內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)與渦輪增壓技術(shù)研究

黃 光

(南寧康樂(lè)股份有限公司，廣西南寧530011)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車(chē)已走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)，這對(duì)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展是一個(gè)機(jī)遇，但更多的是挑戰(zhàn)。如何解決好發(fā)展中的能源與環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)前汽車(chē)工業(yè)面臨的主要難題。在能源與環(huán)境的雙重壓力下，我國(guó)在機(jī)用內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)和研究上引進(jìn)了許多先進(jìn)的技術(shù)，其中渦輪增壓技術(shù)可以有效地改善內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低廢氣污染的排放，大幅度提高內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，減少CO2排放，這是節(jié)能減排的重點(diǎn)，也是保護(hù)環(huán)境的必須。

1 內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)概念解析

內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)主要研究?jī)?nèi)燃機(jī)的壓縮、膨脹、加熱、放熱等循環(huán)熱力過(guò)程的流動(dòng)規(guī)律，是發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行和運(yùn)轉(zhuǎn)的保證基礎(chǔ)，也是我們進(jìn)行熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)的研究方向。渦輪增壓技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，也是發(fā)展內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)的基礎(chǔ)。在促進(jìn)氣動(dòng)熱力學(xué)在內(nèi)燃機(jī)工程中的應(yīng)用方面，渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用?？傮w上看，內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)的理論研究和渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展是相互促進(jìn)的。

目前，內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)已經(jīng)有了很大的發(fā)展。隨著數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科的交叉和融合，實(shí)驗(yàn)、模擬技術(shù)的發(fā)展，又不斷促進(jìn)了熱力學(xué)的發(fā)展。內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力渦輪余熱的利用技術(shù)和內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)成為節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)，影響著內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)的研究，并將對(duì)下一步的研究和應(yīng)用起到至關(guān)重要的作用。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)外渦輪增壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1.1 渦輪增壓器氣動(dòng)設(shè)計(jì)

渦輪增壓氣動(dòng)設(shè)計(jì)到目前為止經(jīng)歷了4 個(gè)階段:20 世紀(jì)50 年代認(rèn)為流場(chǎng)參數(shù)只在軸向發(fā)生變化，采用的是一維設(shè)計(jì)方法，造就了第一代發(fā)動(dòng)機(jī)的生成;20 世紀(jì)60—70 年代認(rèn)為流聲具有軸對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，采用二維設(shè)計(jì)方法，造就了第二代發(fā)動(dòng)機(jī)的生成;20 世紀(jì)70 年代，我國(guó)的科研人員吳仲華創(chuàng)立了S1、S2 兩類(lèi)相對(duì)流面理論，從理論上指導(dǎo)了準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法的研究;20 世紀(jì)80 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速崛起，計(jì)算流體力學(xué)在離散方法、網(wǎng)格生成以及求解方法等方面取得突破性進(jìn)展，渦輪增壓器內(nèi)部旋渦分離在計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)下已初步形成了湍流模型，使得全三維定常成為可能，并投入應(yīng)用，這也同時(shí)意味著三維設(shè)計(jì)方法的確立。

2.1.2 變截面、兩極和高增壓技術(shù)

這幾年來(lái)，滿(mǎn)足于歐四以上排放的變截面增壓和兩極增壓系統(tǒng)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，高增壓技術(shù)也跨越到跨聲速壓氣機(jī)的時(shí)代。但是在研究時(shí)，葉片通道內(nèi)部的流動(dòng)非線(xiàn)性和非定常性及旋渦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性已成為變截面增壓、兩極增壓和高增壓技術(shù)中存在的共同難題。原來(lái)的準(zhǔn)三維半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)體系已跟不上現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的需要，變截面增壓、兩極增壓的技術(shù)對(duì)物理樣機(jī)的循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。由于受CFD 的全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)更新的影響，變截面增壓、兩極增壓和高增壓技術(shù)的研究已有了很大的發(fā)展。

2.1.3 動(dòng)力渦輪余熱利用

美國(guó)環(huán)境保護(hù)局對(duì)汽車(chē)行駛能量進(jìn)行了分配試驗(yàn)，如圖1所示。

因?yàn)樵谀芰哭D(zhuǎn)化過(guò)程中功率傳動(dòng)有損失，如果把燃料的總熱能設(shè)為100%，輸出功率只為總熱能的20% ～25%，而驅(qū)動(dòng)功率僅為12% ～15%，通過(guò)對(duì)比就可知道損失的熱能有多少。汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)余熱是一個(gè)巨大的能量源，急需開(kāi)發(fā)利用，利用好這部分余熱，才能達(dá)到節(jié)能目的。余熱動(dòng)力渦輪發(fā)電技術(shù)能夠把發(fā)動(dòng)機(jī)余熱充分利用，可以大大拓寬內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)的研究和應(yīng)用范圍。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與基礎(chǔ)

2.2.1 國(guó)內(nèi)增壓技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國(guó)汽車(chē)工業(yè)起步較晚，但是發(fā)展速度很快，研究?jī)?nèi)燃機(jī)渦輪增壓的單位主要有中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)和清華大學(xué)等。其中中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓技術(shù)研究的單位之一，已開(kāi)發(fā)研究出20 多個(gè)渦輪增壓器產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。上海交通大學(xué)和北京理工大學(xué)是最早進(jìn)行渦輪增壓技術(shù)研究的兩所重點(diǎn)高校。北京理工大學(xué)在學(xué)科設(shè)置上已包括了流動(dòng)力學(xué)、物理學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等方面的內(nèi)容，還有壓氣機(jī)、渦輪及軸承系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)等工程開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，在國(guó)內(nèi)高校中具有突出的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。上海交通大學(xué)則側(cè)重于研究?jī)?nèi)燃機(jī)增壓系統(tǒng)及匹配;高增壓在增壓內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的整機(jī)優(yōu)化，這在國(guó)內(nèi)也居于領(lǐng)先水平。清華大學(xué)側(cè)重于航空領(lǐng)域，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)CFD、渦輪增壓及余熱利用進(jìn)行研究;對(duì)于內(nèi)燃機(jī)增壓等方面有獨(dú)特的研究;在內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)與渦輪增壓的基礎(chǔ)理論方面具有特別的研究?jī)?yōu)勢(shì)。

圖1 汽車(chē)行駛能量分配試驗(yàn)

2.2.2 相關(guān)課題研究現(xiàn)狀

我國(guó)內(nèi)燃機(jī)變截面增壓、兩級(jí)增壓和高增壓技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)還處于起步階段，從總體上來(lái)說(shuō)與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距，所以加強(qiáng)研究和開(kāi)發(fā)及與國(guó)際的合作是重中之重。973 課題中，由清華大學(xué)牽頭研究的內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)基礎(chǔ)理論和渦輪增壓技術(shù)，旨在探索高增壓性能的新方法，從理論基礎(chǔ)上指導(dǎo)并推動(dòng)我國(guó)高增壓技術(shù)的研究。由中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所牽頭研究的以某型兩級(jí)渦輪增壓器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，是一項(xiàng)國(guó)際合作課題，有利于提高我國(guó)增壓技術(shù)革新的研究水平，有利于推動(dòng)我國(guó)新一代增壓器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

3 渦輪增壓中的關(guān)鍵問(wèn)題

對(duì)流動(dòng)熱力學(xué)的研究是內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓關(guān)鍵技術(shù)突破創(chuàng)新點(diǎn)。因此“內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)”是內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓的技術(shù)攻關(guān)的研究重點(diǎn)。

3.1 增壓總能系統(tǒng)與高效熱功轉(zhuǎn)換

隨著變截面增壓、兩級(jí)增壓、高增壓技術(shù)的出現(xiàn)及渦輪余熱技術(shù)的研究，對(duì)出現(xiàn)的需要解決的新問(wèn)題，即內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)的研究提出了更高的要求。在研究發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)、氣缸、渦輪復(fù)雜流動(dòng)的非線(xiàn)性相互作用時(shí)，可以從總能系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)角度來(lái)研究，內(nèi)燃機(jī)高效熱功之間的轉(zhuǎn)換可以在不同循環(huán)的有機(jī)結(jié)合中得以實(shí)現(xiàn)，從而提高總能利用率，推動(dòng)新一代渦輪技術(shù)的研究和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

3.2 中冷器及回?zé)崞髁鲃?dòng)與熱力循環(huán)

目前，對(duì)增壓中冷器、余熱利用回?zé)崞鞯葥Q熱器中的非定常、多相流動(dòng)的基本規(guī)律進(jìn)行了不斷地探究和認(rèn)識(shí)，對(duì)降低流動(dòng)阻力和強(qiáng)化傳熱的基本理論的理解也越來(lái)越深刻，尤其是中冷器及回?zé)崞鞯牧鲃?dòng)與熱力循環(huán)是內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)研究的新領(lǐng)域和新課題，更需要深刻探究。

3.3 增壓器與動(dòng)力渦輪內(nèi)部流動(dòng)

增壓器或動(dòng)力渦輪部件設(shè)計(jì)的發(fā)展方向是高效、高壓比、寬流量范圍。它是通過(guò)不斷引進(jìn)、吸收并不斷融合利用國(guó)內(nèi)外航空葉輪機(jī)非定常流動(dòng)基礎(chǔ)理論、流動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)和全三維優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的最新研究成果，對(duì)我國(guó)在增壓器、動(dòng)力渦輪的流動(dòng)控制技術(shù)與氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面會(huì)有比較大的突破和進(jìn)展。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)汽車(chē)工業(yè)起步晚，在內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓技術(shù)的研究上與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距，特別是變截面增壓、兩級(jí)增壓等技術(shù)的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)還處于起步階段。但是只要我們注重科技的攻關(guān)和技術(shù)的創(chuàng)新，并加強(qiáng)與國(guó)際間的合作，相信不久的將來(lái)，我國(guó)一定能夠自主研發(fā)出滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要和節(jié)能減排的增壓技術(shù)，以適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。

［1］陳紅.汽油機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)的研究及發(fā)展前景［J］.內(nèi)燃機(jī)，2008(1).

［2］周廣猛，郝士祥，周平，等.改善渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)低速扭矩性能的技術(shù)措施［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2010(3).

［3］楊建坤.利用EGR 技術(shù)降低渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)排氣污染的研究［D］.天津:天津大學(xué)，2007.