应素的一个重要数据。
Trim：(附件: IMAGE_2.png)
TRIM = ( Dp / Dg )² x 100
简单来说，trim是叶片大直径和小直径的比值，这个比值决定了涡轮的
最高流量。无论排气叶轮和进气叶轮都是一个道理。
举例说明：
Dg=50 Dp=35
Trim=( 35/50 )²x100=49
涡轮与发动机的匹配：
以下部分我们讲的是如何计算引擎需要的空气体积或质量，并选择适当
型号的涡轮去匹配你的引擎。这也要提及到关于温度，压力和中冷系统对于
引擎性能影响的内容。
引擎流量方程式
volume of air (cu ft/min)= engine rpm x engine cid
(1728 x 2)
在四冲程自然吸气式发动机中，每个气缸在吸气过程中理论上可以吸入的
最大空气量等于该气缸的体积（ 0.7854 x内径x口径x冲程）。由于每个气缸
在曲轴转两周的过程中就有一个吸气冲程，那么在曲轴每转一圈中气缸理论上
可吸入的最大空气量就等于气缸容积的一半。 这个方程式是讲解如何计算出
多少体积的空气进入到引擎内。举例说明，一台231立方英寸排量的发动机，
进气气门每当引擎转动两周都会打开一次，那么，引擎没转两周就会吸入231立
方英寸的空气。那么在同体积下有多少磅的空气进入引擎，就要看近期的压力
是多少，但是引擎每两转周的进气体积体积永远是231立方英寸。
注：1立方英寸= 16.387064cc 231立方英寸= 3785.411784cc
理想气体定律
P(绝对压力)V(容积cu.ft/min)=n(进气量lb/min)RT(绝对温度)
理想气体定律是一个非常有用的方程式，它把进气压力，温度，进气体积
和进气量联系到了一起，如果你知道其中任意三个数值，就可以求出来另外一
个。
其中P是绝对压力，并非我们的压力表上看到的“相对压力”
V是近期体积
R是个常数
T是绝对温度
绝对压力是我们表读出来的相对压力加上大气压力。在0海拔高度的大气
压力位14.7psi。
例如我们表上显示17psi的压力，那么绝对压力就是17+14.7=31.7psi。
绝对压力单位是psia（psi absolute），而表读压力的单位是psig(psi gauge)。
绝对温度是华氏温度加上460这个常量(此为兰金刻度单位deg R)。如果我们外部
温度为80华氏度，那么绝对温度是80+460=540degR。
理想气体定律可以在任何变化的数值下成立。例如，如果你已知压力，
温度，和进气体积，那么你可以计算出进气量(磅)。 n=PV/(RT)
当我们知道增压的压力，进气体积(可以通过上一个公式可以计算得出)和
进气温度的时候，我们可以算出有多少空气进入了引擎，你的引擎还可以压榨
出多少动力。
下面是理想气体定律的几个变形公式
如何计算进气量 n(lbs/min)= P(psia) x V(cu.ft./min) x 29
(10.73 x T(deg R))
如何计算进气体积V(cu.ft./min) = n(lbs/min) x 10.73 x T(deg R)
(29 x P(psia))
容积效率VE 和 压缩空气温度的影响
如果世界上什么事情都可以做到完美的话，我们当然要把燃烧室内压满空
气。如果进气歧管内压力达到17psi，我们当然想让燃烧室内，到进气气门关闭
之前都能达到17psi的压力。但是事实是残酷的，一般情况下来说这是不可能的。
由于气缸内残留的废气和进气管道实际流量的限制，实际进气量要少于理想的
进气量的。实际流量除以理想进气量就是我们这里谈的容积效率。
对于一般自然吸气引擎来说，容积效率只能达到85-87%，如果加上大气门，
高角凸轮轴，进气抛光等工序的改装之后，在某些转速区域下，由于气体惯性
的关系，有可能会达到100%的容积效率，但通常来讲，这是很难做到的。
所以我们必须要计算出到底有多少空气进入了我们的引擎。
实际进气量 = 理想进气量x容积效率
举例说一下，还是以第一个方程式的231立方英寸排量的引擎为例来计算
一下。有两台一样的引擎，工作转速同为5000转，一个有中冷系统，另外一个
为无中冷系统，那么有多少体积的空气被吸进去了呢？
V(CFM) = 5000 x 231 = 334.2 cfm
1728 x 2
我们可以看到两个引擎吸进去的空气体积是一样的。同样，我们可以计算
出实际的进气量则有很大的出入。
比如其中一台没有中冷系统的引擎，进气压力位19psi，进气歧管内温度
为250华氏度，那么多少空气被利用上了呢？
Absolute temperature = 250 deg F + 460 = 710 deg R
Absolute pressure = 19 psig + 14.7 = 33.7 psi
n (lbs/min)= 33.7 psia x 334.2 cfm x 29 = 42.9 lbs of air per minute (ideal)
10.73 x 710 deg R
lbs air per minute actual = lbs/min ideal x VE
= 42.9 x 0.85
= 36.4 lbs air/minute
如果另外一台有中冷系统的引擎会怎么样呢？进气歧管内温度为130华氏
度，进气歧管内压力只有17psi的压力。
Absolute temperature = 130 deg F + 460 = 590 deg R
Absolute pressure = 17 psig + 14.7 = 31.7 psia
n(lbs/min)= 31.7 psia x 334.2 cfm x 29 = 48.5 lbs of air per minute (ideal)
10.73 x 590 deg R
lbs air per minute actual = 48.5 x 0.85
= 41.3 lbs air/minute
从以上对比，我们看出有中冷系统的引擎虽然进气压力比另外一台低了2psi，
但是实际进气量则多了很多，中冷引擎为41.3磅，无中冷引擎为36.4。虽然这个
道理大家都很明白，但是这里给各位从理论角度讲解了为什么温度影响进气量。
涡轮增压器的压气机
涡轮的进气侧（compressor）是涡轮吸气，压缩并把空气压紧进气歧管内
的部分。档空气的分子被快速旋转的叶片吸进去，并被甩到外侧的过程种，空
气分子被强制堆积到一起，这造成了压力。
大家都知道，进气叶片的动力来源于同轴的排气叶轮。但是并非所有来自
排气侧的能量都用于压缩空气，而有一部分热量使进气温度升高（这同样也是
能量浪费的一个过程），这就要感谢我们人类，不能做出来完美的机械设备。
由于压气机的设计，空气是一直在被搅拌的状态当中，同样会产生大量的热量，
就好比咱们天冷的时候搓搓手，进气叶片与空气，空气分子之间的不停摩擦，
就会产生大量的热量。
如果你把来源于排气侧的能量划分出来一部分用于增加进气压力，那么这
一部分用于增压的能量被称之为“压气机效率”。
举例来说，如果压气机的效率是70%，那么只有70%的能量用于增加压力，
而余下的30%是用来制造了多余的热量。这就是为什么，我们所有人都在喊
“我要高效率的增压器”。丹麦的Rotrex机械增压，美国的Vertech机械增压
和涡轮增压器都被称之为离心式机械增压器。因为他们通过同样的方式来对
空气进行搅拌、压缩，同样是只有70-80%的工作效率。而双螺杆式机械增压则
通过不同方式来对气体进行压缩，高效率的螺杆式机械增压的容积效率可达到
100%！而Eaton为首的鲁式增压器则只有40%左右的效率。
那么怎么样才能知道从压缩之后的气体到底有多热呢？
Tout = Tin + Tin x [-1+(Pout/Pin)0.263]
efficiency
Tout：出口温度
Tin：进口温度
Pout：出气口压力
Pin：进气口压力
举例来说，如果进气口温度为70华氏度，吸气口压力位-0.5psig，出气口
压力为19psig，efficiency效率为72%，出气口压力是多少呢：
Tin= 70 deg F + 460 = 530 deg R
Pin= -0.5 psig + 14.7 = 14.2 psia
Pout= 19 psig + 14.7 = 33.7 psia
Pout/Pin = 33.7/14.2 = 2.373 (压气机内部压缩比)
Tout = 530 + 530 x (-1+2.3730.263 ) = 717.8 deg R - 460
= 257.8 deg F
我们需要想到的是，压气机的压力并不是一直不变的，出气口压力取决与
压气机吸入的气体体积（不是进气量，而是体积，单位CFM）和转速。压气机的
性能表现可以通过增压曲线图来解释。
(附件:IMAGE_3.jpg)
大家看上面这张压缩曲线图。下面的横坐标定义为进气量(磅/分钟)。纵
坐标为出气和进气压力比值(增压器的压缩比)。
这上面有两组不同的曲线：效率曲线和转速曲线。被划线部分是工作范围。
在限定范围内，增压器的工作是最好的。当然了，如果你想让涡轮超出这个曲
线的范围，得到更高流量也可以，但是这对增压器本身非常不好。如果超出曲
线左侧的”surge limit”，增压器会非常不稳定，压力会没有规律的上蹿下
跳，这就是所谓的surging。这种不正常的操作会导致增压器完全报废，而且
会影响到引擎。
下面给大家讲解一下如何利用这张图来选择适合自己的增压器
咱们还用之前距离的231立方英寸排量的引擎为例，通过中冷之后进气量
为41.3磅/分钟，进气压力位-0.5psig，温度为70华氏度，现在我们把它作为
标准的温度和压力。
Corrected flow = actual flow x (Tin/545)0.5
(Pin/13.949)
我之所以用13.949，是因为把所有绝对压力替换为英寸汞柱（此图为
盖瑞特的标准）。
13.949psia=28.4英寸汞柱
29.92英寸汞柱是在海平面的大气压力，那么29.92-28.4=1.52英寸汞柱
真空压力。这才是标准的吸气压力。
标准的进气温度为545DegR，或者545-460=85华氏度
那么我们把外部条件从70华氏度，-0.5psig换算为85华氏度，-0.75psig
(或13.949psia绝对压力，或-0.75psi真空压力，或1.5英寸汞柱真空，或随便
什么你习惯的单位)
Tin = 70 + 460 = 530 deg R
Pin = -0.5 + 14.7 = 14.2 psia
Corrected flow = 41.3 x (530/545)0.5 = 40.0 lb/min
(14.2/13.949)
然后我们在横坐标上标出这个点，然后从这一点做一条向上的垂直线。
其实用流量表来测量进气量是更好的做法。比如TurboLink，TurboLink的
测量单位是克/秒。换算为磅的话需要乘以0.1323。比如，如果流量表测出来是
18克/秒@45mph(英里每小时)，那么空气流量为18x0.1323=2.4磅/分钟。但是
问题是流量计的弊端是最高只能读到255克/秒。如果有更多的空气通过的话，
流量计就显示不出来了。这就是为什么我们需要通过以上运算来得到进气量的
原因了。
下一步是用绝对压力来找到压缩比的那一点。还是用我们刚才的例子，
17psi的进气压力。由于空气从增压器到进气歧管之间会有压力的衰退，我们
假设为3psi吧，那么实际从涡轮出来的压力是17+3=20psig。
进气口压力是-0.5psi（还是刚才我们的例子），那么压缩比为Pout/Pin
(Pout：出气口压力；Pin：进气口压力):
Pout/Pin = (20 + 14.7) = 2.44
(-0.5 + 14.7)
然后我们在纵坐标上找到2.44的位置，从这一点向右与横坐标平行画一条
横线。这条横线和我们刚才在横坐标上画的那条竖线交叉点就是涡轮的工作点。
现在再看一下这个好像圆圈的曲线图，我们的这一点大概在72%左右的范围
内。那么当我们的引擎工作在5000转，17psi的压力，外部温度70华氏度，进气
歧管内130华氏度，增压器的效率大概是72%。
另外一条曲线是转速曲线，我们的这一点落在105500转上边一点，那么涡轮
的工作转速大概在108000转，从-0.5psi的进气压力，产生20psi的出气压力。
在以上数值中做任何一点更改，都会是增压器的工作点改变。更高的引擎
转速，意味着更多的进气量，那么涡轮的工作点也会向右移动。凉一些进气温
度意味着密度更高的空气，涡轮的工作点也会向右移动。
提高涡轮的压力也许会使更多的空气进入到燃烧室内，但是同时涡轮的
压缩比也会随之升高，涡轮的工作点必然随之升高，也有可能会向右移动。
等等等等诸如此类的“如果”，大家可以随意去假设。
说这么半天，我们到底怎么样去选择一个正确的涡轮呢？
第一，我可能会假设4个有可能的工作状态。高速巡航，半油门加速，
3500-4500转全油门加速，5000-6000全油门加速，这四个点对于
大多数人来说已经足够了
第二，计算出以上四种情况的进气体积。然后估计一下中冷之后的温度，
涡轮出气口压力，容积效率和进气歧管内压力，计算出四种工作
状态的进气量。
第三，这是最难的一步，找到你想选择的涡轮的增压曲线图。盖瑞特，
Turbonectics，Precision Turbo Technology都可以在他们的产品
手册里找到，当然，有些厂商不希望用户看到他们的曲线图（比如
HKS，因为他的涡轮曲线图和盖瑞特的对应型号完全一样）
第四，在图上标出你所假设德者4个工作点，看看有没有在最高效率范围
和surge limit之内。你需要所有的工作点都在这个曲线范围之内。
这样你就会得到效率最高的涡轮增压器。
六、涡轮的常见故障以及故障分析（附照片）
漏油：油环品质，开口间隙，开口方向，磨损
烧轴：润滑不足，间隙过小，铜套材质和轴的热膨胀系数差距太大
止推烧毁：平衡不准，进/排两端压力差大，润滑不够（加工精度）
支承环烧毁：平衡，润滑，材质
浮动轴承磨损：润滑，材质，平衡
涡轮设计理念
响应速度：影响涡轮响应速度的因素主要有以下几点
1.排气叶轮直径
2.排气外壳的a/r
3.两侧叶轮的重量
4.排气叶轮的受力面积
在工程师在设计涡轮的过程当中，为了能设计出最高效率，最快反应速度
的涡轮增压器，以上因素全部要考虑在内。但是这几个因素之间又是互相牵制
的。
a. 排气叶轮过大，会影响涡轮的响应速度，但是最高流量会有很好的表现。
b. 如果减小排气叶轮的出口直径，就会造成排气背压过高，而对引擎造成
损伤。
c. 排气外壳a/r大会提高排气外壳的吞吐能力，但是会减低排气在可体内
的流速和压力，也会影响涡轮的响应速度，如果a/r小，同样会限制排
气的流量，而造成排气背压过高或者排气不畅。使高温排气不能迅速
通过涡轮，造成排温过高。
d. 排气叶片的受力面积和叶片的倾斜角度也是影响涡轮响应速度的一个
非常重要的因素，如果叶片的受力面积大，受力点多，也会加快涡轮
的响应速度。
我们在设计过程当中更侧重于通过改进排气叶片的受力面积和受力点来加快
涡轮的响应速度。
原文地址:
http://user.qzone.qq.com/122818644/blog/1259422773
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