魏江山，薛穎嫻，楊名洋，馬澤泰，鄧康耀

(上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 概述

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)，對(duì)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)技術(shù)的需求也越來越高，渦輪增壓器作為發(fā)動(dòng)機(jī)高性能開發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有重要影響。由于渦輪面臨排氣管中強(qiáng)脈動(dòng)的來流條件，該非定常性對(duì)渦輪輸出性能乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣性能產(chǎn)生顯著影響[1]。此外，以雙通道渦輪為代表的不同構(gòu)型渦輪是進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效途徑，但面臨著更為復(fù)雜的進(jìn)氣來流環(huán)境[2]。然而，現(xiàn)有渦輪模型難以對(duì)脈動(dòng)與空間不均勻來流條件下的渦輪性能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，影響了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的預(yù)測精度。

現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪性能預(yù)測方法可以分為兩大類。第一種是根據(jù)渦輪的流通能力的變化規(guī)律，將渦輪視為等效噴嘴[3]，采用熱力學(xué)方程計(jì)算渦輪的等效流通面積[4]，以獲取渦輪的性能參數(shù)。該方法具有計(jì)算模型簡單、計(jì)算速度快等優(yōu)勢，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)前期的渦輪選型過程得到了廣泛應(yīng)用。但該方法在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)匹配過程中僅針對(duì)渦輪性能進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，無法精確模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)來流條件渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配情況。第二種方法是基于發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能商業(yè)軟件進(jìn)行渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能預(yù)測[5]。然而以GT-Power為代表的發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件中的渦輪模型依舊是基于穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)的圖譜模型[6]，無法計(jì)算脈動(dòng)來流條件對(duì)渦輪性能的影響規(guī)律，并且雙通道渦輪性能預(yù)測往往需要使用不同渦輪進(jìn)氣工況下圖譜的組合進(jìn)行性能仿真[7]，降低了圖譜模型的適用范圍和計(jì)算精度。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與計(jì)算速度的提升，基于渦輪幾何結(jié)構(gòu)的詳細(xì)性能預(yù)測模型得到了快速發(fā)展，其中，使用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法對(duì)渦輪進(jìn)行三維建模與流動(dòng)分析可以很好地模擬渦輪性能及內(nèi)部的流場細(xì)節(jié)。然而，這樣的方法會(huì)消耗大量計(jì)算成本，且計(jì)算速度與發(fā)動(dòng)機(jī)常見的一維性能仿真方法并不匹配[8]，因此基于計(jì)算流體力學(xué)的三維詳細(xì)性能仿真模型難以用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真工作中?，F(xiàn)階段，越來越多的研究者將研究的重心放在基于渦輪幾何結(jié)構(gòu)的降維性能詳細(xì)預(yù)測模型上。

美國國家航空航天局(NASA)在上世紀(jì)六七十年代設(shè)計(jì)研究了基于渦輪幾何結(jié)構(gòu)的渦輪性能預(yù)測零維模型[9-11]，該模型在徑流式渦輪的流動(dòng)特點(diǎn)和性能參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，將渦輪分為蝸殼、葉輪兩個(gè)流動(dòng)部件，每個(gè)流動(dòng)部件的出口邊界條件作為下一個(gè)部件的入口邊界條件進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，直到得出渦輪整體的性能參數(shù)。文獻(xiàn)[12]中針對(duì)渦輪一維流動(dòng)的特點(diǎn)，提出了以蝸殼透射邊界概念為基礎(chǔ)的一維模型，其中蝸殼采用一維流動(dòng)邊界，而葉輪模型基于絕熱壓力損失邊界進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[13]中使用平均流線法結(jié)合渦輪內(nèi)部的損失模型建立了渦輪一維穩(wěn)態(tài)通流模型，并計(jì)算了整個(gè)工況范圍內(nèi)的渦輪特性。綜上所述，基于渦輪幾何結(jié)構(gòu)的渦輪性能預(yù)測模型可以對(duì)渦輪穩(wěn)態(tài)和脈動(dòng)條件下的渦輪性能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測，然而現(xiàn)階段的渦輪性能預(yù)測模型沒有實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型的耦合，無法應(yīng)用于渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的一體化設(shè)計(jì)。開發(fā)可以與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合計(jì)算的渦輪性能詳細(xì)預(yù)測模型是十分有必要的。

因此，在不同構(gòu)型渦輪內(nèi)部流動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，建立了基于渦輪幾何結(jié)構(gòu)的性能預(yù)測的一維模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；將該渦輪模型與增壓發(fā)動(dòng)機(jī)所需的其他組件和邊界模型相耦合，搭建渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)一維計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)渦輪性能預(yù)測模型與發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合計(jì)算；基于該模型設(shè)計(jì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一體化匹配優(yōu)化方法，最大限度地提高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。本文中開發(fā)了可考慮脈動(dòng)工況的不同渦輪構(gòu)型的渦輪性能預(yù)測模型，擺脫了現(xiàn)有雙通道模型對(duì)大量不同工況下性能圖譜的依賴，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪耦合分析與設(shè)計(jì)新手段，克服了現(xiàn)有增壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)相互獨(dú)立的缺陷，為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)一步提升提供了新方法和新工具。

1 渦輪增壓-發(fā)動(dòng)機(jī)耦合模型建立

建立基于幾何結(jié)構(gòu)的一維性能預(yù)測模型是實(shí)現(xiàn)渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)在真實(shí)工況下耦合計(jì)算與一體化優(yōu)化匹配的基礎(chǔ)，因此首先進(jìn)行渦輪與增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能預(yù)測模型的研究。

1.1 脈沖來流條件的渦輪性能預(yù)測模型

在渦輪主要流動(dòng)通道中，蝸殼為靜態(tài)部件，而葉輪為旋轉(zhuǎn)部件，因此蝸殼與葉輪內(nèi)部的流動(dòng)具有顯著的差異性，需要對(duì)蝸殼和葉輪分別進(jìn)行建模。由于葉輪在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際脈動(dòng)頻率范圍內(nèi)的非定常性并不顯著[14]，蝸殼內(nèi)部較長的流動(dòng)通道產(chǎn)生的滯后效應(yīng)是渦輪非定常性的主要原因，因此在渦輪模型中，采用蝸殼一維模型和葉輪零維熱力學(xué)模型相結(jié)合的建模方式是合理的。在兩部分交界面處，將蝸殼出口控制面的邊界條件作為葉輪入口控制面的輸入條件進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，其模型示意圖如圖1所示。

圖1 渦輪模型示意圖

具體而言，蝸殼模型需要使用一維非定常流動(dòng)模型進(jìn)行計(jì)算,其控制方程為：

Wt+F(W)x=S(x,W)

(1)

式中，向量W為解向量；F為通量；S為源項(xiàng)；x為距離；t為時(shí)間。

圖1中的管道2表示蝸殼喉口到蝸殼出口段通道中心位置的流動(dòng)通道，決定了渦輪流動(dòng)的非定常性，其特征長度設(shè)置為從蝸舌到蝸殼出口段流道中心的中點(diǎn)位置，即蝸殼周向180°的位置處的長度。

在蝸殼下游，蝸殼出口處氣流以一定的氣流角流入葉輪，蝸殼出口徑向與切向的速度可以分別使用連續(xù)性方程和自由渦方程結(jié)合蝸殼出口段流道中心處的速度計(jì)算得出：

(2)

ρ2c2R2·kSW=ρ3c3θR3

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，p為壓力;T為溫度;N為渦輪轉(zhuǎn)速;Tq為渦輪輸出轉(zhuǎn)矩;cp為比定壓熱容;κ為絕熱指數(shù)；下標(biāo)0表示渦輪入口;下標(biāo)4表示渦輪出口。

1.2 雙通道渦輪的性能預(yù)測模型

由于雙通道渦輪可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中的脈沖分離，降低多缸發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是4缸和6缸發(fā)動(dòng)機(jī)不同氣缸之間的排氣干涉，提高發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的性能，在現(xiàn)有高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

由于雙通道渦輪兩支入口處的壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)往往呈現(xiàn)異相脈動(dòng)特征，因而在相同時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)并不相同，雙通道渦輪運(yùn)行狀態(tài)長時(shí)間處于不均勻進(jìn)氣甚至部分進(jìn)氣的流動(dòng)工況。因此，雙通道渦輪的性能不僅與膨脹比、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān)，其兩支入口處的流量比同樣對(duì)渦輪性能有決定性影響，需要重新建立雙通道渦輪的性能預(yù)測模型。

雙通道渦輪的蝸殼有兩個(gè)不同的進(jìn)氣支，與單通道渦輪的蝸殼模型相比，雙通道渦輪的蝸殼模型中間增加了擋板，將蝸殼流動(dòng)通道一分為二，即雙通道渦輪蝸殼的一維模型由兩個(gè)獨(dú)立的單通道蝸殼管道模型組成。此外，雙通道渦輪葉輪入口處存在沿葉高方向和圓周方向的流動(dòng)畸變，并且該流動(dòng)畸變對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失存在明顯的差異，因此在葉輪內(nèi)部沿圓周方向與葉高方向分為4個(gè)平行的葉輪通道分別求解，每個(gè)葉輪通道的求解方法與單通道渦輪葉輪模型類似，在此不贅述。其模型示意圖如圖2所示。

圖2 雙通道渦輪模型示意圖

1.3 渦輪性能預(yù)測模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該渦輪性能預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，基于兩款不同構(gòu)型的徑流式渦輪開展性能驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)測試平臺(tái)為北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所的柴油機(jī)高增壓技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)由氣源、流動(dòng)管路系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成，可以用于寬膨脹比和流量范圍的渦輪性能和內(nèi)部流動(dòng)的測量。在該試驗(yàn)平臺(tái)中，渦輪端使用外氣源供給壓縮空氣，為了保證渦輪箱上傳感器在合理的工作范圍內(nèi)，同時(shí)也避免因高溫傳熱導(dǎo)致的測量誤差，渦輪入口氣流經(jīng)電加熱器加熱到75 ℃左右后流入渦輪(即冷吹的試驗(yàn)方法)；在電加熱器的下游和渦輪的上游同樣設(shè)置了一系列測量點(diǎn)用于測量渦前流動(dòng)參數(shù)，并監(jiān)測渦輪測試系統(tǒng)是否處于正常的工作狀態(tài)；在渦輪的出口處安裝有偏心穩(wěn)壓桶，以確保渦輪出口處沒有氣流和壓力的突變，保證渦輪膨脹比與渦輪效率的準(zhǔn)確測量。

對(duì)于常見的6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 1 600 r/min 的條件下，渦輪入口壓力波的脈動(dòng)頻率為80 Hz。圖3展示了單通道渦輪在80 Hz脈沖來流條件下一維數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖3中可以看出，渦輪的一維性能預(yù)測模型可以較好地仿真渦輪的瞬態(tài)工況的“滯后效應(yīng)環(huán)”，在整個(gè)循環(huán)中渦輪瞬態(tài)流量計(jì)算誤差的平均值約為1.1%，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪性能仿真的精度要求。

圖3 單通道渦輪預(yù)測模型與瞬態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

圖4進(jìn)一步對(duì)比了雙通道渦輪模型在3個(gè)典型進(jìn)氣工況(全周進(jìn)氣、葉根部分進(jìn)氣和葉尖部分進(jìn)氣)條件下渦輪性能與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖4中可以看出，全周進(jìn)氣條件下和部分進(jìn)氣條件下的渦輪流通能力均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，其中渦輪流通能力的預(yù)測誤差小于2.0%，效率預(yù)測的誤差小于4.7%，說明了該渦輪性能預(yù)測模型對(duì)雙通道渦輪不同進(jìn)氣工況下的穩(wěn)態(tài)性能均有較好的預(yù)測能力。

圖4 雙通道渦輪預(yù)測模型在不同進(jìn)氣條件下與性能試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

2 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)耦合優(yōu)化匹配方法

2.1 渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合模型建立

為了實(shí)現(xiàn)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能預(yù)測，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件進(jìn)行建模，其中包括3個(gè)主要計(jì)算模塊:氣缸模塊、管道與其交匯模塊和渦輪增壓器模塊。

氣缸模塊采用容積法模型，即將氣缸看作一個(gè)工作容積，內(nèi)部的氣體每個(gè)時(shí)刻均完全混合，其壓力、溫度、氣體濃度等參數(shù)保持完全一致，利用缸內(nèi)質(zhì)量守恒、能量守恒和氣體狀態(tài)方程求解缸內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)的方法。為了對(duì)缸內(nèi)主要工作過程進(jìn)行模擬仿真，引入了如表1所示的氣缸計(jì)算子模塊。

表1 氣缸內(nèi)部計(jì)算子模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)一維管道非定常流動(dòng)模型采用二階精度的TVD格式進(jìn)行求解[19]，以實(shí)現(xiàn)排氣壓力波的精確捕捉；管道交匯模塊使用多分支壓力損失系數(shù)模型[20]，結(jié)合試驗(yàn)測量得到的壓力損失數(shù)據(jù)庫，可以對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管系中不同分支數(shù)和入流角的管道交匯進(jìn)行模擬仿真。

渦輪增壓器模塊分為渦輪模型和壓氣機(jī)模型兩部分，兩者通過聯(lián)軸器相連，保持相同的工作轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)端的壓力脈沖振幅相對(duì)較小，可以使用穩(wěn)態(tài)圖譜模型進(jìn)行插值計(jì)算壓氣機(jī)性能。渦輪性能采用前文中建立的渦輪性能預(yù)測模型計(jì)算。

此外，為了實(shí)現(xiàn)模塊與模塊之間的耦合計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型中整合了包括氣閥邊界、突變邊界、環(huán)境邊界等邊界模型。

根據(jù)上述渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型的建模思路，基于C++語言開發(fā)了自主可控的發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能仿真軟件SPEED-Engine，在后續(xù)優(yōu)化仿真研究中，均使用該性能仿真軟件進(jìn)行計(jì)算。

2.2 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)耦合模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，搭建了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，針對(duì)某型號(hào)渦輪增壓6缸柴油機(jī)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)在自主仿真軟件SPEED-Engine上建立了一維性能仿真模型，模型示意圖如圖5所示，包括進(jìn)排氣管系(管道與三通管)、氣門、氣缸、渦輪和壓氣機(jī)等組件。

表2 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主要幾何尺寸

圖5 自主性能仿真軟件SPEED-Engine中的發(fā)動(dòng)機(jī)模型

為了驗(yàn)證增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下性能預(yù)測的可靠性，分別選取了從低轉(zhuǎn)速到標(biāo)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)的6個(gè)轉(zhuǎn)速開展發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)。圖6展示了不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能預(yù)測模型和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖6中可以看出，在所研究的 1 000 r/min～2 200 r/min 的6個(gè)轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果保持高度一致，仿真得到的指示燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律也與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢相似。這說明了該耦合了渦輪性能預(yù)測模型的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能模型是可靠的，該渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。

圖6 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比

圖7進(jìn)一步展示了在低轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差。結(jié)果顯示在所計(jì)算的3個(gè)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率、指示燃油消耗率、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的相對(duì)誤差均小于3.5%，說明該增壓發(fā)動(dòng)機(jī)一體化匹配方法實(shí)現(xiàn)了其設(shè)計(jì)要求，耦合了渦輪性能模型的發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能仿真軟件SPEED-Engine可以應(yīng)用于渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的一體化設(shè)計(jì)過程。

圖7 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差

2.3 雙通道渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)耦合一體化設(shè)計(jì)

由于采用原有單通道渦輪優(yōu)化的渦輪幾何結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)雙通道渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)性能匹配，因此進(jìn)一步基于該雙通道渦輪模型與增壓發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型進(jìn)行了雙通道渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化匹配計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況下性能最佳，選取了分別代表低轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和標(biāo)定轉(zhuǎn)速的3個(gè)典型發(fā)動(dòng)機(jī)工況作為優(yōu)化工況，并采用權(quán)重加權(quán)的方式進(jìn)行綜合性能評(píng)估，即：

σ=k1σ1 000+k2σ1 600+k3σ2 200

(7)

式中，σ為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率，其下標(biāo)為對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；k1、k2和k3為3個(gè)轉(zhuǎn)速條件下性能的權(quán)重，在本次優(yōu)化過程中，根據(jù)廠家給定的發(fā)動(dòng)機(jī)路譜將3個(gè)參數(shù)分別為設(shè)置為0.2、0.3和0.5。

采用該一體化優(yōu)化方法對(duì)雙通道渦輪蝸殼喉口面積與半徑的比值(即蝸殼的AR值)和葉輪入口半徑進(jìn)行優(yōu)化，得到的優(yōu)化后蝸殼喉口處的流動(dòng)截面積與葉輪入口處的半徑分別為1 285 mm2和39.36 mm，分別為原有單通道渦輪幾何結(jié)構(gòu)的95.4%和98.9%。

圖8展示了發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，一體化優(yōu)化前后的雙通道渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與原有單通道渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能的綜合對(duì)比。結(jié)果顯示，采用與單通道渦輪幾何結(jié)構(gòu)相同的雙通道渦輪后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量下降了約1.9%；優(yōu)化后的雙通道渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量和輸出功相比于原有單通道渦輪分別提升了1.9%和0.7%；但是由于渦輪幾何尺寸有一定的減小，相同流量下渦輪膨脹比出現(xiàn)了一定程度的提升，因此渦輪的泵氣損失增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率同樣有所增加，相比于單通道渦輪增加了約0.2%。

圖8 一體化優(yōu)化前后雙通道渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與單通道的輪發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下性能對(duì)比

圖9顯示了不同渦輪構(gòu)型的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況下的綜合性能對(duì)比，該綜合性能使用公式(7)進(jìn)行加權(quán)平均。結(jié)果顯示，采用一體化性能優(yōu)化后，雙通道渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況下的綜合性能可以進(jìn)一步提升，其中發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加了2.7%，進(jìn)氣流量提升了5.8%，燃油消耗率下降了1.6%。這得益于雙通道渦輪產(chǎn)生了排氣脈沖的分離效應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中泵氣損失下降。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況下，將雙通道渦輪的等效流通面積適當(dāng)縮小，渦前能量增加帶來的優(yōu)勢大于由于排氣背壓增大導(dǎo)致的氣缸排氣泵氣損失，渦前能量增加使得渦輪增壓器轉(zhuǎn)速有所提升，壓氣機(jī)增壓壓力提高使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量有所提升，進(jìn)而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。

圖9 雙通道渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)一體化性能優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下綜合性能對(duì)比

3 結(jié)論

(1)基于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)強(qiáng)脈沖來流條件開發(fā)的不同構(gòu)型的渦輪性能預(yù)測模型實(shí)現(xiàn)了脈沖與空間不均勻來流條件下渦輪性能的預(yù)測，流通能力的預(yù)測誤差小于2.0%，效率誤差小于4.7%。

(2)開展了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的性能預(yù)測模型研究，實(shí)現(xiàn)了渦輪與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的非定常耦合計(jì)算，可以準(zhǔn)確預(yù)測渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能，其預(yù)測誤差小于3.5%。

(3)基于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能仿真軟件開展了增壓發(fā)動(dòng)機(jī)耦合一體化設(shè)計(jì)方法研究，并基于原有增壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了雙通道渦輪的主要幾何尺寸，提高了雙通道渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)全工況的整體性能。