內(nèi)燃機流動熱力學與渦輪增壓技術(shù)研究

摘要：隨著人們生活水平的不斷提升，汽車開始走進了人們的日常生活，這個汽車行業(yè)的發(fā)展帶來了重要的動力?？沙掷m(xù)發(fā)展理念是當前社會發(fā)展過程中主要踐行的理念之一，汽車行業(yè)也開始在汽車制造過程中應用該理念，落實節(jié)能減排的政策要求。內(nèi)燃機流動熱力學可以有效解決這一問題，促進了渦輪增壓技術(shù)的不斷發(fā)展，可以滿足我國能源和環(huán)境發(fā)展戰(zhàn)略需求?；诖耍疚姆治隽藘?nèi)燃機流動熱力學的概念，探討了國內(nèi)外渦輪增壓技術(shù)研究現(xiàn)狀，并提出了內(nèi)燃機流動熱力學的研究重點，以期可以為后續(xù)研究工作的開展提供有效參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機;流動熱力學;渦輪增壓技術(shù)

中圖分類號：O414.19 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0035-02

0 ?引言

熱機全稱謂熱能動力機械，可以將燃料燃燒熱能轉(zhuǎn)化為機械動力，包括內(nèi)燃機、蒸汽輪機以及燃氣輪機，其中內(nèi)燃機屬于復試動力機械，會在封閉氣缸的內(nèi)部完成熱能轉(zhuǎn)化，以往在對內(nèi)燃機進行性能研究時將“油”作為研究核心，將燃燒學作為研究理論基礎(chǔ)。燃氣輪機以及蒸汽輪機屬于葉輪動力機械裝置，會在開放式通流系統(tǒng)中完成熱能轉(zhuǎn)化，這一過程屬流動熱力過程，“氣”是該類裝置的研究核心，研究理論基礎(chǔ)為流動熱力學。渦輪增壓內(nèi)燃機將兩種不同類型的熱機進行了結(jié)合，在內(nèi)燃機工程中開始應用了氣動熱力學理論，從而發(fā)展成為了內(nèi)燃機流動熱力學，對內(nèi)燃機的循環(huán)熱力過程所體現(xiàn)出的規(guī)律進行研究，并探討這一規(guī)律對內(nèi)燃機性能指標帶來的影響。渦輪增加技術(shù)的發(fā)展和流動熱力學之間有著緊密的關(guān)系，當前在內(nèi)燃機技術(shù)研究中開始重視向著節(jié)能和減少二氧化碳排放的方向發(fā)展，擴大了流動熱力學的應用范圍。

1 ?內(nèi)燃機流動熱力學概念分析

內(nèi)燃機流動熱力學研究的內(nèi)容包括內(nèi)燃機壓縮、膨脹、加熱以及放熱等過程，是保證發(fā)動機可以有序運行的重要基礎(chǔ)，是當前熱機氣動熱力學的主要研究方向。渦輪增壓技術(shù)是發(fā)展這一學科的技術(shù)基礎(chǔ)，可以有效推動內(nèi)燃機工程的發(fā)展，兩者之間呈現(xiàn)為相互促進的關(guān)系。隨著多種學科不斷進行交叉，數(shù)學學科、物理學科以及化學學科的知識進行了充分的融合，加之實驗技術(shù)和模擬技術(shù)快速發(fā)展，給熱力學的發(fā)展提供了重要助力。近年來內(nèi)燃機流動熱力學經(jīng)歷了三個發(fā)展過程：①在渦輪增壓的問題基礎(chǔ)上開始對中冷以及余熱利用進行深入的研究，同時還包括了氣缸內(nèi)部熱力過程流動等研究內(nèi)容[1]。②在研究方法上開始使用先進測量技術(shù)以及流場顯示技術(shù)，常見的包括LDV技術(shù)和PIV技術(shù)，促使其實驗面貌出現(xiàn)了根本的變化，揭示了復雜流動機理。③在信息時代下計算流體力學技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，在內(nèi)燃機內(nèi)部進行流動的數(shù)值模擬開始向著多維非定常模擬轉(zhuǎn)化。以往在研究過程中將增壓器內(nèi)部流動機理作為主要的研究內(nèi)容，在現(xiàn)在的研究活動中則重視流場結(jié)構(gòu)給內(nèi)燃機循環(huán)熱力以及內(nèi)燃機應用性能帶來的影響，同時還結(jié)合了電控技術(shù)，研發(fā)出了內(nèi)燃機流動的主動控制技術(shù)和被動控制技術(shù)。內(nèi)燃機渦輪增壓技術(shù)的應用符合節(jié)能減排理念，是該領(lǐng)域主要研究內(nèi)容。

2 ?國外渦輪增壓技術(shù)研究現(xiàn)狀和趨勢

2.1 渦輪增壓器氣動設(shè)計研究

隨著科技水平的不斷提高，內(nèi)燃機渦輪增壓的實際性能水平也有大幅度提高，而這一進步則要依賴于渦輪增壓器氣動設(shè)計水平的提升。渦輪增壓器氣動設(shè)計經(jīng)過了3個發(fā)展階段，在1950年左右使用一維設(shè)計方法，在這一階段認為流場參數(shù)的變化范圍僅僅局限于軸向位置。在1960年到1970年之間開始使用二維設(shè)計方法，發(fā)現(xiàn)流場的軸對稱特征，吳仲華提出了S1和S2相對流面理論，這位后續(xù)三維設(shè)計方法的發(fā)展和應用提供了重要的理論支持。現(xiàn)代社會計算機技術(shù)發(fā)展水平持續(xù)提升，給計算流體力學的發(fā)展提供了技術(shù)支持。在1980年左右國外研究出了離散方法、網(wǎng)格生成方法以及求解方法，并且理論體系較為完善，對于渦輪增壓器內(nèi)旋渦分離流動數(shù)值模擬來講其主要的難題是湍流模型。湍流模型可以滿足內(nèi)燃機共處應用需求，讓全三維定常N-S方程組變?yōu)楝F(xiàn)實，且提高了其實用性，從而形成了能夠進行渦輪增壓器數(shù)值模擬的程序。

渦輪增壓器和流場測量技術(shù)的研究目前已經(jīng)呈現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，在各種現(xiàn)代化技術(shù)的影響下可以利用新的方式開展渦輪增壓器實驗，例如動態(tài)傳感技術(shù)、計算機和虛擬測試技術(shù)，使其速度大幅度提高，改變了靜止的狀態(tài)。在持續(xù)發(fā)展過程中渦輪增壓器設(shè)計系統(tǒng)已經(jīng)進入到了全三維的階段，可以利用數(shù)值樣機的方式進行優(yōu)化，不需要在優(yōu)化設(shè)計階段進行物理樣機試制，減少了研制的時間和研制成本[2]。

2.2 變截面、兩級以及高增壓技術(shù)研究

在國際社會上內(nèi)燃機增壓性能指標持續(xù)上升，變截面增壓產(chǎn)品和兩級增壓系統(tǒng)產(chǎn)品都已經(jīng)逐漸商品化，單機增壓比已經(jīng)超過了5，高增壓技術(shù)進入到了嶄新的階段，即跨聲速壓氣機時代。取得這種成績的原因在于渦輪增壓器內(nèi)部流動理論研究不斷加深，相應的設(shè)計技術(shù)、研制技術(shù)以及試驗技術(shù)得到了改進。渦輪增壓器內(nèi)部旋渦分離流動生成過程、發(fā)展過程、演化過程和旋渦以及主流流動和壁面邊界層間所存在的作用關(guān)系，會給流場的特性和增壓器使用性能帶來決定性的影響。因此對其進行研究是極其必要的，會給增壓器的使用穩(wěn)定性和效率造成重要影響[3]。

變截面、兩級以及高增壓技術(shù)在研究過程中都面臨著較為相似的問題，其難點均是葉片通道內(nèi)部具有流動非線性、非定常性，并且旋渦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復雜，增加了研究難度，給研究活動帶來了重要的挑戰(zhàn)。旋渦分離流動會給增壓器效率和內(nèi)燃機裝置整體性能帶來影響，會使得增壓系統(tǒng)氣動設(shè)計難以有效匹配流場。如果仍然使用準三維半經(jīng)驗設(shè)計體系無法滿足實際的工作續(xù)期，物理樣機循環(huán)優(yōu)化設(shè)計難以滿足增壓技術(shù)的研究趨勢。以實驗數(shù)據(jù)庫以及CFD為基礎(chǔ)的全三維氣動設(shè)計技術(shù)可以保證氣動設(shè)計以及流場之間的匹配性，對增加技術(shù)的研究以及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)有著極大的促進和推動效果。

2.3 渦輪增壓和縮小排量研究

當前我國交通行業(yè)發(fā)展速度不斷提升，在交通方面能量消耗極大，在我國整體能源消耗中占7%到8%，發(fā)達國家的比例甚至已經(jīng)達到了30%[4]。隨著城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進，其交通能耗占比也有所提升。交通行業(yè)所消耗的主要能源類型為油，我國雖然油田開發(fā)數(shù)量較多，但是石油資源仍然呈現(xiàn)出短缺的現(xiàn)象，難以滿足市場上對于石油的需求，使得市場上出現(xiàn)了嚴重的石油資源供需矛盾。溫室效應是全球每個國家都需要重視的環(huán)境問題，我國二氧化碳的排放量不斷增加，而交通行業(yè)則是二氧化碳排放的主要來源。交通設(shè)備的主要動力是內(nèi)燃機，因此要想控制交通行業(yè)的能耗必然要對內(nèi)燃機進行改進，在渦輪增壓技術(shù)的影響下可以保障動力水平不變的基礎(chǔ)上減少排量，提升內(nèi)燃機經(jīng)濟性，減少二氧化碳的排放總量。因此在提高內(nèi)燃機節(jié)能效果的過程中開始重點對渦輪增壓技術(shù)進行研究，是落實減少二氧化碳排放量的核心措施[5]。

3 ?國內(nèi)渦輪增壓技術(shù)研究

當前我國國內(nèi)對于渦輪增壓技術(shù)的研究也在不斷深入，負責研究該項內(nèi)容的機構(gòu)也有所增加，主要的研究單位包括清華大學、上海交大以及北京理工。其中中國北方發(fā)動機研究所是最早對內(nèi)燃機渦輪增壓技術(shù)實施研究的單位，當前已經(jīng)開發(fā)出了多個不同系列的產(chǎn)品，在國內(nèi)該領(lǐng)域的研究中始終處于領(lǐng)先的位置。北京理工和上海交大是研究渦輪增壓技術(shù)最早的高等院校，前者研究學科涵蓋了流動熱力以及結(jié)構(gòu)動力，在工程開發(fā)中對壓氣機、渦輪系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)進行了有效研究，學科齊全，具有較好的工程化能力。后者則重點研究增壓系統(tǒng)以及匹配，其在增壓內(nèi)燃機進排氣系統(tǒng)的研究過程中處于先進位置。

4 ?重要科學問題和重點研究內(nèi)容

當前全球渦輪增壓器的產(chǎn)量持續(xù)提升，已經(jīng)超過了3000萬臺，并且增長的主要是汽油機增壓。汽車行業(yè)具備全球化特點和品牌化特點，汽油機和柴油機的增壓相比具有不同的特點，國內(nèi)企業(yè)必須要加快在汽油機增壓方面的研究，才能夠形成完善的品牌體系和技術(shù)體系[6]。

4.1 增壓總能系統(tǒng)以及高效熱功轉(zhuǎn)換

熱機研究已經(jīng)經(jīng)過了3個不同的階段：在第1代研究中將熱力學第一定律作為研究基礎(chǔ)，為了提升熱效率，選擇改善不同部件的性能水平，調(diào)整循環(huán)熱力參數(shù)，構(gòu)建循環(huán)優(yōu)化“鏈式串聯(lián)”。在第2代研究主要針對總能系統(tǒng)進行研究，在熱力學第一定律和熱力學第二定律的基礎(chǔ)上，對能源進行梯級利用。在第3代研究中將可持續(xù)發(fā)展作為主要的概念基礎(chǔ)，將研究內(nèi)容和環(huán)境、能源進行了結(jié)合。近年來內(nèi)燃機動力渦輪余熱利用是熱點研究內(nèi)容，這也間接的提高了對內(nèi)燃機流動熱力學的研究要求，因而也需要對新技術(shù)問題實施研究。從總能系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)的方面進行分析，發(fā)動機進氣到排氣的過程中各種結(jié)構(gòu)之間會出現(xiàn)非線性的相互作用，同時將不同的循環(huán)進行結(jié)合，可以有效促進新技術(shù)研究速度的提高。

4.2 增壓器與動力渦輪內(nèi)部流動

我國雖然已經(jīng)加大了增壓器的研究力度，但是和國際仍然有較大的差距。首先在理論研究方面存在一定的問題，使得工程技術(shù)水平較低，其次，在研究中重點對內(nèi)燃機進行整體的性能測試，忽視了內(nèi)燃機內(nèi)部機理各個小點因素帶來的影響，沒有對內(nèi)燃機內(nèi)部結(jié)構(gòu)有充足的認知[7]。除此之外，追求單機效率或者追求單級效率會讓相關(guān)人員不再重視系統(tǒng)的運行情況，在進行內(nèi)燃機設(shè)計時只是將單個設(shè)計點作為重點。在現(xiàn)代研究情況下增壓器設(shè)計和動力渦輪部件設(shè)計的發(fā)展方向為高效率、高壓比、優(yōu)良性能，可以為內(nèi)燃機發(fā)展提供重要動力。國內(nèi)在研究過程中應當積極吸收國外的先進研究經(jīng)驗，從而優(yōu)化設(shè)計方法，突破現(xiàn)存的增壓器研究局限性。

5 ?結(jié)束語

當前在內(nèi)燃機流動熱力學的研究過程中將其循環(huán)熱力過程流動規(guī)律以及給內(nèi)燃機性能帶來的影響作為研究要點，這也為渦輪增加技術(shù)的研究提供了重要的基礎(chǔ)。渦輪增壓技術(shù)和動力渦輪余熱利用技術(shù)是減少交通行業(yè)能源消耗、減少二氧化碳排放的重要手段和核心技術(shù)。在創(chuàng)新渦輪增壓技術(shù)時需要依靠流動熱力學的研究進展，需要重點對這一學科展示深入研究，以此來促進增壓技術(shù)水平的不斷提高，滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需求，落實節(jié)能減排的發(fā)展理念。

參考文獻：

[1]俞挺，吳曉慶，梁超.內(nèi)燃機機械增壓技術(shù)與性能評價分析[J].南方農(nóng)機，2020，51（24）：54，70-71.

[2]白永厚，徐建峰，郭春，等.高原環(huán)境隧道施工內(nèi)燃機功率調(diào)整與燃油成本分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（S1）：1200-1207.

[3]劉紅彬，桂勇，駱清國，等.高功率密度柴油機不同增壓系統(tǒng)方案性能比較研究[J].兵器裝備工程學報，2020，41（10）：112-116，145.

[4]楊珍帥，王煥然，李瑞雄，等.內(nèi)燃機增壓-壓縮空氣儲能冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[J].儲能科學與技術(shù)，2020，9（06）：1917-1925.

[5]壽磊，余旭東，謝栩聰，等.渦輪增壓柴油發(fā)動機電動增壓子系統(tǒng)的匹配設(shè)計[J].機械制造，2020，58（08）：49-53，57.

[6]李國琳，孫永華，李希朝，等.內(nèi)燃機流動熱力學與渦輪增壓技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機與配件，2018（10）：93-94.

[7]蔡宸祿.試論內(nèi)燃機流動熱力學與渦輪增壓技術(shù)[J].內(nèi)燃機與配件，2018（13）：88-90.

作者簡介：劉星（1990-），女，河南南陽人，助教，碩士，研究方向為機械工程。