劉應(yīng)材，雷基林，申立中，鄧晰文，宋國(guó)富，劉 康

(1.昆明理工大學(xué) 云南省高原排放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650500；2.昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司，昆明 650200)

0 概述

中國(guó)高原地區(qū)面積遼闊，海拔高且海拔變化范圍大，柴油機(jī)作為重要?jiǎng)恿υ?，在高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通運(yùn)輸與國(guó)防建設(shè)中起著重要的作用。隨著高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與排放法規(guī)的加嚴(yán)，要求柴油機(jī)具有高性能及較好的高原適應(yīng)性。高原環(huán)境大氣壓力與溫度較低，空氣稀薄，進(jìn)氣量不足，空燃比下降，燃燒惡化，是造成高原柴油機(jī)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(jìn)氣量，改善柴油機(jī)高海拔工作性能，有利于提高柴油機(jī)高原適應(yīng)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(jī)性能惡化及適應(yīng)性較差等問(wèn)題，需要開(kāi)展增壓柴油機(jī)高原適應(yīng)性研究。

改善高原柴油機(jī)的性能，可以提高柴油機(jī)高原適應(yīng)性。高原環(huán)境空氣稀薄，進(jìn)氣量不足且含氧濃度低，油氣混合較差，是導(dǎo)致柴油機(jī)高原適應(yīng)性較差的主要原因。因此，改善柴油機(jī)性能的研究工作主要從增加進(jìn)氣量、提高氧濃度及研發(fā)含氧替代燃料等方面進(jìn)行。增壓技術(shù)對(duì)高原柴油機(jī)增加進(jìn)氣量有一定補(bǔ)償作用，是改善高原柴油機(jī)性能的有效手段之一。文獻(xiàn)[3]中在2 000 m海拔下兼顧平原與 4 000 m 海拔性能進(jìn)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(jī)的高原適應(yīng)性較好。文獻(xiàn)[4]中采用可調(diào)渦輪增壓系統(tǒng)，在 4 000 m 海拔下柴油機(jī)各轉(zhuǎn)速工況的功率較平原環(huán)境降幅度均不到4%。文獻(xiàn)[5]中采用雙增壓器解決柴油機(jī)低速喘振、高速超速問(wèn)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(jī)的高原性能，但其自補(bǔ)償能力無(wú)法彌補(bǔ)高原環(huán)境變化帶來(lái)的損失，導(dǎo)致柴油機(jī)壓氣機(jī)壓比及效率下降，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速移動(dòng)，動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性下降，需要進(jìn)一步開(kāi)展增壓柴油機(jī)高原適應(yīng)性研究。

渦輪增壓器的核心部件是離心壓氣機(jī)，其高海拔性能對(duì)柴油機(jī)的綜合運(yùn)行性能有重要影響[6]。高原環(huán)境下壓氣機(jī)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(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)，葉片前緣流動(dòng)分離現(xiàn)象明顯，二次流增強(qiáng)導(dǎo)致葉輪做功能力下降[8]。文獻(xiàn)[9]中的研究結(jié)果表明：高原環(huán)境下，壓氣機(jī)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(dǎo)致其效率下降。文獻(xiàn)[10]中研究表明：5 500 m海拔下，近堵塞工況壓氣機(jī)葉輪幾乎失去增壓能力，近壁面區(qū)流動(dòng)混亂，葉表分離現(xiàn)象加?。粔簹鈾C(jī)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(xiàn)[11]中研究顯示：海拔5 500 m條件下，離心壓氣機(jī)葉輪主葉片及分流葉片前緣前掠，壓氣機(jī)壓比、效率及流量范圍提高，葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失明顯減少，改善了柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速性能；葉輪主葉片泄漏渦出現(xiàn)在葉片50% 弦長(zhǎng)之后，葉頂泄漏有所減少，使得低能流體對(duì)于主流的影響降低，損失減小。文獻(xiàn)[12]中研究表明：壓氣機(jī)進(jìn)口溫度條件對(duì)壓氣機(jī)性能影響較??；高原環(huán)境壓氣機(jī)內(nèi)部靜壓比變化梯度下降，葉頂間隙流強(qiáng)烈，邊界層厚度增大，流動(dòng)損失加劇。高海拔工況下，壓氣機(jī)流動(dòng)損失增大，導(dǎo)致壓氣機(jī)性能下降，因此改善壓氣機(jī)性能有助于提高柴油機(jī)高原適應(yīng)性。

綜上，平原工況匹配的渦輪增壓柴油機(jī)不能滿足高海拔工況性能要求，適應(yīng)性差，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善高原性能，提高適應(yīng)性。以某非道路小型增壓柴油機(jī)為對(duì)象，研究柴油機(jī)性能及壓氣機(jī)端各參數(shù)隨海拔的變化關(guān)系，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。以壓氣機(jī)流場(chǎng)分析為主，研究壓氣機(jī)在不同海拔下的流動(dòng)狀況，分析了壓機(jī)效率下降的原因。本研究可為探究壓氣機(jī)流場(chǎng)控制措施及壓氣機(jī)性能優(yōu)化提供參考。

1 增壓柴油機(jī)高原適應(yīng)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(jī)為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所示，柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為145 N·m，標(biāo)定功率為40 kW?；谠摬裼蜋C(jī)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(jī)仿真計(jì)算模型。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)

圖1 小型渦輪增壓柴油機(jī)仿真計(jì)算模型

在仿真過(guò)程中，假設(shè)工質(zhì)為理想氣體，氣體的流動(dòng)過(guò)程為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)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(duì)管路傳熱進(jìn)行計(jì)算，不考慮氣體在高溫時(shí)的離散作用。

1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在近2 000 m海拔下，采用WE31N水渦流測(cè)功機(jī)、FCMA油耗儀、EIM609測(cè)控系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行外特性試驗(yàn)。該小型渦輪增壓柴油機(jī)標(biāo)定工況缸壓試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比見(jiàn)圖2，外特性工況試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比見(jiàn)圖3。由圖可知，2 000 m海拔下，該柴油機(jī)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(yàn)值的趨勢(shì)基本一致。柴油機(jī)的最大缸內(nèi)壓力的試驗(yàn)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(yàn)值之間的誤差在允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明該小型渦輪增壓柴油機(jī)仿真計(jì)算模型有較好的準(zhǔn)確性，能夠表征該柴油機(jī)外特性工況下的性能，可以用于不同海拔下外特性工況計(jì)算。

圖2 柴油機(jī)標(biāo)定工況缸壓曲線

圖3 2 000 m海拔下柴油機(jī)外特性試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

1.3 高原適應(yīng)性分析

1.3.1 高原環(huán)境對(duì)增壓柴油機(jī)性能的影響

圖4為柴油機(jī)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(jī)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性變差。在0 m海拔下，柴油機(jī)的標(biāo)定功率為40 kW，最大轉(zhuǎn)矩為145 N·m，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，且最低有效燃油消耗率為218.6 g/(kW·h)。隨著海拔升高，標(biāo)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(jī)功率、轉(zhuǎn)矩降幅較小；在2 000 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(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性惡化，適應(yīng)性較差，需要在高原環(huán)境下對(duì)其動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化，提高高原適應(yīng)性。

圖4 海拔對(duì)柴油機(jī)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(duì)壓氣機(jī)端的影響

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

圖5 不同海拔下柴油機(jī)與壓氣機(jī)匹配特性圖

圖6為進(jìn)氣流量、增壓壓力及壓氣機(jī)壓比隨海拔變化關(guān)系。由圖6可知，平原工況的進(jìn)氣流量較大，且進(jìn)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(jìn)氣流量逐漸減小，低轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣量減小幅度較小，隨著轉(zhuǎn)速升高，進(jìn)氣量減少更明顯，其中標(biāo)定工況下進(jìn)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(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時(shí)增壓壓力增大趨勢(shì)平緩，隨著海拔升高，增壓壓力減小，說(shuō)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(lái)的損失。由圖6還可知，隨著海拔升高，壓氣機(jī)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(jī)葉輪做功能力也接近極限，故壓比增大趨勢(shì)較為平緩。

圖6 海拔對(duì)進(jìn)氣流量、增加壓力、壓氣機(jī)壓比影響

圖7為壓氣機(jī)效率隨海拔變化關(guān)系。壓氣機(jī)效率是壓氣機(jī)的定熵耗功與實(shí)際耗功之比。由圖7可知，壓氣機(jī)效率先增大后減小，在2 600 r/min達(dá)到最大。在相同海拔下，壓氣機(jī)效率先增大后減小：低轉(zhuǎn)速工況下，壓氣機(jī)的實(shí)際耗功數(shù)值較小，定熵耗功增大，壓氣機(jī)效率增大；隨著轉(zhuǎn)速升高，壓氣機(jī)定熵耗功數(shù)值變化較小，實(shí)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(jī)定熵耗功較小，而實(shí)際耗功增加，壓氣機(jī)及效率隨海拔升高而減小。

圖7 壓氣機(jī)效率隨海拔變化關(guān)系

2 不同海拔下壓氣機(jī)流場(chǎng)分析

高原環(huán)境下，渦輪增壓能夠增大進(jìn)氣量，改善柴油機(jī)高原性能。然而在高原環(huán)境下，增壓柴油機(jī)壓氣機(jī)效率下降，增壓效果不佳。文獻(xiàn)[13]中的研究表明：高原環(huán)境下，壓氣機(jī)內(nèi)部流體跨音速流動(dòng)，存在激波與頂部間隙等多種損失，導(dǎo)致壓氣機(jī)效率下降。通過(guò)探究壓氣機(jī)流場(chǎng)控制措施優(yōu)化壓氣機(jī)高海拔工作性能，提高增壓柴油機(jī)高原適應(yīng)性，需要對(duì)不同海拔下壓氣機(jī)流場(chǎng)進(jìn)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(jī)效率下降原因及壓氣機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)狀況，基于不同海拔下外特性工況的仿真計(jì)算，確定標(biāo)定工況下壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力溫度與質(zhì)量流量等邊界條件?；谠撛鰤翰裼蜋C(jī)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(jī)葉輪網(wǎng)格模型，進(jìn)行不同海拔下壓氣機(jī)流場(chǎng)分析。

表2 壓氣機(jī)葉輪的基本參數(shù)

圖8 壓氣機(jī)三維網(wǎng)格模型及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了研究高原環(huán)境下壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)狀況，選定柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速(3 200 r/min)進(jìn)行研究， 采用壓力進(jìn)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(jī)外特性仿真計(jì)算確定壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口邊界條件數(shù)值，湍流模型采用Shear Stress Transport(SST),傳熱設(shè)置為T(mén)otal Energy，計(jì)算工質(zhì)為理想氣體，固壁面滿足無(wú)滑移壁面，采用絕熱壁面。求解設(shè)置采用物理時(shí)間步長(zhǎng)，各項(xiàng)殘差設(shè)置為10-5。

2.2 葉輪流場(chǎng)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(dòng)主要為泄漏流動(dòng)，泄漏流越強(qiáng)，高熵值區(qū)域越大。熵增即壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)損失增大[14]，則葉頂間隙位置泄漏流是壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失的主要來(lái)源。0 m 海拔下壓氣機(jī)高熵值區(qū)域較少，葉頂間隙泄漏流弱，壓氣機(jī)損失較小；隨著海拔升高，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(qiáng)，則壓氣機(jī)葉輪流動(dòng)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(duì)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(kuò)展，范圍擴(kuò)大。隨著海拔升高，低壓區(qū)的相對(duì)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(jī)的子午平均馬赫數(shù)分布。由圖11可知，壓氣機(jī)主葉片前緣存在高馬赫數(shù)區(qū)域，屬于跨音速流動(dòng)區(qū)域。隨著海拔升高，跨音速流動(dòng)區(qū)域增大，且低速流動(dòng)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(dāng)?shù)匾羲傧陆?，因此隨著海拔升高，壓氣機(jī)主葉片前緣存在跨音速流動(dòng)，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(jìn)口速度云圖，葉輪進(jìn)口周向速度在半徑方向上的分布趨勢(shì)與葉輪進(jìn)口馬赫數(shù)在半徑方向上的趨勢(shì)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(dòng)區(qū)域，且隨著海拔升高，跨音速流動(dòng)區(qū)域增大。跨音速氣流受到葉片高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的干擾會(huì)產(chǎn)生激波，導(dǎo)致氣流突然被壓縮，造成摩擦損失與熱傳導(dǎo)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(jìn)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(dòng)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(dòng)區(qū)域隨海拔的升高而增大。結(jié)合圖11可知，葉輪進(jìn)口跨聲速主流經(jīng)過(guò)主葉片前緣形成此區(qū)域的跨音速流動(dòng)?？缫羲僦髁餮亓鞯老蛳铝鲃?dòng)時(shí)，受葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)干擾產(chǎn)生激波，導(dǎo)致其流動(dòng)速度降低。主葉片葉頂間隙間泄漏流流動(dòng)速度較低，且部分泄漏流經(jīng)過(guò)分流葉片的葉頂間隙形成跨流道流動(dòng)，速度進(jìn)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(dòng)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(duì)較小，葉頂泄漏流加劇，摻混損失增大，跨流道流動(dòng)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(jī)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(jī)中跨音速流的流動(dòng)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(jī)旋轉(zhuǎn)方向跨流道流動(dòng)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(dòng)損失造成，海拔越高，葉頂泄漏流越強(qiáng)，流動(dòng)損失越大。主葉片的部分流體跨流道流動(dòng)流過(guò)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(dǎo)致分流葉片泄漏流動(dòng)損失大于主葉片泄漏流動(dòng)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(jī)功率、轉(zhuǎn)矩與燃油消耗率下降，進(jìn)氣流量減少，增壓壓力下降，壓氣機(jī)壓比增大，效率下降。

(2) 隨著海拔升高，子午面相對(duì)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(qiáng)，泄漏損失增大，導(dǎo)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(jī)葉輪內(nèi)部損失增大，造成高原環(huán)境下壓氣機(jī)效率降低。