摘要：隨著人們生活水平的不斷提升，汽車(chē)開(kāi)始走進(jìn)了人們的日常生活，這個(gè)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了重要的動(dòng)力?？沙掷m(xù)發(fā)展理念是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展過(guò)程中主要踐行的理念之一，汽車(chē)行業(yè)也開(kāi)始在汽車(chē)制造過(guò)程中應(yīng)用該理念，落實(shí)節(jié)能減排的政策要求。內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)可以有效解決這一問(wèn)題，促進(jìn)了渦輪增壓技術(shù)的不斷發(fā)展，可以滿足我國(guó)能源和環(huán)境發(fā)展戰(zhàn)略需求?；诖?，本文分析了內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)的概念，探討了國(guó)內(nèi)外渦輪增壓技術(shù)研究現(xiàn)狀，并提出了內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)的研究重點(diǎn)，以期可以為后續(xù)研究工作的開(kāi)展提供有效參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);流動(dòng)熱力學(xué);渦輪增壓技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：O414.19 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0035-02

0 ?引言

熱機(jī)全稱謂熱能動(dòng)力機(jī)械，可以將燃料燃燒熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力，包括內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)，其中內(nèi)燃機(jī)屬于復(fù)試動(dòng)力機(jī)械，會(huì)在封閉氣缸的內(nèi)部完成熱能轉(zhuǎn)化，以往在對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行性能研究時(shí)將“油”作為研究核心，將燃燒學(xué)作為研究理論基礎(chǔ)。燃?xì)廨啓C(jī)以及蒸汽輪機(jī)屬于葉輪動(dòng)力機(jī)械裝置，會(huì)在開(kāi)放式通流系統(tǒng)中完成熱能轉(zhuǎn)化，這一過(guò)程屬流動(dòng)熱力過(guò)程，“氣”是該類(lèi)裝置的研究核心，研究理論基礎(chǔ)為流動(dòng)熱力學(xué)。渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)將兩種不同類(lèi)型的熱機(jī)進(jìn)行了結(jié)合，在內(nèi)燃機(jī)工程中開(kāi)始應(yīng)用了氣動(dòng)熱力學(xué)理論，從而發(fā)展成為了內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)熱力過(guò)程所體現(xiàn)出的規(guī)律進(jìn)行研究，并探討這一規(guī)律對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)帶來(lái)的影響。渦輪增加技術(shù)的發(fā)展和流動(dòng)熱力學(xué)之間有著緊密的關(guān)系，當(dāng)前在內(nèi)燃機(jī)技術(shù)研究中開(kāi)始重視向著節(jié)能和減少二氧化碳排放的方向發(fā)展，擴(kuò)大了流動(dòng)熱力學(xué)的應(yīng)用范圍。

1 ?內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)概念分析

內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)研究的內(nèi)容包括內(nèi)燃機(jī)壓縮、膨脹、加熱以及放熱等過(guò)程，是保證發(fā)動(dòng)機(jī)可以有序運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，是當(dāng)前熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)的主要研究方向。渦輪增壓技術(shù)是發(fā)展這一學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)，可以有效推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)工程的發(fā)展，兩者之間呈現(xiàn)為相互促進(jìn)的關(guān)系。隨著多種學(xué)科不斷進(jìn)行交叉，數(shù)學(xué)學(xué)科、物理學(xué)科以及化學(xué)學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行了充分的融合，加之實(shí)驗(yàn)技術(shù)和模擬技術(shù)快速發(fā)展，給熱力學(xué)的發(fā)展提供了重要助力。近年來(lái)內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展過(guò)程：①在渦輪增壓的問(wèn)題基礎(chǔ)上開(kāi)始對(duì)中冷以及余熱利用進(jìn)行深入的研究，同時(shí)還包括了氣缸內(nèi)部熱力過(guò)程流動(dòng)等研究?jī)?nèi)容[1]。②在研究方法上開(kāi)始使用先進(jìn)測(cè)量技術(shù)以及流場(chǎng)顯示技術(shù)，常見(jiàn)的包括LDV技術(shù)和PIV技術(shù)，促使其實(shí)驗(yàn)面貌出現(xiàn)了根本的變化，揭示了復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理。③在信息時(shí)代下計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部進(jìn)行流動(dòng)的數(shù)值模擬開(kāi)始向著多維非定常模擬轉(zhuǎn)化。以往在研究過(guò)程中將增壓器內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理作為主要的研究?jī)?nèi)容，在現(xiàn)在的研究活動(dòng)中則重視流場(chǎng)結(jié)構(gòu)給內(nèi)燃機(jī)循環(huán)熱力以及內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用性能帶來(lái)的影響，同時(shí)還結(jié)合了電控技術(shù)，研發(fā)出了內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)的主動(dòng)控制技術(shù)和被動(dòng)控制技術(shù)。內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用符合節(jié)能減排理念，是該領(lǐng)域主要研究?jī)?nèi)容。

2 ?國(guó)外渦輪增壓技術(shù)研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)

2.1 渦輪增壓器氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究

隨著科技水平的不斷提高，內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓的實(shí)際性能水平也有大幅度提高，而這一進(jìn)步則要依賴于渦輪增壓器氣動(dòng)設(shè)計(jì)水平的提升。渦輪增壓器氣動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了3個(gè)發(fā)展階段，在1950年左右使用一維設(shè)計(jì)方法，在這一階段認(rèn)為流場(chǎng)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(kāi)始使用二維設(shè)計(jì)方法，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)的軸對(duì)稱特征，吳仲華提出了S1和S2相對(duì)流面理論，這位后續(xù)三維設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和應(yīng)用提供了重要的理論支持?，F(xiàn)代社會(huì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展水平持續(xù)提升，給計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。在1980年左右國(guó)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(duì)于渦輪增壓器內(nèi)旋渦分離流動(dòng)數(shù)值模擬來(lái)講其主要的難題是湍流模型。湍流模型可以滿足內(nèi)燃機(jī)共處應(yīng)用需求，讓全三維定常N-S方程組變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，且提高了其實(shí)用性，從而形成了能夠進(jìn)行渦輪增壓器數(shù)值模擬的程序。

渦輪增壓器和流場(chǎng)測(cè)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(kāi)展渦輪增壓器實(shí)驗(yàn)，例如動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)和虛擬測(cè)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(guò)程中渦輪增壓器設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入到了全三維的階段，可以利用數(shù)值樣機(jī)的方式進(jìn)行優(yōu)化，不需要在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段進(jìn)行物理樣機(jī)試制，減少了研制的時(shí)間和研制成本[2]。

2.2 變截面、兩級(jí)以及高增壓技術(shù)研究

在國(guó)際社會(huì)上內(nèi)燃機(jī)增壓性能指標(biāo)持續(xù)上升，變截面增壓產(chǎn)品和兩級(jí)增壓系統(tǒng)產(chǎn)品都已經(jīng)逐漸商品化，單機(jī)增壓比已經(jīng)超過(guò)了5，高增壓技術(shù)進(jìn)入到了嶄新的階段，即跨聲速壓氣機(jī)時(shí)代。取得這種成績(jī)的原因在于渦輪增壓器內(nèi)部流動(dòng)理論研究不斷加深，相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)、研制技術(shù)以及試驗(yàn)技術(shù)得到了改進(jìn)。渦輪增壓器內(nèi)部旋渦分離流動(dòng)生成過(guò)程、發(fā)展過(guò)程、演化過(guò)程和旋渦以及主流流動(dòng)和壁面邊界層間所存在的作用關(guān)系，會(huì)給流場(chǎng)的特性和增壓器使用性能帶來(lái)決定性的影響。因此對(duì)其進(jìn)行研究是極其必要的，會(huì)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(jí)以及高增壓技術(shù)在研究過(guò)程中都面臨著較為相似的問(wèn)題，其難點(diǎn)均是葉片通道內(nèi)部具有流動(dòng)非線性、非定常性，并且旋渦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，增加了研究難度，給研究活動(dòng)帶來(lái)了重要的挑戰(zhàn)。旋渦分離流動(dòng)會(huì)給增壓器效率和內(nèi)燃機(jī)裝置整體性能帶來(lái)影響，會(huì)使得增壓系統(tǒng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)難以有效匹配流場(chǎng)。如果仍然使用準(zhǔn)三維半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)體系無(wú)法滿足實(shí)際的工作續(xù)期，物理樣機(jī)循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)難以滿足增壓技術(shù)的研究趨勢(shì)。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)以及CFD為基礎(chǔ)的全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)可以保證氣動(dòng)設(shè)計(jì)以及流場(chǎng)之間的匹配性，對(duì)增加技術(shù)的研究以及相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有著極大的促進(jìn)和推動(dòng)效果。

2.3 渦輪增壓和縮小排量研究

當(dāng)前我國(guó)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(guó)整體能源消耗中占7%到8%，發(fā)達(dá)國(guó)家的比例甚至已經(jīng)達(dá)到了30%[4]。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，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(lèi)型為油，我國(guó)雖然油田開(kāi)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(chǎng)上對(duì)于石油的需求，使得市場(chǎng)上出現(xiàn)了嚴(yán)重的石油資源供需矛盾。溫室效應(yīng)是全球每個(gè)國(guó)家都需要重視的環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)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(lái)源。交通設(shè)備的主要?jiǎng)恿κ莾?nèi)燃機(jī)，因此要想控制交通行業(yè)的能耗必然要對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，在渦輪增壓技術(shù)的影響下可以保障動(dòng)力水平不變的基礎(chǔ)上減少排量，提升內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性，減少二氧化碳的排放總量。因此在提高內(nèi)燃機(jī)節(jié)能效果的過(guò)程中開(kāi)始重點(diǎn)對(duì)渦輪增壓技術(shù)進(jìn)行研究，是落實(shí)減少二氧化碳排放量的核心措施[5]。

3 ?國(guó)內(nèi)渦輪增壓技術(shù)研究

當(dāng)前我國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于渦輪增壓技術(shù)的研究也在不斷深入，負(fù)責(zé)研究該項(xiàng)內(nèi)容的機(jī)構(gòu)也有所增加，主要的研究單位包括清華大學(xué)、上海交大以及北京理工。其中中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所是最早對(duì)內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓技術(shù)實(shí)施研究的單位，當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多個(gè)不同系列的產(chǎn)品，在國(guó)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(xué)科涵蓋了流動(dòng)熱力以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力，在工程開(kāi)發(fā)中對(duì)壓氣機(jī)、渦輪系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)進(jìn)行了有效研究，學(xué)科齊全，具有較好的工程化能力。后者則重點(diǎn)研究增壓系統(tǒng)以及匹配，其在增壓內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的研究過(guò)程中處于先進(jìn)位置。

4 ?重要科學(xué)問(wèn)題和重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容

當(dāng)前全球渦輪增壓器的產(chǎn)量持續(xù)提升，已經(jīng)超過(guò)了3000萬(wàn)臺(tái)，并且增長(zhǎng)的主要是汽油機(jī)增壓。汽車(chē)行業(yè)具備全球化特點(diǎn)和品牌化特點(diǎn)，汽油機(jī)和柴油機(jī)的增壓相比具有不同的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)必須要加快在汽油機(jī)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(jī)研究已經(jīng)經(jīng)過(guò)了3個(gè)不同的階段：在第1代研究中將熱力學(xué)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?zhǔn)酱?lián)”。在第2代研究主要針對(duì)總能系統(tǒng)進(jìn)行研究，在熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，對(duì)能源進(jìn)行梯級(jí)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?jī)?nèi)容和環(huán)境、能源進(jìn)行了結(jié)合。近年來(lái)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力渦輪余熱利用是熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，這也間接的提高了對(duì)內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)的研究要求，因而也需要對(duì)新技術(shù)問(wèn)題實(shí)施研究。從總能系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)的方面進(jìn)行分析，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣到排氣的過(guò)程中各種結(jié)構(gòu)之間會(huì)出現(xiàn)非線性的相互作用，同時(shí)將不同的循環(huán)進(jìn)行結(jié)合，可以有效促進(jìn)新技術(shù)研究速度的提高。

4.2 增壓器與動(dòng)力渦輪內(nèi)部流動(dòng)

我國(guó)雖然已經(jīng)加大了增壓器的研究力度，但是和國(guó)際仍然有較大的差距。首先在理論研究方面存在一定的問(wèn)題，使得工程技術(shù)水平較低，其次，在研究中重點(diǎn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行整體的性能測(cè)試，忽視了內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部機(jī)理各個(gè)小點(diǎn)因素帶來(lái)的影響，沒(méi)有對(duì)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有充足的認(rèn)知[7]。除此之外，追求單機(jī)效率或者追求單級(jí)效率會(huì)讓相關(guān)人員不再重視系統(tǒng)的運(yùn)行情況，在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)只是將單個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)作為重點(diǎn)。在現(xiàn)代研究情況下增壓器設(shè)計(jì)和動(dòng)力渦輪部件設(shè)計(jì)的發(fā)展方向?yàn)楦咝?、高壓比、?yōu)良性能，可以為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展提供重要?jiǎng)恿?。?guó)內(nèi)在研究過(guò)程中應(yīng)當(dāng)積極吸收國(guó)外的先進(jìn)研究經(jīng)驗(yàn)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，突破現(xiàn)存的增壓器研究局限性。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前在內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)的研究過(guò)程中將其循環(huán)熱力過(guò)程流動(dòng)規(guī)律以及給內(nèi)燃機(jī)性能帶來(lái)的影響作為研究要點(diǎn)，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(dòng)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(shí)需要依靠流動(dòng)熱力學(xué)的研究進(jìn)展，需要重點(diǎn)對(duì)這一學(xué)科展示深入研究，以此來(lái)促進(jìn)增壓技術(shù)水平的不斷提高，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，落實(shí)節(jié)能減排的發(fā)展理念。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞挺，吳曉慶，梁超.內(nèi)燃機(jī)機(jī)械增壓技術(shù)與性能評(píng)價(jià)分析[J].南方農(nóng)機(jī)，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(jī)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(guó)，等.高功率密度柴油機(jī)不同增壓系統(tǒng)方案性能比較研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2020，41（10）：112-116，145.

[4]楊珍帥，王煥然，李瑞雄，等.內(nèi)燃機(jī)增壓-壓縮空氣儲(chǔ)能冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[J].儲(chǔ)能科學(xué)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(dòng)機(jī)電動(dòng)增壓子系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造，2020，58（08）：49-53，57.

[6]李國(guó)琳，孫永華，李希朝，等.內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)熱力學(xué)與渦輪增壓技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（10）：93-94.

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

作者簡(jiǎn)介：劉星（1990-），女，河南南陽(yáng)人，助教，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。