CN105352676B

CN105352676B - 一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法

Info

Publication number: CN105352676B
Application number: CN201510630046.6A
Authority: CN
Inventors: 祁明旭; 马朝臣; 施新
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-11-10
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: CN105352676A

Abstract

本发明涉及一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，特别是一种基于CO₂浓度浓度的增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，属于内燃机增压领域。压缩空气进入燃烧室完成燃烧过程，产生高温高压燃气。燃气通过管道进入涡轮，膨胀做功，驱动压气机旋转；待测增压器处于自循环状态；采集燃烧室排出的燃气的CO₂浓度C_{T_CO2}以及温度T_T2；采集油气分离装置排气管排出气体的CO₂浓度C_{mix_CO2}和气体流量m_leak；采集油气分离装置中的机油温度T_L；通过计算，即可得出增压器总漏气量中压气机端和涡轮端各自的漏气量：本方法既能够测量增压器的总漏气，又能准确的测量增压器压气机和涡轮各自的漏气量。

Description

一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法

技术领域

本发明涉及一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，特别是一种基于CO₂浓度浓度的增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，属于内燃机增压领域。

背景技术

涡轮增压技术作为提升发动机动力性、改善发动机燃油经济性以及降低发动机排放的有效手段，在车用发动机上得到了广泛应用，而随着排放标准的进一步提高，涡轮增压器(以下简称增压器)的应用也将更加普及。增压器在运行中，为了防止轴承润滑油向压气机及涡轮端渗漏或者压气机端高压空气和涡轮端高压燃气向润滑油路泄漏，增压器中间体(静止部件)与转子轴之间安装密封环进行油、气的密封，但密封环采用非接触式密封型式，其与转子轴之间总是存在一定尺寸的间隙以保证压气机和涡轮转子安全高速旋转，故而压气机和涡轮端的漏气以及润滑油的泄漏总会存在。在与发动机的协同工作中，允许少量的增压器漏气存在。过量的漏气量会恶化增压器的总体性能，影响其与发动机的工况匹配进而对发动机的性能产生影响。因此，增压器出厂前需要对增压器的漏气量进行测量，以评估其对发动机匹配工况的影响进而做出改进；同时需要对增压器涡轮端和压气机端分别的漏气量进行甄别，以确认漏气的主要来源。

图1给出了增压器的剖视结构图以及漏气示意图。图中所示的增压器左侧为压气机，右侧为涡轮。空气经过压气机叶轮增压后，在叶轮出口，大部分空气继续流经压气机壳并流出压气机，小部分空气则通过压气机叶轮背盘与后盖板之间的间隙泄漏进入增压器中间体内的机油腔，该部分泄漏空气的流量为m_{C_leak}；在涡轮端，经过压气机增压后的空气与燃油掺混燃烧后产生的燃气流经蜗壳后，大部分进入涡轮叶轮并排出增压器，同时驱动转子高速旋转，小部分燃气则通过涡轮叶轮的背盘与壳体之间的间隙泄漏进入增压器中间体的机油腔，该部分泄漏燃气的流量为m_{T_leak}；以上两部分漏气掺混，其合量增压器总漏气量m_leak。该部分漏气随同机油一同流出。

针对增压器总漏气量的测量已经有多种方法和专利，多采用油气分离装置对油路中掺混的混合气体进行直接测量。但已有的方法仅限于测量增压器的总漏气量，对压气机和涡轮端分别的漏气量无法进行测量。而当增压器出现漏气过大的情况时，需要对增压器内的漏气源加以甄别并进行针对性的密封性能改进，即需要确认主要的漏气量是来自于压气机还是涡轮。为了实现此目的，需要新的方法和手段在测量增压器总漏气量的同时，对增压器压气机和涡轮端各自的漏气量进行准确测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，该方法既能够测量增压器的总漏气，又能准确的测量增压器压气机和涡轮各自的漏气量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，具体步骤如下：

步骤一、压缩空气进入燃烧室完成燃烧过程，产生高温高压燃气。燃气通过管道进入涡轮，膨胀做功，驱动压气机旋转；待测增压器处于自循环状态；

步骤二、采集燃烧室排出的燃气的CO₂浓度C_{T_CO2}以及温度T_T2；

所述采集燃烧室排出的燃气的CO₂浓度是通过红外CO₂浓度分析仪实现的；

所述采集燃烧室排出的燃气的温度T_T2是通过温度传感器实现的；

所述采集位置包括涡轮进气管路、涡轮以及涡轮排气管路；

步骤三、采集油气分离装置排气管排出气体的CO₂浓度C_{mix_CO2}和气体流量m_leak；采集油气分离装置中的机油温度T_L；

步骤四、采用下列公式组计算压气机漏气量和涡轮漏气量：

涡轮排气密度：

式中：

R_T为涡轮内燃气的气体常数，约与空气的气体常数相同；

T_T2为燃烧室排出的燃气的温度；

p_a为大气压力(涡轮端排气压力可以视为与大气压力相同)；

涡轮排气中CO₂的质量比例：

式中：

ρ_co2为涡轮排气中二氧化碳的密度；ρ_T2为涡轮排气的密度；二者皆可通过标准状态方程计算得到；C_{T_CO2}为CO₂浓度分析仪测量所得的燃烧室排出的燃气的CO₂浓度(ppm)；

增压器漏气(油气分离器出口测量)混合气体的密度：

式中：

ρ_leak为增压器漏气在油气分离装置出口的混合气体密度；

R_leak增压器漏气的气体常数，可视为与空气的气体常数相同；

T_L为油气分离装置中机油温度，该温度可视为油气分离装置出口混合气体的温度；

p_a为大气压力(油气分离装置出口气体压力可以视为与大气压力相同)；

油气分离装置气体出口CO₂的质量比例：

式中：

ρ_co2为涡轮排气中二氧化碳的密度；ρ_leak为油气分离装置出口混合气体的密度；二者皆可通过标准状态方程计算得到；C_{mix_CO2}为CO₂浓度分析仪测量所得的油气分离装置气体出口处混合气体中的CO₂浓度(ppm)；

根据式(2)及(4)可知：

涡轮端漏气量：

压气机端漏气量：

m_{C_leak}＝m_leak-m_{T_leak} (6)

根据式(5)和(6)，即可得出增压器总漏气量中压气机端和涡轮端各自的漏气量：

有益效果

本发明的一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，通过CO₂浓度的分析对比，在测量增压器总漏气量的同时，可以精确的实时测量压气机和涡轮端各自的漏气量，进而判断增压器的漏气来源，以对密封环进行针对性的改进或更换。

附图说明

附图1是本发明背景技术中所描述的增压器漏气示意图；

附图2是本发明实施增压器压气机和涡轮漏气的方法和结构示意图。

具体实施方式

为了更好的阐述本发明所提出的方法，下面结合压气机和涡轮漏气测量的方法和结构示意图对本发明内容作进一步说明。

实施例1

如图2所示，增压器压气机和涡轮的漏气量的测量在增压器自循环状态下完成。自循环状态下，压气机所压缩的空气完全进入燃烧室，燃烧后，全部进入涡轮。进入涡轮的燃气质量等于压气机空气流量与燃烧室内燃油喷油量之和。由压气机泄漏入机油回油腔的气体与压气机进气(即空气)的成分相同，主要为O₂、N₂、稀有气体、CO₂以及其它极少量的气体或杂质等。在这些组分中，O₂和N₂约占空气成分的99％,CO₂含量仅为约0.03％。由涡轮泄漏入机油回油腔的气体与涡轮进气成分相同，为空气与燃油混合燃烧后形成的燃气，其成分包括二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫(SO₂)、烃类物质、醛类物质以及含铅物质等。其中正常燃烧的燃气产物中，CO₂的含量占燃气组分的14-15％。由此可见，涡轮漏气和压气机漏气中的CO₂含量差距极大。通过检测涡轮内气体的CO₂浓度和增压器总漏气中的CO₂浓度，通过组分分析，便可得到增压器总漏气中来自涡轮端漏气的含量，再通过测量增压器总漏气量，计算可得压气机和涡轮分别的漏气量。

一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，按照前述发明内容，具体实施步骤如下：

步骤一、压缩空气进入燃烧室完成燃烧过程，产生高温高压燃气。燃气通过管道进入涡轮，膨胀做功，驱动压气机旋转；待测增压器处于自循环状态,并调整增压器转速至恒定状态；

步骤二、在涡轮端排气管路上安装引气管，引出少量燃气至红外CO₂浓度分析仪，测量涡轮内燃气的CO₂浓度C_{T_CO2}；在涡轮端排气管路上安装温度传感器，测量涡轮的排气温度T_T2；

步骤三、机油出口通过封闭式管道连接至封闭式油气分离装置，对携带压气机漏气、涡轮漏气的机油进行机油和漏气的分离，分离之后的气体(增压器总的漏气)通过油气分离装置的排气口排出。在油气分离装置的排气管上安装气体流量计，测量增压器的总漏气量m_leak；在油气分离装置的排气管上引出少量混合气体至红外CO₂浓度分析仪，测量混合气体内的CO₂浓度C_mix__CO2；在油气分离装置的油槽内安装温度计，测量机油回油温度T_L；

所测量的参数及已知参数列表如下：

步骤四、采用下列公式组计算压气机漏气量和涡轮漏气量：

涡轮排气密度：

涡轮排温状态下CO₂的密度为：

涡轮排气中CO2的质量比例：

增压器漏气(油气分离器出口测量)混合气体的密度：

油气分离装置出口大气状态下CO₂的密度为：

油气分离装置气体出口CO₂的质量比例：

根据式(7)及(8)可知：

涡轮端漏气量：

压气机端漏气量：

m_{C_leak}＝m_leak-m_{T_leak}＝0.000296kg/s

由此，可计算出在增压器总的漏气量为0.001kg/s时，来自压气机端和涡轮端各自的漏气量分别为0.000296kg/s和0.000704kg/s，其中主要的漏气量来自于涡轮端。

实施例2

步骤二、在燃烧室出口下游、涡轮进气管路上安装引气管，引出少量燃气至红外CO₂浓度分析仪，测量涡轮内燃气的CO₂浓度C_{T_CO2}；在相同的位置安装温度传感器，测量涡轮前的进气温度T_T2；

步骤三、机油出口通过封闭式管道连接至封闭式油气分离装置，对携带压气机漏气、涡轮漏气的机油进行机油和漏气的分离，分离之后的气体(增压器总的漏气)通过油气分离装置的排气口排出。在油气分离装置的排气管上安装气体流量计，测量增压器的总漏气量m_leak；在油气分离装置的排气管上引出少量混合气体至红外CO₂浓度分析仪，测量混合气体内的CO₂浓度C_{mix_CO2}；在油气分离装置的油槽内安装温度计，测量机油回油温度T_L；

步骤四、采用下列公式组计算压气机漏气量和涡轮漏气量：

涡轮进气密度：

涡轮进气温度状态下CO₂的密度为：

涡轮进气中CO2的质量比例：

增压器漏气(油气分离器出口测量)混合气体的密度：

油气分离装置出口大气状态下CO₂的密度为：

油气分离装置气体出口CO₂的质量比例：

根据式(9)及(10)可知：

涡轮端漏气量：

压气机端漏气量：

m_{C_leak}＝m_leak-m_{T_leak}

由此，可计算出在增压器总的漏气量为m_leak时，来自压气机端的漏气量m_{C_leak}和涡轮端漏气量m_{T_leak}。

Claims

1.一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、压缩空气进入燃烧室完成燃烧过程，产生高温高压燃气；燃气通过管道进入涡轮，膨胀做功，驱动压气机旋转；待测增压器处于自循环状态；

步骤四、采用下列公式组计算压气机漏气量和涡轮漏气量：

涡轮排气密度：

式中：

R_T为涡轮内燃气的气体常数，与空气的气体常数相同；

T_T2为燃烧室排出的燃气的温度；

p_a为大气压力；

涡轮排气中CO₂的质量比例：

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式中：

ρ_co2为涡轮排气中二氧化碳的密度；ρ_T2为涡轮排气的密度；二者皆可通过标准状态方程计算得到；C_{T_CO2}为CO₂浓度分析仪测量所得的燃烧室排出的燃气的CO₂浓度；

增压器漏气混合气体的密度：

式中：

ρ_leak为增压器漏气混合气体密度；

R_leak为增压器漏气的气体常数，视为与空气的气体常数相同；

T_L为油气分离装置中机油温度，该温度视为油气分离装置出口混合气体的温度；

p_a为大气压力；

油气分离装置气体出口CO₂的质量比例：

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式中：

ρ_co2为涡轮排气中二氧化碳的密度；ρ_leak为油气分离装置出口混合气体的密度；二者皆可通过标准状态方程计算得到；C_{mix_CO2}为CO₂浓度分析仪测量所得的油气分离装置气体出口处混合气体中的CO₂浓度；

根据式(2)及(4)可知：

涡轮端漏气量：

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压气机端漏气量：

m_{C_leak}＝m_leak-m_{T_leak} (6)

根据式(5)和(6)，即可得出增压器总漏气量中压气机端和涡轮端各自的漏气量。

2.如权利要求1所述的一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，其特征在于：所述采集燃烧室排出的燃气的CO₂浓度是通过红外CO₂浓度分析仪实现的。

3.如权利要求1所述的一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，其特征在于：所述采集燃烧室排出的燃气的温度T_T2是通过温度传感器实现的。

4.如权利要求1所述的一种增压器压气机和涡轮漏气量测量方法，其特征在于：采集位置包括涡轮进气管路、涡轮本体以及涡轮排气管路。