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可變有效橫截面擴(kuò)展廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)的特性曲線場
2020-03-04 22:55:16· 來源：汽車與新動(dòng)力
單級廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用小型化方案，隨之出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)較高的額定功率與良好的性能之間的目標(biāo)沖突。為了擴(kuò)展穩(wěn)定的特性曲線場范圍，分析了橫截面
單級廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用小型化方案，隨之出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)較高的額定功率與良好的性能之間的目標(biāo)沖突。為了擴(kuò)展穩(wěn)定的特性曲線場范圍，分析了橫截面可變的徑向壓氣機(jī)，德國漢諾威萊布尼茨大學(xué)（der Leibniz UniversitätHannover）和布倫瑞克理工大學(xué)（der TechnischenUniversität Braunschweig）在內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合會（FVV）研究計(jì)劃框架中進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
1 動(dòng)機(jī)
為了能勝任當(dāng)前和未來的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的技術(shù)更趨向于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，即借助于廢氣渦輪增壓器（德語縮寫ATL）在保持功率水平不變的情況下減小排量，而且開發(fā)小排量汽油機(jī)是明顯有利于降低成本的。
由于汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍和質(zhì)量流量范圍都較大，必須加大廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，以此能提高低轉(zhuǎn)速扭矩時(shí)的增壓壓力而又不會降低發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率。為了能加大和穩(wěn)定壓氣機(jī)的運(yùn)行范圍，首先在廢氣渦輪增壓器熱氣試驗(yàn)臺上，按照所需要的過程循環(huán)（圖1）對擴(kuò)大特性曲線場潛力的措施進(jìn)行試驗(yàn)研究，以便緊接著能在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺上驗(yàn)證極為有效的措施效果。
圖1 項(xiàng)目特定的過程循環(huán)示意圖
2 方案開發(fā)和預(yù)研究
在廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)速恒定不變的情況下，壓氣機(jī)的質(zhì)量流量取決于最窄的橫截面以及葉輪進(jìn)出口橫截面積之比（調(diào)諧），其最小質(zhì)量流量是在質(zhì)量流量較小的情況下由于壓氣機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定性所導(dǎo)致的。在質(zhì)量流量較小時(shí)葉輪前緣的軸向速度分量將減小，使入射角增大,導(dǎo)致壓氣機(jī)葉輪中的流動(dòng)分離,以此會引起壓氣機(jī)喘振。外部葉片頂部范圍的流入和回流影響流動(dòng)分離，并降低壓氣機(jī)葉輪中的能量轉(zhuǎn)換和壓力建立過程。壓氣機(jī)出口處的流動(dòng)角減小會使氣體在擴(kuò)壓器中的流動(dòng)路程加長，以此會使摩擦損失增大從而降低動(dòng)能。如果動(dòng)能降低較多的話，流動(dòng)就會出現(xiàn)分離并在擴(kuò)壓器中形成分離氣泡。
為了穩(wěn)定和擴(kuò)大壓氣機(jī)的運(yùn)行范圍，對于壓氣機(jī)的應(yīng)用目前已有相應(yīng)進(jìn)口導(dǎo)向措施，例如可變的、可開關(guān)的或固定的導(dǎo)向葉片。這些進(jìn)口導(dǎo)向措施可以是帶有輪轂體、環(huán)形隔板或完全無輪轂體的結(jié)構(gòu)型式，其中壓氣機(jī)流動(dòng)的可變進(jìn)口導(dǎo)向葉柵可形成預(yù)旋流，其通過調(diào)整速度狀況可實(shí)現(xiàn)葉片前緣無入射角的流動(dòng)。
另一個(gè)可用于擴(kuò)大壓氣機(jī)特性曲線場且更為有效的措施是可變進(jìn)口截面。減小進(jìn)口面積有助于提高小質(zhì)量流量時(shí)的壓氣機(jī)流動(dòng)穩(wěn)定性，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的最大扭矩（扭矩曲線的拐角扭矩）。作為附加措施，可借助于全面改變擴(kuò)壓器來提高流動(dòng)速度和降低壓力，使得通過擴(kuò)壓器的流動(dòng)路程更短，最終降低摩擦損失。
圖2示范性地示出了進(jìn)行部件試驗(yàn)的相關(guān)裝置。進(jìn)口喇叭口、進(jìn)口隔板和進(jìn)口導(dǎo)向葉柵的變型方案應(yīng)該進(jìn)行配置有環(huán)形隔板及并未配置有環(huán)形隔板的試驗(yàn)。在保持葉輪進(jìn)口橫截面不變的情況下，進(jìn)口喇叭口方案與壓氣機(jī)殼體進(jìn)口直徑有關(guān)，進(jìn)口直徑增大會使特性曲線場范圍向質(zhì)量流量更小的方向移動(dòng)。隨著質(zhì)量流量和轉(zhuǎn)速的提高，由此會達(dá)到比較小的壓比，特別是在較高的質(zhì)量流量和轉(zhuǎn)速情況下壓氣機(jī)的效率又會隨著進(jìn)口直徑的增大而降低。進(jìn)口導(dǎo)向葉柵帶和不帶環(huán)形隔板對于所有的結(jié)構(gòu)配置（不同的進(jìn)口導(dǎo)向葉柵角）都會使特性曲線場向質(zhì)量流量較小的方向移動(dòng)，但是這些結(jié)構(gòu)配置的相互比較表明向質(zhì)量流量較小方向的移動(dòng)效果并不顯著，因而可能產(chǎn)生的變化也不會呈現(xiàn)出顯著的技術(shù)潛力，而且使用進(jìn)口導(dǎo)向葉柵會產(chǎn)生附加的損失，致使壓力降低。
圖2 熱氣試驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)裝置
對進(jìn)口隔板的預(yù)試驗(yàn)表明，因減小了進(jìn)口面積而使喘振極限明顯向質(zhì)量流量更小的方向移動(dòng)。由于提高了軸向速度而使流動(dòng)趨于穩(wěn)定，但是在較高的質(zhì)量流量時(shí)進(jìn)口面積的減小也會引起明顯的壓力降，而在較低的轉(zhuǎn)速下效率會隨著進(jìn)口面積的減小而提高。
3 系統(tǒng)考察
基于對預(yù)試驗(yàn)的認(rèn)識，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺上對不同進(jìn)口直徑的可變進(jìn)口隔板的技術(shù)潛力進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了一臺可變進(jìn)排氣定時(shí)的4缸1.4 L汽油機(jī)，其增壓方案由一臺廢氣放氣閥渦輪增壓器組成，并應(yīng)用了掃氣換氣方式，以便在額定功率達(dá)到110 kW的同時(shí)提高低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩（低端扭矩，英語縮寫LET）。實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)時(shí)使用了柴油機(jī)所使用的可變幾何截面渦輪（VTG）和經(jīng)預(yù)試驗(yàn)的壓氣機(jī)（圖3）。為了在較小的質(zhì)量流量下利用擴(kuò)大特性曲線場的措施充分發(fā)揮渦輪的工作能力，使用VTG渦輪是必不可少的。因減小了壓氣機(jī)進(jìn)口的流動(dòng)橫截面，量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速最大扭矩并不通過掃氣換氣來實(shí)現(xiàn)。圖4示出了壓氣機(jī)進(jìn)口橫截面相對于基準(zhǔn)方案減少到50% 或75% 時(shí)的情況，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺上測得的壓氣機(jī)特性曲線場示于左圖，扭矩-轉(zhuǎn)速曲線示于右圖。在用星號標(biāo)志出的運(yùn)行工況點(diǎn)上探測到壓氣機(jī)喘振，其表明對于75% 的方案喘振極限移向較小的質(zhì)量流量，這種可得到的較高的壓氣機(jī)壓比能提高LET范圍內(nèi)的扭矩，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)扭矩能提高約20 N·m而達(dá)到170 N·m。與基準(zhǔn)方案相比，通過將壓氣機(jī)進(jìn)口橫截面減小到50%，喘振極限會出現(xiàn)更明顯的移動(dòng)現(xiàn)象，采用這種方案無需采用掃氣換氣發(fā)動(dòng)機(jī)即可使轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)的扭矩達(dá)到250 N·m，該數(shù)值相比基準(zhǔn)方案提高了67%，在這種情況下壓氣機(jī)的最大壓比并非受喘振極限所限制，而是由渦輪的工作能力或發(fā)動(dòng)機(jī)250 N·m的最大扭矩所限制的。
圖3 帶有量產(chǎn)渦輪增壓器（左）和帶有可變壓氣機(jī)的VTG渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺試驗(yàn)裝置
圖4 在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺上測得的壓氣機(jī)特性曲線場（左）和扭矩-轉(zhuǎn)速曲線（右）
4 建模
這種可變幾何截面渦輪常用于柴油機(jī)，因此出于保護(hù)零部件的原因，在全負(fù)荷時(shí)加濃混合氣將廢氣溫度限制在820 ℃。為了在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)全面評估可變進(jìn)口隔板，建立并驗(yàn)證了試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的1D模型。綜合熱氣試驗(yàn)臺和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺上的測量結(jié)果可得到壓氣機(jī)特性曲線場，并成為模擬計(jì)算的輸入量，其中在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺上測得的特性曲線場覆蓋了壓氣機(jī)較小質(zhì)量流量時(shí)的喘振極限，而在熱氣試驗(yàn)臺上測得的特性曲線場則覆蓋了壓氣機(jī)較高質(zhì)量流量直至受到堵塞極限限制的工作范圍。圖5示范性地示出了兩種壓氣機(jī)進(jìn)口橫截面積方案的模擬特性曲線場及其運(yùn)行工況點(diǎn)曲線，其中基準(zhǔn)方案的壓氣機(jī)特性曲線場用綠色表示，其覆蓋了約0.15 kg/s的質(zhì)量流量范圍。為了能在LET范圍內(nèi)建立起較高的壓力，在壓氣機(jī)質(zhì)量流量小于0.05 kg/s的情況下就轉(zhuǎn)換到較小的壓氣機(jī)葉輪進(jìn)出口橫截面積之比，在圖5中用藍(lán)色表示。這種方案由于通過按需轉(zhuǎn)換壓氣機(jī)進(jìn)口橫截面并放棄掃氣換氣從而提高了壓氣機(jī)效率，因而能提供降低CO2 排放的潛力，并且還相應(yīng)提高了性能。 使用單級增壓可達(dá)到的質(zhì)量流量范圍即可擴(kuò)展到該數(shù)值，否則就必須使用兩級增壓了，因此通過使用可變進(jìn)口隔板就能提供通過增壓機(jī)組才能達(dá)到的工作范圍。 使用單級增壓方案替代兩級增壓能降低調(diào)節(jié)費(fèi)用和成本，并提供了在外形尺寸方面的優(yōu)勢。
圖5 兩種不同壓氣機(jī)進(jìn)口橫截面積方案的模擬壓氣機(jī)特性曲線場及其運(yùn)行工況點(diǎn)曲線
5 結(jié)論
減小廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口橫截面能使喘振極限向小質(zhì)量流量方向移動(dòng)，以此就能提高發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的壓氣機(jī)壓比，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的扭矩。根據(jù)運(yùn)行工況點(diǎn)轉(zhuǎn)換壓氣機(jī)進(jìn)口截面的策略能顯著提高單級增壓方案的性能，并且通過將壓氣機(jī)最佳效率區(qū)域不斷向發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍移動(dòng)就能降低CO2排放。
作者：[德]J.FLINTE等
整理：范明強(qiáng)
編輯：伍賽特
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