柴油機高原適應性研究及壓氣機流場分析

劉應材，雷基林，申立中，鄧晰文，宋國富，劉 康

(1.昆明理工大學 云南省高原排放重點實驗室，昆明650500；2.昆明云內(nèi)動力股份有限公司，昆明 650200)

0 概述

中國高原地區(qū)面積遼闊，海拔高且海拔變化范圍大，柴油機作為重要動力源，在高原地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、交通運輸與國防建設中起著重要的作用。隨著高原地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與排放法規(guī)的加嚴，要求柴油機具有高性能及較好的高原適應性。高原環(huán)境大氣壓力與溫度較低，空氣稀薄，進氣量不足，空燃比下降，燃燒惡化，是造成高原柴油機綜合性能下降的主要因素[1-2]。渦輪增壓技術(shù)能增大高原環(huán)境下進氣量，改善柴油機高海拔工作性能，有利于提高柴油機高原適應性。平原工況下匹配的渦輪增壓器在高海拔工況下能量分配不合理，增壓匹配特性失衡，造成柴油機性能惡化及適應性較差等問題，需要開展增壓柴油機高原適應性研究。

改善高原柴油機的性能，可以提高柴油機高原適應性。高原環(huán)境空氣稀薄，進氣量不足且含氧濃度低，油氣混合較差，是導致柴油機高原適應性較差的主要原因。因此，改善柴油機性能的研究工作主要從增加進氣量、提高氧濃度及研發(fā)含氧替代燃料等方面進行。增壓技術(shù)對高原柴油機增加進氣量有一定補償作用，是改善高原柴油機性能的有效手段之一。文獻[3]中在2 000 m海拔下兼顧平原與 4 000 m 海拔性能進行增壓匹配，使海拔2 000 m和 4 000 m 的最大轉(zhuǎn)矩降幅為2.59%和7.19%，柴油機的高原適應性較好。文獻[4]中采用可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)，在 4 000 m 海拔下柴油機各轉(zhuǎn)速工況的功率較平原環(huán)境降幅度均不到4%。文獻[5]中采用雙增壓器解決柴油機低速喘振、高速超速問題，4 500 m海拔下最大轉(zhuǎn)矩與最大功率為平原的93.2%與76.3%。增壓技術(shù)在一定程度上改善了柴油機的高原性能，但其自補償能力無法彌補高原環(huán)境變化帶來的損失，導致柴油機壓氣機壓比及效率下降，最大轉(zhuǎn)矩對應轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速移動，動力性及經(jīng)濟性下降，需要進一步開展增壓柴油機高原適應性研究。

渦輪增壓器的核心部件是離心壓氣機，其高海拔性能對柴油機的綜合運行性能有重要影響[6]。高原環(huán)境下壓氣機穩(wěn)定工作流量范圍向小流量范圍方向偏移且減小，增壓遲滯明顯[7]，大氣壓力和溫度降低，雷諾數(shù)減小，影響離心壓氣機內(nèi)部流體流動，葉片前緣流動分離現(xiàn)象明顯，二次流增強導致葉輪做功能力下降[8]。文獻[9]中的研究結(jié)果表明：高原環(huán)境下，壓氣機等轉(zhuǎn)速工況下壓比上升，葉片前緣激波損失與間隙流損失加劇導致其效率下降。文獻[10]中研究表明：5 500 m海拔下，近堵塞工況壓氣機葉輪幾乎失去增壓能力，近壁面區(qū)流動混亂，葉表分離現(xiàn)象加劇；壓氣機工作裕度減小11.35%，最大壓比與最高效率下降2.09%與2.45%。文獻[11]中研究顯示：海拔5 500 m條件下，離心壓氣機葉輪主葉片及分流葉片前緣前掠，壓氣機壓比、效率及流量范圍提高，葉輪內(nèi)部流動損失明顯減少，改善了柴油機中低轉(zhuǎn)速性能；葉輪主葉片泄漏渦出現(xiàn)在葉片50% 弦長之后，葉頂泄漏有所減少，使得低能流體對于主流的影響降低，損失減小。文獻[12]中研究表明：壓氣機進口溫度條件對壓氣機性能影響較小；高原環(huán)境壓氣機內(nèi)部靜壓比變化梯度下降，葉頂間隙流強烈，邊界層厚度增大，流動損失加劇。高海拔工況下，壓氣機流動損失增大，導致壓氣機性能下降，因此改善壓氣機性能有助于提高柴油機高原適應性。

綜上，平原工況匹配的渦輪增壓柴油機不能滿足高海拔工況性能要求，適應性差，需對其進行優(yōu)化設計，改善高原性能，提高適應性。以某非道路小型增壓柴油機為對象，研究柴油機性能及壓氣機端各參數(shù)隨海拔的變化關(guān)系，為優(yōu)化設計提供參考。以壓氣機流場分析為主，研究壓氣機在不同海拔下的流動狀況，分析了壓機效率下降的原因。本研究可為探究壓氣機流場控制措施及壓氣機性能優(yōu)化提供參考。

1 增壓柴油機高原適應性研究

1.1 仿真模型建立

以某非道路小型渦輪增壓柴油機為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示，柴油機最大轉(zhuǎn)矩為145 N·m，標定功率為40 kW?；谠摬裼蜋C各零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)建立如圖1所示增壓柴油機仿真計算模型。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)性能參數(shù)

圖1 小型渦輪增壓柴油機仿真計算模型

在仿真過程中，假設工質(zhì)為理想氣體，氣體的流動過程為準穩(wěn)態(tài)過程，氣缸內(nèi)的工質(zhì)混合均勻且燃燒完全。采用第一類邊界條件對管路傳熱進行計算，不考慮氣體在高溫時的離散作用。

1.2 試驗驗證

在近2 000 m海拔下，采用WE31N水渦流測功機、FCMA油耗儀、EIM609測控系統(tǒng)等設備進行外特性試驗。該小型渦輪增壓柴油機標定工況缸壓試驗值與仿真值對比見圖2，外特性工況試驗值與仿真值對比見圖3。由圖可知，2 000 m海拔下，該柴油機的功率、轉(zhuǎn)矩、有效燃油消耗率、增壓壓力與缸內(nèi)壓力的仿真值與試驗值的趨勢基本一致。柴油機的最大缸內(nèi)壓力的試驗值與仿真值的誤差為1.35%。高轉(zhuǎn)速下，功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率與增壓壓力外特性曲線基本重合，誤差較小。在中低轉(zhuǎn)速下，仿真值與試驗值之間的誤差在允許的范圍內(nèi)，說明該小型渦輪增壓柴油機仿真計算模型有較好的準確性，能夠表征該柴油機外特性工況下的性能，可以用于不同海拔下外特性工況計算。

圖2 柴油機標定工況缸壓曲線

圖3 2 000 m海拔下柴油機外特性試驗值與仿真值對比

1.3 高原適應性分析

1.3.1 高原環(huán)境對增壓柴油機性能的影響

圖4為柴油機功率、轉(zhuǎn)矩與有效燃油消耗率隨海拔變化關(guān)系。由圖4可知，相同轉(zhuǎn)速下，隨著海拔升高，功率、轉(zhuǎn)矩下降，有效燃油消耗率升高，柴油機動力性經(jīng)濟性變差。在0 m海拔下，柴油機的標定功率為40 kW，最大轉(zhuǎn)矩為145 N·m，滿足設計目標，且最低有效燃油消耗率為218.6 g/(kW·h)。隨著海拔升高，標定功率減少4.72%、15.03%、21.15%，最大轉(zhuǎn)矩減少3.06%、11.57%、16.59%；最低有效燃油消耗率依次增加3.31%、5.76%、7.89%。其中，在2 000 m海拔以下，柴油機功率、轉(zhuǎn)矩降幅較?。辉? 000 m海拔以上，功率、轉(zhuǎn)矩降幅較大。即在高原環(huán)境下，該非道路增壓柴油機的動力性與經(jīng)濟性惡化，適應性較差，需要在高原環(huán)境下對其動力性及經(jīng)濟性進行優(yōu)化，提高高原適應性。

圖4 海拔對柴油機功率、轉(zhuǎn)矩和有效燃油消耗率的影響

1.3.2 高原環(huán)境對壓氣機端的影響

圖5為不同海拔下柴油機與壓氣機匹配特性圖。非道路柴油機主要在中高轉(zhuǎn)速工況下運行，要求在柴油機中高轉(zhuǎn)速下壓氣機性能最好。由圖5可知，在不同海拔下，該柴油機中高轉(zhuǎn)速工況的聯(lián)合運行線向右上方偏移，穿過壓氣機高效率區(qū)域，且離堵塞線有一定距離，裕量較大，滿足設計要求。低轉(zhuǎn)速工況屬于過渡工況，離喘振線較近，裕量不足，存在喘振風險。

圖5 不同海拔下柴油機與壓氣機匹配特性圖

圖6為進氣流量、增壓壓力及壓氣機壓比隨海拔變化關(guān)系。由圖6可知，平原工況的進氣流量較大，且進氣流量隨轉(zhuǎn)速升高而增大。隨著海拔升高，空氣變稀薄，各轉(zhuǎn)速下進氣流量逐漸減小，低轉(zhuǎn)速下進氣量減小幅度較小，隨著轉(zhuǎn)速升高，進氣量減少更明顯，其中標定工況下進氣流量隨海拔升高依次減少13.8%、23.1%與30.6%。低轉(zhuǎn)速下增壓壓力隨轉(zhuǎn)速升高而快速增大，當轉(zhuǎn)速達到一定時增壓壓力增大趨勢平緩，隨著海拔升高，增壓壓力減小，說明渦輪增壓器的增壓效果不足以抵消高原環(huán)境壓力下降帶來的損失。由圖6還可知，隨著海拔升高，壓氣機壓比增大。在相同海拔下，壓氣壓比隨轉(zhuǎn)速增大而增大，在中高轉(zhuǎn)速以后渦輪增壓器逐漸接近其最高轉(zhuǎn)速，而壓氣機葉輪做功能力也接近極限，故壓比增大趨勢較為平緩。

圖6 海拔對進氣流量、增加壓力、壓氣機壓比影響

圖7為壓氣機效率隨海拔變化關(guān)系。壓氣機效率是壓氣機的定熵耗功與實際耗功之比。由圖7可知，壓氣機效率先增大后減小，在2 600 r/min達到最大。在相同海拔下，壓氣機效率先增大后減?。旱娃D(zhuǎn)速工況下，壓氣機的實際耗功數(shù)值較小，定熵耗功增大，壓氣機效率增大；隨著轉(zhuǎn)速升高，壓氣機定熵耗功數(shù)值變化較小，實際耗功繼續(xù)增大，效率降低。與平原工況相比，高海拔工況壓氣機定熵耗功較小，而實際耗功增加，壓氣機及效率隨海拔升高而減小。

圖7 壓氣機效率隨海拔變化關(guān)系

2 不同海拔下壓氣機流場分析

高原環(huán)境下，渦輪增壓能夠增大進氣量，改善柴油機高原性能。然而在高原環(huán)境下，增壓柴油機壓氣機效率下降，增壓效果不佳。文獻[13]中的研究表明：高原環(huán)境下，壓氣機內(nèi)部流體跨音速流動，存在激波與頂部間隙等多種損失，導致壓氣機效率下降。通過探究壓氣機流場控制措施優(yōu)化壓氣機高海拔工作性能，提高增壓柴油機高原適應性，需要對不同海拔下壓氣機流場進行分析，研究其效率下降的原因。

2.1 模型建立及邊界條件

為研究壓氣機效率下降原因及壓氣機內(nèi)部流體流動狀況，基于不同海拔下外特性工況的仿真計算，確定標定工況下壓氣機進出口壓力溫度與質(zhì)量流量等邊界條件?；谠撛鰤翰裼蜋C的渦輪增壓器(葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示)，建立如圖8所示壓氣機葉輪網(wǎng)格模型，進行不同海拔下壓氣機流場分析。

表2 壓氣機葉輪的基本參數(shù)

圖8 壓氣機三維網(wǎng)格模型及拓撲結(jié)構(gòu)

為了研究高原環(huán)境下壓氣機內(nèi)部流動狀況，選定柴油機標定轉(zhuǎn)速(3 200 r/min)進行研究， 采用壓力進口邊界條件和出口質(zhì)量流量邊界條件?；诓煌０蜗虏裼蜋C外特性仿真計算確定壓氣機轉(zhuǎn)速、進出口邊界條件數(shù)值，湍流模型采用Shear Stress Transport(SST),傳熱設置為Total Energy，計算工質(zhì)為理想氣體，固壁面滿足無滑移壁面，采用絕熱壁面。求解設置采用物理時間步長，各項殘差設置為10-5。

2.2 葉輪流場分析

圖9為不同海拔下子午平均熵分布圖。由圖9可知，0 m海拔下子午平均熵值較小，高熵區(qū)域集中于葉頂間隙位置，范圍較小。隨著海拔升高，子午平均熵值增大，葉頂間隙位置高熵值區(qū)域由葉輪出口向葉片前緣提前，范圍增大。葉頂間隙間的流動主要為泄漏流動，泄漏流越強，高熵值區(qū)域越大。熵增即壓氣機內(nèi)部流動損失增大[14]，則葉頂間隙位置泄漏流是壓氣機葉輪內(nèi)部流動損失的主要來源。0 m 海拔下壓氣機高熵值區(qū)域較少，葉頂間隙泄漏流弱，壓氣機損失較?。浑S著海拔升高，大氣壓力溫度降低，雷諾數(shù)下降，高熵值區(qū)域提前及范圍增大，葉頂間隙泄漏流增強，則壓氣機葉輪流動損失提前且增大。

圖9 不同海拔下子午平均熵分布圖

圖10為不同海拔下子午平均總壓分布云圖。由圖10可知，隨著海拔升高，相對總壓減小。葉頂間隙位置存在一定范圍的低壓區(qū)域，隨著海拔升高，低壓區(qū)向葉輪出口擴展，范圍擴大。隨著海拔升高，低壓區(qū)的相對總壓減小，葉頂間隙流加劇，并向葉輪出口發(fā)展，從而形成葉頂間隙及葉輪出口的高熵區(qū)，使葉輪內(nèi)部損失增大。

圖10 不同海拔下子午面總壓分布圖

圖11為不同海拔下壓氣機的子午平均馬赫數(shù)分布。由圖11可知，壓氣機主葉片前緣存在高馬赫數(shù)區(qū)域，屬于跨音速流動區(qū)域。隨著海拔升高，跨音速流動區(qū)域增大，且低速流動區(qū)域隨海拔升高而減少。高原環(huán)境下，大氣壓力及溫度降低，當?shù)匾羲傧陆担虼穗S著海拔升高，壓氣機主葉片前緣存在跨音速流動，易產(chǎn)生激波損失[15]。

圖11 不同海拔下子午馬赫數(shù)分布圖

圖12為不同海拔下葉輪進口速度云圖，葉輪進口周向速度在半徑方向上的分布趨勢與葉輪進口馬赫數(shù)在半徑方向上的趨勢相同。隨著半徑增加，速度增大，其中主葉片吸力面前緣流速存在360 m/s以上跨音速流動區(qū)域，且隨著海拔升高，跨音速流動區(qū)域增大?？缫羲贇饬魇艿饺~片高速旋轉(zhuǎn)運動的干擾會產(chǎn)生激波，導致氣流突然被壓縮，造成摩擦損失與熱傳導損失，引起效率下降，因此葉輪內(nèi)激波損失隨海拔升高而增大。

圖12 不同海拔下葉輪進口流速分布圖

圖13為不同海拔下90%葉高速度分布云圖。由圖13可知，主葉片吸力側(cè)的跨音速流動區(qū)域及分流葉片壓力側(cè)與主葉片吸力側(cè)間的低速流動區(qū)域隨海拔的升高而增大。結(jié)合圖11可知，葉輪進口跨聲速主流經(jīng)過主葉片前緣形成此區(qū)域的跨音速流動。跨音速主流沿流道向下流動時，受葉輪旋轉(zhuǎn)運動干擾產(chǎn)生激波，導致其流動速度降低。主葉片葉頂間隙間泄漏流流動速度較低，且部分泄漏流經(jīng)過分流葉片的葉頂間隙形成跨流道流動，速度進一步降低。葉頂間隙泄漏流與跨音速主流在分流葉片壓力側(cè)相遇，二者相互摻混，形成分流葉片壓力側(cè)與主葉片吸力側(cè)間的低速流動區(qū)域。不同流速的流體相互混合產(chǎn)生摻混損失，隨著海拔升高，跨聲速流區(qū)域增大，激波損失增大，葉間隙間的總壓相對較小，葉頂泄漏流加劇，摻混損失增大，跨流道流動加劇，二次流損失增大。

圖13 不同海拔下90%葉高流速分布圖

圖14為葉輪出口截面熵的分布圖。由圖14可知，0 m海拔下壓氣機出口截面的熵增較小，隨著海拔升高，熵增變大。主葉片吸力面存在范圍較大的尾跡區(qū)域，尾跡區(qū)域大小及熵值隨著海拔的升高而增大。隨著海拔的升高，壓氣機中跨音速流的流動速度增大，主葉片葉頂間隙泄漏流加劇，部分泄漏流沿壓氣機旋轉(zhuǎn)方向跨流道流動并發(fā)展到流道中間，尾跡區(qū)域及熵值增大。葉尖與輪緣之間高熵值區(qū)域隨海拔升高而增大，且分流葉片的高熵區(qū)域大于主葉片。該區(qū)域熵增大主要是葉頂泄漏流動損失造成，海拔越高，葉頂泄漏流越強，流動損失越大。主葉片的部分流體跨流道流動流過分流葉片葉頂間隙的泄漏流及分流葉片吸力側(cè)流體產(chǎn)生的泄漏流二者疊加，導致分流葉片泄漏流動損失大于主葉片泄漏流動損失，故分流葉片的高熵區(qū)域大于主葉片。

圖14 不同海拔下葉輪出口截面熵分布圖

3 結(jié)論

(1) 高海拔工況下，柴油機功率、轉(zhuǎn)矩與燃油消耗率下降，進氣流量減少，增壓壓力下降，壓氣機壓比增大，效率下降。

(2) 隨著海拔升高，子午面相對總壓的低壓區(qū)域壓力較小，葉頂間隙間及葉輪出口高熵區(qū)域增大，且高熵區(qū)域范圍提前。

(3) 高原環(huán)境下，跨音速流區(qū)域增大，激波損失增大，總壓低壓區(qū)域壓力較小，葉頂間隙及葉輪出口高熵區(qū)域增大，葉頂間隙流加強，泄漏損失增大，導致主流與低速泄漏流在分流葉片后緣摻混，尾跡區(qū)域增大，摻混損失增加，壓氣機葉輪內(nèi)部損失增大，造成高原環(huán)境下壓氣機效率降低。