增壓器壓氣機(jī)葉頂間隙對柴油機(jī)性能的影響*

樓狄明 林浩強(qiáng) 邵聰 王志宏 徐寧

（1-同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院上海2018042-寧波威孚天力增壓技術(shù)有限公司）

·研究·開發(fā)·

增壓器壓氣機(jī)葉頂間隙對柴油機(jī)性能的影響*

樓狄明1林浩強(qiáng)1邵聰1王志宏2徐寧1

（1-同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院上海2018042-寧波威孚天力增壓技術(shù)有限公司）

基于兩種不同壓氣機(jī)葉頂間隙，研究葉頂間隙對壓氣機(jī)效率、壓比等增壓器性能參數(shù)以及動力經(jīng)濟(jì)性、常規(guī)氣態(tài)物排放、進(jìn)排氣情況等柴油機(jī)性能參數(shù)的影響。結(jié)果表明：相同工況下，小葉頂間隙壓氣機(jī)的效率比大葉頂間隙壓氣機(jī)高約3%且高效區(qū)域范圍更大。裝有小葉頂間隙壓氣機(jī)時進(jìn)氣流量增幅達(dá)6%；進(jìn)氣中冷后溫度有所降低，最大降幅為19%；發(fā)動機(jī)動力輸出增幅達(dá)2%；NOx體積排放量減少，最大降幅為15%；THC體積排放量增加，最大增幅為100%。葉頂間隙對CO排放、CO2排放、發(fā)動機(jī)排氣背壓及比油耗基本無影響。

柴油機(jī)壓氣機(jī)葉頂間隙性能

引言

增壓技術(shù)是提高發(fā)動機(jī)動力性和改善燃油經(jīng)濟(jì)性最有效的措施[1，2]，同時也是降低排放的有效措施[3，4]。因此，研究渦輪增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響十分必要[5]。

壓氣機(jī)葉頂間隙對壓氣機(jī)性能影響很大，是壓氣機(jī)損失的主要來源[6]。為了使葉輪自由地轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子葉片頂端與外殼之間有一定的間隙，這個間隙被稱為葉頂間隙。葉片壓力面和吸力面之間的壓差造成了葉頂間隙流。葉頂間隙流會導(dǎo)致氣體泄漏及堵塞，對壓氣機(jī)的性能及穩(wěn)定性影響很大[7]。隨著葉頂間隙增大，氣體泄漏加劇，壓氣機(jī)流量、效率、壓比下降[8，9]。另一方面，過小的葉頂間隙對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動設(shè)計不利[10]，同時也會影響到葉輪運(yùn)行安全性、加工工藝性。葉頂間隙的取值要權(quán)衡兩方面的利弊。國內(nèi)外學(xué)者對葉頂間隙流動進(jìn)行了多年的研究。Okita K.等[11]利用數(shù)值分析的方法研究了葉頂間隙流對空化流動的影響；Inoue M等[12]研究了不同大小的葉頂間隙對于動葉旋轉(zhuǎn)失速發(fā)展過程的影響；高學(xué)林等[13]對某多級軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了間隙流動的數(shù)值模擬，進(jìn)行了定常及非定常計算，研究了間隙流動對壓氣機(jī)整體性能的影響；郭宮達(dá)等[14]采用三維CFD方法，研究了葉尖間隙分布對離心壓氣機(jī)葉輪及擴(kuò)壓器性能的影響機(jī)理。但是，針對壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)性能影響規(guī)律的研究，國內(nèi)外文獻(xiàn)中還鮮見報道。因此有必要深入研究壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)性能的影響。

本文針對某純電動公交客車的增程器專用發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架試驗(yàn)，研究葉頂間隙對壓氣機(jī)MAP圖及發(fā)動機(jī)動力經(jīng)濟(jì)性、常規(guī)氣態(tài)物排放、進(jìn)排氣情況等性能參數(shù)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計

圖1所示為發(fā)動機(jī)臺架搭建安裝示意圖。臺架試驗(yàn)采用D19增壓柴油機(jī)，具體參數(shù)見表1。燃油為國V標(biāo)準(zhǔn)柴油。

圖1 發(fā)動機(jī)臺架搭建安裝示意圖

表1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

經(jīng)過匹配計算，選定一款渦輪增壓器，表2所示為放氣閥渦輪增壓器主要參數(shù)。壓氣機(jī)采用半開式后彎葉輪，表3所示為增壓器壓氣機(jī)端主要參數(shù)。

表2 放氣閥渦輪增壓器主要參數(shù)

表3 增壓器壓氣機(jī)端主要參數(shù)mm

本純電動公交客車的增程器專用發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍為1 800 r/min～3 000 r/min，常用負(fù)荷范圍為50%～100%，以此為本文研究范圍，研究葉頂間隙分別為0.3 mm和0.5 mm的壓氣機(jī)對發(fā)動機(jī)工作性能的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壓氣機(jī)特性

圖2所示為壓氣機(jī)葉頂間隙對壓氣機(jī)MAP的影響。從圖中可知葉頂間隙為0.3 mm時，壓氣機(jī)高效區(qū)范圍較大，與發(fā)動機(jī)聯(lián)合運(yùn)行時，壓氣機(jī)效率在71%以上，相同條件下較葉頂間隙為0.5 mm的壓氣機(jī)高約3%。較小的葉頂間隙可減少壓氣機(jī)中的氣體泄漏，將等量的空氣壓縮到相同壓力值，葉頂間隙小的壓氣機(jī)所需要的功較少，所以效率較大。但是葉頂間隙并不是越小越好。由于熱脹冷縮、軸承間隙等原因，過小的葉頂間隙會使得葉片頂端與壓氣機(jī)機(jī)殼碰擦，嚴(yán)重影響柴油機(jī)的性能。

2.2 發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣

圖2 葉頂間隙對壓氣機(jī)MAP的影響

圖3 所示是在全負(fù)荷工況下壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量的影響。在各發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機(jī)時發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量均比裝有0.5 mm葉頂間隙壓氣機(jī)時高，最大增幅為6%。這是因?yàn)樾∪~頂間隙壓氣機(jī)氣體泄漏量小，效率高，與發(fā)動機(jī)聯(lián)合運(yùn)行時能將更多地空氣輸送到氣缸中。

圖3 葉頂間隙對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量的影響

圖4 所示是在全負(fù)荷工況下壓氣機(jī)葉頂間隙對進(jìn)氣增壓中冷后溫度的影響。由圖4可知，在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時，兩種不同葉頂間隙的壓氣機(jī)對進(jìn)氣增壓中冷后溫度影響不大。在中等轉(zhuǎn)速裝有小葉頂間隙壓氣機(jī)時，進(jìn)氣中冷后溫度較低，最大相對降幅為19%。

圖5所示為全負(fù)荷工況下葉頂間隙對排氣背壓的影響。由圖可知壓氣機(jī)葉頂間隙的大小對排氣背壓影響不大。

圖4 葉頂間隙對進(jìn)氣增壓中冷后溫度的影響

圖5 葉頂間隙對排氣背壓的影響

2.3 發(fā)動機(jī)動力性與經(jīng)濟(jì)性

圖6為全負(fù)荷工況下壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)指示壓力的影響。由圖可知裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機(jī)時，發(fā)動機(jī)平均指示壓力較大，最大相對增幅為1.8%。這是因?yàn)橄嗤r下，小葉頂間隙壓氣機(jī)能為柴油機(jī)提供更多空氣，電控噴油量相應(yīng)增大，所以平均指示壓力更大。

圖7所示為全負(fù)荷工況下壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)動力性的影響。由于以上分析，裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機(jī)時發(fā)動機(jī)在各轉(zhuǎn)速下動力輸出較大，最大增幅為1.6%。適當(dāng)減小葉頂間隙可以提高發(fā)動機(jī)動力性。

圖6 葉頂間隙對發(fā)動機(jī)指示壓力的影響

圖7 葉頂間隙對發(fā)動機(jī)動力性的影響

圖8 為全負(fù)荷工況下壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)比油耗的影響。由圖可知隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，油耗逐漸增大。使用兩種不同葉頂間隙壓氣機(jī)時，最大油耗差異不超過1%，即壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)油耗基本無影響。

2.4 發(fā)動機(jī)排放特性

2.4.1 氮氧化物NOx

圖8 葉頂間隙對發(fā)動機(jī)比油耗的影響

圖9 葉頂間隙對NOx排放量的影響

圖9 為壓氣機(jī)葉頂間隙對NOx排放量的影響。由圖9a）可知，全負(fù)荷工況下，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，NOx排放量先下降后上升，在2500 r/min時達(dá)到最小排放量。由圖9b）可知NOx的排放首先隨著負(fù)荷比的增大漸漸增大至80%達(dá)到最高點(diǎn)，然后隨著負(fù)荷比的增大漸漸減少。從低負(fù)荷到高負(fù)荷，燃燒溫度增大，同時噴油量也會增大，燃燒區(qū)域空燃比下降。溫度增大利于NOx的生成，但是低空燃比不利于NOx的生成。從50%負(fù)荷到80%負(fù)荷，燃燒溫度占主導(dǎo)地位，所以有更多的NOx生成，從80%負(fù)荷到100%負(fù)荷燃燒區(qū)域的空燃比占主導(dǎo)地位，所以NOx排放量下降。

在試驗(yàn)工況下，裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機(jī)時NOx排放量至少比裝有0.5 mm葉頂間隙壓氣機(jī)時低13%。

2.4.2 總碳?xì)銽HC

圖10為壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)THC排放量的影響。由圖10a）可知從1800 r/min到2000 r/min，THC排放量快速下降，2000 r/min后緩慢下降。這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，缸內(nèi)氣體流動增強(qiáng)，油氣混合質(zhì)量提高，改善燃燒，THC排放量降低。1800 r/min，全負(fù)荷工況下，裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機(jī)時THC排放量是裝有0.5 mm葉頂間隙時的兩倍，并隨著轉(zhuǎn)速增大差距漸漸減小。由圖10b）可知THC基本上隨著負(fù)荷的增大而逐漸減少。這是因?yàn)樨?fù)荷越大，缸內(nèi)溫度增大，燃燒更加徹底。各負(fù)荷點(diǎn)下，裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機(jī)時THC的排放量至少比裝有0.5 mm葉頂間隙壓氣機(jī)時大10%。

圖10 葉頂間隙對發(fā)動機(jī)THC排放量的影響

2.4.3 一氧化碳CO

圖11為壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)CO排放量的影響。由圖11a）可知全負(fù)荷工況下，CO排放量在2500 r/min時取得最大值。由圖11b）可知從50%負(fù)荷到70%負(fù)荷CO的排放量變化不大，從70%開始CO排放量急劇上升，到100%負(fù)荷時達(dá)到最大值。

研究表明，CO的生成與燃燒區(qū)域的空燃比有密切的關(guān)系[15]。由圖11可知，CO排放量的變化與空燃比的變化呈現(xiàn)較大的負(fù)相關(guān)性。分別裝有兩種不同葉頂間隙壓氣機(jī)時CO排放量差別不大，綜合差距不超過1%。

2.4.4 二氧化碳CO2

圖11 葉頂間隙對發(fā)動機(jī)CO排放量的影響

圖12 葉頂間隙對發(fā)動機(jī)CO2排放量的影響

圖12 為壓氣機(jī)葉頂間隙對發(fā)動機(jī)CO2排放量的影響。圖12中CO2的排放規(guī)律與圖11中空燃比的變化規(guī)律呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)特性。空燃比小意味著燃料比重大，燃燒過程會產(chǎn)生更多的CO2。由圖12可知，在試驗(yàn)工況下裝有兩種不同葉頂間隙壓氣機(jī)時CO2排放量差別不超過1%，即壓氣機(jī)葉頂間隙對CO2排放量基本無影響。

3 結(jié)論

1）與D19發(fā)動機(jī)聯(lián)合運(yùn)行時，小葉頂間隙壓氣機(jī)工作效率比大葉頂間隙壓氣機(jī)高約3%，高效區(qū)域范圍也較之大。

2）裝有小葉頂間隙壓氣機(jī)時，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量增大，最大增幅為6%；進(jìn)氣中冷后溫度有所降低，最大降幅為19%；葉頂間隙對排氣背壓基本無影響。

3）外特性工況下，相對于大葉頂間隙壓氣機(jī)，匹配小葉頂間隙壓氣機(jī)時發(fā)動機(jī)動力輸出增幅達(dá)2%；葉頂間隙對比油耗基本無影響。

4）匹配小葉頂間隙壓氣機(jī)時，NOx體積排放量減少，最大降幅為15%；THC體積排放量增加，最大增幅為100%；葉頂間隙對CO、CO2的排放基本無影響。

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The Effect of Tip Clearance of Turbo Compressor on the Performance of Diesel Engine

Lou Diming1，Lin Haoqiang1，Shao Cong1，Wang Zhihong2，Xu Ning1
1-School of Automotive Studies，Tongji University（Shanghai，201804，China）2-Ningbo Weifu Tianli Turbocharging Technology Co.，Ltd.

Based on two different tip clearances of compressor，this paper analyzed the effect of tip clearance on the performance of turbocharger such as efficiency，pressure ratio，flow，etc.，and the performance of engine such as power，fuel consumption，emission，etc.The results indicate that under the same conditions，the efficiency of the compressor with a smaller tip clearance is about 3%higher than that of the other compressor and the flow of compressor with a smaller tip clearance is at most 6%larger than that of the other.When the engine equips with the compressor with a smaller tip clearance，inlet flow rate increases by 6%and the temperature of inlet flow decreases by 19%.Dynamic of the engine is 2%higher and the emission of NOxis about 15%lower but the emission of THC is at most 100%higher.Tip clearance has no effect on the emission of CO and CO2and fuel consumption.

Diesel engine，Compressor，Tip clearance，Performance

TK427

A

2095-8234（2014）06-0001-06

2014-09-12）

上海張江國家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項發(fā)展資金重點(diǎn)項目（2011GX05D04951）。

樓狄明（1963-），男，博士，教授，主要從事柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化研究。