带涡轮增压器的活塞发动机调节及其特性分析

　　摘要：本文基于对涡轮增压器运作功能的了解，阐述了带涡轮增压器的活塞发动机的调节内容，针对保障整体稳定运行的发动机通流特性、设计点及变工况运行特性计算等有效分析，提高带有涡轮增压器的活塞发动机设备的运行质量和效率，为相关企业积极发展提供科学依据。

　　关键词：涡轮增压器;活塞发动机;通流特性

　　引言：随着科技的进步和社会的发展，机械制造业已经成为推动社会经济快速发展的重要支撑。带涡轮增压器的活塞发动机具有强吸气、提高经济性和实用性等特征，但在实际使用过程中对其机械性能、润滑性都会产生影响，因此必须对其调节原理及运行的稳定性、安全性等因素进行特性分析。

　　机械论文投稿刊物：《兵工学报》(月刊)1979年创刊，是中国兵工学会主办的综合性学术物，它以反映兵器科学与技术领域的最新科研成果，促进学科发展，繁荣学术交流为宗旨，以介绍与兵器相关的基础理论、应用研究、实验分析和工艺技术等为主要内容。其专业涉及军用车辆、军用光学、光电子技术、通信技术、火炮、弹药技术、控制技术、应用力学、化学工程、机械工程、材料科学和应用数学等诸多领域。

　　带涡轮增压器的活塞发动机的调节内容

　　涡轮增压器一般是用燃烧后的废气与涡轮进行空气摩擦，促使涡轮进行转转动，并带动同轴上的压气机叶轮，从而得以实现空气的压缩。想要提高活塞发动机的实际运行功率，必须提升空气压缩比，具体有两种应用途径。第一，采用高顶活塞发动机进一步改变曲轴的固定形成，或者是改变燃烧室的形状，但是应用此种方式需要浪费大量资源，并带来一定的经济压力;第二，通过增加气进量的方法，采用强制性方式加大空气灌输量，就是涡轮增压器的本质方法，能在不改变发动机基本结构的基础上，既减少了经济支出，又能达到实际目的。

　　通常情况下，想要对涡轮增压器的调节装置进行调节时，其具体位置大都在排气侧进行实际调节工作，当运行设备不需要增压时，一部分排气会通过旁通阀进行外泄，从而有效避免废气进行涡轮增压器中。当活塞发动机的转速达到一定数值时，会对整体的机械性能、摩擦性等多种因素产生影响，同时电磁阀会自动的初始旁通阀进行关闭，从而让排除的气流指向涡轮的一侧，促使涡轮转动。除此之外，还可以通过对涡轮叶片角度进行有效调节的方式，提升涡轮运转过程中的阻力，切实达到对涡轮转速进行有效调节和控制的目的，从而改变增压量。

　　空气受冷环境影响在收缩的同时增大密度，能有效防止在涡轮增压器运转过程中发生爆燃现象，因此在通常情况下，当带有涡轮增压器的活塞发动机相关设备运行时，为了避免出现以上现象，则需安装中间冷却器，利用机械运作过程中产生的气流或自身产生的冷空气进行温度调节，促使整体温度保持在可控范围。

　　带涡轮增压器的活塞发动机稳定运行特性分析

　　活塞发动机通流特性

　　活塞发动机主要是依靠活塞在气缸中的反复运动，使气体工质完成热力循环，并将燃料的部分化学能转化为机械功的动力装置。其通流特性主要是通过发动机的空气流量与发动机转速和增压压力之间的关系。在气缸工作过程计算得到每缸每循环的空气量mE，然后通过有效公式得出压气机流量：mk=Z·mE·n/30·t，V288=Z·mE·n/30·t·R/P1·(288.15*T)-2[1]。

　　在对涡轮增压活塞发动机结构设计时，在活塞发动机上增设涡轮压缩机，其主要目的是增加发动机动力，其中还包括加压后的燃烧空气借助该涡轮压缩机而向发动机进行废气供应，将发动机产生的废弃传导至涡轮，并通过涡轮将废弃内的能量继而转化为压缩机的驱动动力。对于涡轮压缩机部分来说，主要受到两方面制约因素的影响，一方面是受到喘振极限的限制，而另一方面则是受到与压缩机的最大容量相对应的极限限制，二者都对发动机的运行具有一定程度的影响性和危害性，在此基础上，必须对压缩机的运行点进行有效控制，同时还要促使其与喘振极限之间存有特定的安全余量，充分发挥出压缩机的实际效能，提高压缩机运行质量和效率。

　　在发动机运行过程中可能出现多种情况，而极大可能出现在运行过程中没有使用燃烧空气增湿的情况，因此需确保压缩机能运行在以下不同种情况下，从而展现出其特性：第一种，当使用燃烧空气增湿时，促使燃烧空气温度保持在70-75°之间，在此种情况下，能有效提升经过涡轮的质量流率，从而达到与水供应时相同的程度;第二种，当没有使用燃烧空气进行增湿时，致使燃烧空气保持在50-55°之间，并且没有额外的经过涡轮的质量流率。除此之外，如果用于燃料空气的增湿系统没有运行时，压缩机的运行点最大程度的向容量极限值移动，致使降低压缩机运行效率，与标准规格压缩机相比，涡轮压缩机的转动速度与质量具有更高效能。

　　设计点与变工况运行特性计算

　　涡轮增压活塞发动机设计点匹配计算，其主要目的是在设计工作点进行有效确定的基础上，促使发动机与涡轮增压器进行有效配合，从而达到预期的设计指标，得出相应数据。在稳定工况时，进气系统的压力值始终保持稳定状态，而对于排气系统说，可以详细划分为定压和脉冲两个系统。定压系统的排气压力及温度始终保持稳定，不随外界影响因素的变化而变化;脉冲系统的内部压力、温度等都随着时间进行相应改变。涡轮增压发动机的匹配设计需建立在已知指标、特性等参数条件的基础上，进行有效计算：

　　首先，在确定涡轮尺寸A1的基础上，对增压压力p2、涡轮前压力p3等数值进行有效选取和预估，并进行相应的工作数值计算，从而得出有效性能参数;其次，由mk或V288以及得到的增压比在特性线上对运行点进行确定，最终得到，nTk，然后再由p3/p4=πT、T3、nTk，求得速度比u/c0。在此基础上，由πT、u/c0在涡轮特性线上对运行点进行寻找，从而得到ηk、uT。

　　根据涡轮增压器的能量平衡方程可知P2/P1的具体形式,从而有效求得增压压力的第一次试算值p2’[2];再次，将p2’与p2进行比较，如果前者小于后者，那么说明涡轮提供的能量偏小，在此基础上应对A1值进行适当减少，将进行更改的数值重新带入到方程式内进行重新计算，直到涡轮增压器的能量p3和质量m1保持平衡且满足实际要求为止，最终求得A1;最后，当A1值确定后，还需对最后确定的设计点规定和性能参数进行确认，直至达到满足状态为止。

　　在对涡轮活塞增压发动机变工况运行特性进行模拟计算时，需针对其整体的运行特性和运行点进行精准计算。在此基础上，需根据不同位置的特性特点进行具体计算和转变，比如：对于螺旋桨特性来说，间发动机的工况、人为调节等情况在螺旋桨特性所对应的各点时，相应的机械性能会随着时间、转速及调整状态等变化关系进行相应改变;对于速度特性来说，主要是指在活塞发动机循环供油量始终保持不变的情况下，发动机的性能指标随转速不同而相应变化，但循环供油量限制在标定工况点时，发动机主要性能参数随转速的变化而变化，特此称为全负荷的速度特性。

　　结论：综上所述，根据带有涡轮增压器的活塞发动机的应用方面不同，其具体的使用强度、特性、方式及影响因素都具有多样性特点，需根据实际情况，对涡轮增压活塞发动机的结构进行有效设计，促使其实际效能得以充分发挥，提高相应设备的整体运行质量和效率。

　　参考文献：

　　[1]张朔,赵振峰.二冲程航空活塞发动机增压匹配研究和优化[J].兵工学报,2020,41(01):135-142.

　　[2]鲍梦瑶,丁水汀.航空活塞发动机涡轮增压器失效关键影响因素分级[J].北京航空航天大学学报,2019,45(06):1071-1080.

　　作者：张毅