CN111487049A - 一种机械增压进气系统综合试验台 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械增压器技术领域，具体的说是一种机械增压进气系统综合试验台。该试验台包括计算机、电机控制器、电动机、大皮带轮、皮带、小皮带轮、轴承、扭矩转速传感器、联轴器、机械增压器、机械增压器出口管路、温度压力传感器、连接管路、电磁阀、压力控制阀、可拓展管路、电子蝶阀节气门、机械增压器入口管路、标准流量计和型材框架。本发明是一种结构简单的机械增压进气系统综合试验台，该试验台是一款针对机械增压器特性图的测定试验台，可以辅助设计增压器的配套管路，同时可以进行一些需要在一定正压下进行的实验，解决了现有试验台存在的问题。

Description

一种机械增压进气系统综合试验台

技术领域

本发明属于机械增压器技术领域，具体的说是一种机械增压进气系统综合试验台。

背景技术

增压技术发展较早，通过对进入气缸内的气体进行压缩，提高进气压力，进而提高进气密度，在同样的气缸工作容积中，可以根据空燃比增加喷油量，从而提高发动机的输出功率。

目前用于发动机的增压器类型主要有两种：

(1)涡轮增压器。涡轮增压器主要由涡轮机、压气机和轴承壳等重要部件组成。

涡轮增压器能够较大幅度的提高功率，但是其原理结构特点会存在涡轮迟滞的问题，也就是在发动机的瞬态工况中会出现进气压力建立的迟滞问题。

(2)机械增压器。机械增压器有三种类型，分别是罗茨式、双螺旋式和离心式。罗茨式机械增压器是一种容积空气泵，转子转动过程中，转子与壳体之间的容积不变，内部不对气体进行压缩。双螺旋式机械增压器的转子随着轴向尺寸变化会产生扭转，在转子转动过程中，容积会变小，在转动过程中也会被压缩，因此增压可以连续进行，提高增压器的效率。离心式机械增压器的效率是这三类中最高的，增压比也较其他两类高，基本相当于涡轮增压器中的压气机。

机械增压器常通过皮带或齿轮与发动机曲轴相连，响应更加直接，不会出现类似涡轮增压器的迟滞现象。但是正是由于其连接于曲轴，对于发动机功率的损耗还是有一些的，随着转速的升高，损耗逐渐增大。因此，机械增压器多应用于中大排量的发动机上。

目前随着发动机电气化的技术发展，电动辅助增压逐渐兴起，实质上多数就是电动机直接驱动离心式机械增压器。而且机械增压器也在不断发展中，在中小排量发动机上也得到了广泛的应用。

但是，无论何种增压器都需要与发动机进行匹配。在匹配过程中，需要用到增压器的特性图，也就是发动机不同转速下，增压器的转速和、流量和压比处在什么范围能够让增压器的效率达到最高。

随着增压技术的不断发展，以及发动机电气化的来临，无论是机械增压系统还是电动机械增压系统都得到了深入的研究和广泛的应用。但是机械增压器厂家一般很少提供其特性图，如果没有特性图，就很难将增压器与发动机或者电动机进行匹配，也就无法确定在发动机不同转速下，应该让增压器工作在什么样的转速范围和压比区间内，从而无法提高增压器的效率，最大化的增加发动机的功率或者提高增压器的瞬态响应能力。

另外，对于增压器的配套管路，尤其是增压器入口前的管路，如果需要加装流量计、限流器之类的东西，或者管路形状及其复杂的话，势必会影响增压器的工作效率。但是这些影响因素在整个发动机的台架试验中不能够很好的定量分析，且成本过高。

另外，有一些科研实验需要在一定正压环境下进行，使用单独的试验台成本会非常高。

发明内容

本发明提供了一种结构简单的机械增压进气系统综合试验台，该试验台是一款针对机械增压器特性图的测定试验台，可以辅助设计增压器的配套管路，同时可以进行一些需要在一定正压下进行的实验，解决了现有试验台存在的上述问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种机械增压进气系统综合试验台，该试验台包括计算机1、电机控制器2、电动机3、大皮带轮4、皮带5、小皮带轮6、轴承7、扭矩转速传感器8、联轴器9、机械增压器10、机械增压器出口管路11、温度压力传感器12、连接管路113、电磁阀14、连接管路215、压力控制阀16、可拓展管路117、电子蝶阀节气门18、可拓展管路219、机械增压器入口管路20、标准流量计21和型材框架22；所述计算机1通过电线与扭矩转速传感器8和温度压力传感器12连接；所述电机控制器2通过电线与电动机3连接；所述大皮带轮4通过平键与电动机3连接，并且通过皮带5与小皮带轮6连接；所述小皮带轮6由两个轴承7支撑，与扭矩转速传感器8通过平键连接；所述扭矩转速传感器8通过联轴器9与机械增压器10连接；所述机械增压器出口管路11通过螺栓与机械增压器10固定连接；所述温度压力传感器12设置在机械增压器入口管路20和机械增压器出口管路11上；所述机械增压器出口管路11通过连接管路113和电磁阀14的一口连接；所述电磁阀14的另一口与压力控制阀16连接；所述电磁阀14的第三口与大气连接；所述电磁阀14通过连接管路215连接电磁阀14和压力控制阀16的下气室；所述可拓展管路117与机械增压器出口管路11连接；所述电子蝶阀节气门18与计算机1连接；所述可拓展管路219与机械增压器入口管路20连接；所述机械增压器入口管路20通过螺栓与机械增压器10固定连接；所述标准流量计21与计算机1连接；所述型材框架22通过螺栓与电动机控制器2、电动机3、轴承7、扭矩转速传感器8、机械增压器10、机械增压器入口管路20、标准流量计21和机械增压器出口管路11连接。

所述型材框架22采用铝合金材质。

所述电动机3为额定功率为7kW、额定转速为3200r/min的三相异步电动机。

所述扭矩转速传感器8的量程为0-10N·m，最高转速15000r/min。

所述温度压力传感器12有两个，分别设置在机械增压器入口管路20和机械增压器出口管路11上，压力测量范围是50-400kpa，温度测量范围是-40-130℃。

所述标准流量计21为卡门涡旋式流量计。

本发明的有益效果为：

1)本发明是一款针对机械增压器特性图的测定实验台，可以辅助设计增压器的配套管路，同时可以进行一些需要在一定正压下进行的实验；

2)由于机械增压器的最高转速普遍偏低，本发明将扭矩转速传感器与增压器使用联轴器直接连接在一起，这样一来，所测的扭矩和转速即是机械增压器的实际扭矩和实际转速，避免皮带的传递效率对真实数据造成影响；

3)为了防止皮带传动的张紧力对扭矩转速传感器造成影响，与传感器连接的皮带轮使用双列轴承固定，这样可避免传感器的轴受到弯矩影响测量精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图中：1、计算机；2、电机控制器；3、电动机；4、大皮带轮；5、皮带；6、小皮带轮；7、轴承；8、扭矩转速传感器；9、联轴器；10、机械增压器；11、机械增压器出口管路；12、温度压力传感器；13、连接管路1；14、电磁阀；15、连接管路2；16、压力控制阀；17、可拓展管路1；18、电子蝶阀节气门；19、可拓展管路2；20、机械增压器入口管路；21、标准流量计；22、型材框架。

具体实施方式

参阅图1，一种机械增压进气系统综合试验台，该试验台包括计算机1、电机控制器2、电动机3、大皮带轮4、皮带5、小皮带轮6、轴承7、扭矩转速传感器8、联轴器9、机械增压器10、机械增压器出口管路11、温度压力传感器12、连接管路113、电磁阀14、连接管路215、压力控制阀16、可拓展管路117、电子蝶阀节气门18、可拓展管路219、机械增压器入口管路20、标准流量计21和型材框架22。

所述基座铝合金型材搭建的型材框架22作为基座。

所述计算机1通过电线与扭矩转速传感器8和温度压力传感器12连接，用于采集来自扭矩转速传感器8和温度压力传感器12的数据。

所述电机控制器2通过电线与电动机3连接，控制电动机3的转速。

所述电动机3作为动力源，为整个试验台提供动力，其功率能够满足增压器在最高转速下的所需功率即可。本发明选择额定功率为7kW、额定转速为3200r/min的三相异步电动机。

所述大皮带轮4通过平键与电动机3连接，由电动机3带动旋转，同时通过皮带5与小皮带轮6连接，带动小皮带轮6旋转。

所述小皮带轮6由两个轴承7支撑，与扭矩转速传感器8通过平键连接，并通过皮带5与大皮带轮4连接，实现电动机3与扭矩转速传感器8之间的传动；为了防止皮带5传动的张紧力对扭矩转速传感器8造成影响，与扭矩转速传感器8连接的皮带轮使用双列轴承固定，这样可避免扭矩转速传感器8的轴受到弯矩影响测量精度。

由于机械增压器的最高转速普遍偏低，因此将所述扭矩转速传感器8通过联轴器9与机械增压器10连接，这样一来，所测的扭矩和转速即是机械增压器的实际扭矩和实际转速，避免皮带的传递效率对真实数据造成影响。该传感器的量程选择应尽可能小，只要能够满足所需即可，在满足实验要求的条件下尽可能减小量程，以提高测量精度。本发明中所选的扭矩转速传感器的量程为0-10N·m，最高转速15000r/min，已经满足本发明的实验需求。

所述机械增压器出口管路11通过螺栓与机械增压器10固定连接。

所述机械增压器10的工作效率其实就是在工作过程中的等熵效率。测量机械增压器前和机械增压器后的温度和压力才能计算增压器的等熵效率。本发明使用两个温度压力传感器对机械增压器入口和出口的温度、压力分别进行测量，所选的传感器的压力测量范围是50-400kpa，温度测量范围是-40-130℃。

利用公式：

式中：η为机械增压器的等熵效率，T₁为机械增压器入口的温度，T₂为机械增压器出口的温度，P₁为机械增压器入口的压力，P₂为机械增压器出口的压力，κ为空气的比热比，一般κ＝1.4。

所述温度压力传感器12设置在机械增压器入口管路20和机械增压器出口管路11上，用于测定安装点的温度和压力信号。

所述机械增压器出口管路11通过连接管路113和电磁阀14的一口连接；所述电磁阀14的另一口与压力控制阀16连接；所述电磁阀14的第三口与大气连接。

所述电磁阀14通过连接管路215连接电磁阀14和压力控制阀16的下气室；所述压力控制阀16用于控制机械增压器出口管路11内的压力。

所述电子蝶阀节气门18与计算机1连接，接收电信号，来控制电子蝶阀节气门18的开度。

所述可拓展管路117与机械增压器出口管路11连接。所述可拓展管路219与机械增压器入口管路20连接。可以分别在机械增压器上游、下游可拓展管路中进行配套管路的实验。例如在某些比赛中需要在进气系统前段加装限流器来限制最大进气量从而限制发动机的功率等。或者进行需要在一定负压或者正压环境下进行的实验。

所述机械增压器出口管路11上通过一个连接有电磁阀14的压力控制阀16和一个电子蝶阀节气门18一起控制管路内的压力。压力控制阀16实质是一个膜片控制的阀，控制压力来自电磁阀，电磁阀14的压力源在压力控制阀16上游的出口管路上。通过不同的弹簧预载、设置不同的电磁阀14占空比和电子蝶阀节气门18的开度来实现不同的出口管路内的压力。例如，将弹簧预载设置为0.4bar,电磁阀14占空比为0％，电子蝶阀节气门18全关时，即当机械增压器出口管路11内压力大于1.4bar(绝对压力)时，压力控制阀16打开进行泄压，且管路内最大压力就是1.4bar。因此，通过压力控制阀16的弹簧预载和电磁阀14占空比可以设置出口管路内能达到的最大压力，电子蝶阀节气门18通过不同的开度可以在最大压力之下进行管路内的压力调节。

所述机械增压器入口管路20通过螺栓与机械增压器10固定连接。

所述标准流量计21与计算机1连接，用于测量这个系统的标准进气量。

在机械增压器入口管路20的最上游布置一个标准流量计21，类型为卡门涡旋式流量计，旋涡的释放频率与流速成正比，只要检测出频率即可求得管内空气的流速，由流速可以求得质量流量。由于进气管路完全密闭，因此测得流量即为经过机械增压器10的流量。本发明所选的标准流量计21型号为DN50，量程范围是35-380m³/h。该量程在满足需求的条件下尽可能选择较小的，以提高测量精度。

所述型材框架22采用铝合金材质，通过螺栓与电动机控制器2、电动机3、轴承7、扭矩转速传感器8、机械增压器10、机械增压器入口管路20、标准流量计21和机械增压器出口管路11连接，为整个试验台提供牢固的支撑作用。

本发明可以实现以下功能：

(1)测定机械增压器10的特性，即机械增压器10在不同转速、不同质量流量下的增压比以及该工作点的等熵效率。也就是一张横轴为流经机械增压器的质量流量，纵轴为机械增压器的增压比，将不同转速下的所有曲线绘制在一张表格中，并标出所有工作点的等熵效率。

利用标准流量计21测量流经机械增压器10的质量流量，利用机械增压器10前后管路上的温度压力传感器12测得的压力数值算得增压比，利用扭矩转速传感器8测得机械增压器10的转速，利用扭矩转速传感器8测得的扭矩和转速算得机械增压器10所消耗的功率，利用机械增压器10前后管路上的温度压力传感器12测得的温度、压力数值算得机械增压器10的等熵效率。

式中：PR为机械增压器的增压比；P为机械增压器所消耗的功率，单位kW；Tq为扭矩传感器测得的扭矩，单位N·m；n为扭矩传感器测得的转速，单位rpm；η为机械增压器的等熵效率；T₁为机械增压器入口的温度，单位℃；T₂为机械增压器出口的温度，单位℃；P₁为机械增压器入口的压力，单位kPa；P₂为机械增压器出口的压力，单位kPa；κ为空气的比热比，一般κ＝1.4.

(2)辅助设计机械增压器10的配套管路，尤其是上游管路。假如该套动力总成需要参加比赛，则可能需要根据一些赛事规则在增压器之前加装限流器，因此该拓展管路可实验不同形状设计的限流器以找到最佳的结构。假如在进气系统中需要加装空气流量计，也可以在可拓展管路中布置，利用标准流量计可以为实验的空气流量计进行校准测量。

(3)由于机械增压器10在工作条件下，入口前的负压并不是非常低，大约在0.9-1.0bar左右，而出口管路中的压力可达到2-3bar，因此可以在出口的可拓展管路中进行一些需要在一定正压条件下进行的科研实验.

实验之前，首先确保各个部件在基座上安装牢固，之后校准各个传感器，包括标准流量计21、温度压力传感器12和扭矩转速传感器8，并确定各个旋转运动部件，例如电动机3、扭矩转速传感器8、联轴器9、机械增压器10、压力控制阀16活塞和电子蝶阀节气门18均可自由运动。为系统供电，通过电机控制器2控制电动机3的转速来控制机械增压器10的转速，同时使用计算机输出信号控制电子蝶阀节气门18的开度来模拟其负载，或综合控制可扩展管路内的压力，之后利用计算机1输出信号控制电磁阀14的占空比，进而利用压力控制阀16对机械增压器10的出口管路内压力进行控制，实现测试实验的目的。

Claims (6)

1.一种机械增压进气系统综合试验台，其特征在于，该试验台包括计算机(1)、电机控制器(2)、电动机(3)、大皮带轮(4)、皮带(5)、小皮带轮(6)、轴承(7)、扭矩转速传感器(8)、联轴器(9)、机械增压器(10)、机械增压器出口管路(11)、温度压力传感器(12)、连接管路1(13)、电磁阀(14)、连接管路2(15)、压力控制阀(16)、可拓展管路1(17)、电子蝶阀节气门(18)、可拓展管路2(19)、机械增压器入口管路(20)、标准流量计(21)和型材框架(22)；所述计算机(1)通过电线与扭矩转速传感器(8)和温度压力传感器(12)连接；所述电机控制器(2)通过电线与电动机(3)连接；所述大皮带轮(4)通过平键与电动机(3)连接，并且通过皮带(5)与小皮带轮(6)连接；所述小皮带轮(6)由两个轴承(7)支撑，与扭矩转速传感器(8)通过平键连接；所述扭矩转速传感器(8)通过联轴器(9)与机械增压器(10)连接；所述机械增压器出口管路(11)通过螺栓与机械增压器(10)固定连接；所述温度压力传感器(12)设置在机械增压器入口管路(20)和机械增压器出口管路(11)上；所述机械增压器出口管路(11)通过连接管路1(13)和电磁阀(14)的一口连接；所述电磁阀(14)的另一口与压力控制阀(16)连接；所述电磁阀(14)的第三口与大气连接；所述电磁阀(14)通过连接管路2(15)连接电磁阀(14)和压力控制阀(16)的下气室；所述可拓展管路1(17)与机械增压器出口管路(11)连接；所述电子蝶阀节气门(18)与计算机(1)连接；所述可拓展管路2(19)与机械增压器入口管路(20)连接；所述机械增压器入口管路(20)通过螺栓与机械增压器(10)固定连接；所述标准流量计(21)与计算机(1)连接；所述型材框架(22)通过螺栓与电动机控制器(2)、电动机(3)、轴承(7)、扭矩转速传感器(8)、机械增压器(10)、机械增压器入口管路(20)、标准流量计(21)和机械增压器出口管路(11)连接。

2.根据权利要求1所述的一种机械增压进气系统综合试验台，其特征在于，所述型材框架(22)采用铝合金材质。

3.根据权利要求1所述的一种机械增压进气系统综合试验台，其特征在于，所述电动机(3)为额定功率为7kW、额定转速为3200r/min的三相异步电动机。

4.根据权利要求1所述的一种机械增压进气系统综合试验台，其特征在于，所述扭矩转速传感器(8)的量程为0-10N·m，最高转速15000r/min。

5.根据权利要求1所述的一种机械增压进气系统综合试验台，其特征在于，所述温度压力传感器(12)有两个，分别设置在机械增压器入口管路(20)和机械增压器出口管路(11)上，压力测量范围是50-400kpa，温度测量范围是-40-130℃。

6.根据权利要求1所述的一种机械增压进气系统综合试验台，其特征在于，所述标准流量计(21)为卡门涡旋式流量计。

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