彭文，孫云龍，陳良，吳廣權(quán)，占文鋒，段心林

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

隨著更加嚴格的排放和油耗法規(guī)的實施，低壓EGR的應(yīng)用越來越廣泛，它能抑制發(fā)動機低速大負荷的爆震傾向，降低部分負荷泵氣損失，降低高速大負荷工況的排氣溫度，減少噴油加濃，進而提高燃油經(jīng)濟性，降低排放[1-3]。然而低壓EGR的應(yīng)用也會帶來一些新的問題，冷凝水就是其中之一。Kuang Yunlong等[4]發(fā)現(xiàn)廢氣與壓氣機上游的新鮮空氣混合后會產(chǎn)生大量的冷凝水，凝結(jié)的水滴會以一定的尺寸(10-5m)以及很高的線速度與壓氣機葉輪邊緣碰撞，對壓氣機葉片造成很大的沖擊。Hua Su等[5]通過試驗發(fā)現(xiàn)壓氣機前管路后存在冷凝現(xiàn)象，Patrick Recker等[6]通過試驗研究也指出廢氣可以在低壓EGR冷卻器中過冷形成冷凝，而對于低進氣溫度，在空氣與已經(jīng)冷卻的廢氣混合之后也會形成冷凝。這些由低壓EGR應(yīng)用帶來的冷凝水會對高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機葉輪造成嚴重的水蝕，而壓氣機葉輪水蝕將會造成葉輪高周疲勞降低、葉輪開裂、壓氣機性能下降和噪聲增大等潛在風險。隨著配置低壓EGR系統(tǒng)的增壓發(fā)動機越來越多，如何降低其產(chǎn)生的冷凝水對發(fā)動機的影響受到越來越多的關(guān)注。本研究以廣汽傳祺某款配置低壓EGR系統(tǒng)的汽油機渦輪增壓器為基礎(chǔ)，研究了這些冷凝水形式對高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機葉輪的影響，主要考慮了不同冷凝水形態(tài)的影響、鍍層對葉輪的保護作用，分析了壓氣機葉輪的損壞情況，對比了壓氣機葉輪損傷前后的性能變化，指出了壓葉輪受損程度和冷凝水形態(tài)的關(guān)系，并為降低壓葉輪的損傷給出了建議。

1 試驗設(shè)計

先期在發(fā)動機和整車上使用內(nèi)窺鏡觀察到低壓EGR開啟時，壓前管路中會存在兩種模式的冷凝水，其一為隨氣流帶入的很多顆粒狀水珠，其二為沿壁面流動的稀疏水膜(見圖1)。此外，由于壓氣機氣動設(shè)計會使得壓前存在冷凝水儲水區(qū)，該區(qū)域積聚的冷凝水有結(jié)冰的風險(見圖2)。針對上述三種模式分別設(shè)計試驗以考察各自對壓氣機葉輪的影響。

圖1 低壓EGR開啟時冷凝水狀態(tài)

圖2 壓殼積水區(qū)域

1.1 水珠模式試驗設(shè)計

文獻[7]中已表明，水柱形式相較于水珠形式對材料的損傷明顯加快，本試驗以連續(xù)水柱形式進行試驗。以該發(fā)動機增壓器為基礎(chǔ)進行增壓器測試臺布置，該增壓器壓前管路彎曲布置，因此將彎曲段改制成直管段，以便于將冷凝水噴射到葉輪上，改制前后對比如圖3所示。

圖3 壓前彎頭改制前后對比

測試臺的設(shè)置如圖4所示，冷凝水產(chǎn)生器位于上游壓氣機的空氣管路前，冷凝水產(chǎn)生器中的水由水箱提供。

圖4 水珠模式臺架布置

如圖5所示，冷凝水噴嘴安裝于壓前改制直管入口處，冷凝水噴射目標位置為葉片約2/3葉高位置，以達到相對較高的葉片線速度和較大的垂直撞擊攻角。

圖5 冷凝水噴射位置

冷凝水噴射器噴嘴如圖6所示，可以產(chǎn)生連續(xù)水柱，噴嘴直徑約為300 μm，供水壓力為0.4 MPa。

圖6 冷凝水噴嘴及噴射位置

1.2 水膜模式試驗設(shè)計

對壓氣機入口彎管改制，在壓殼入口下側(cè)壁面開孔，利用水的重力，將水注入壓前管路，在壓前管路下方形成沿下壁面流動的水膜，布置如圖7所示。

圖7 水膜模式臺架布置

1.3 結(jié)冰模式試驗設(shè)計

臺架整體布置與水膜試驗形式一致(見圖8)，試驗前將事先冰好的與儲水區(qū)形狀相同的冰塊放入壓殼入口儲水區(qū)。

圖8 結(jié)冰模式臺架布置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水珠模式測試結(jié)果分析

分別測試了不帶鍍層壓氣機葉輪和帶鍍層壓氣機葉輪，并測試了帶鍍層壓氣機葉輪試驗前后的壓氣機性能。葉輪鍍層為鎳磷鍍層，鍍層中鎳含量達80%以上，可以顯著增加壓葉輪表面硬度，其硬度可達500 HV以上。鍍層有更平滑的表面，鍍層合金與鋁合金葉輪之間是金屬鍵結(jié)合，可以承受很大的剪切應(yīng)力，因而鍍層具有增加葉輪抗水蝕性能的潛力。

2.1.1 試驗控制參數(shù)

不帶鍍層壓氣機葉輪1 h后觀察葉輪損傷情況，帶鍍層壓氣機葉輪每隔1 h觀察葉輪的損傷情況，共計進行7 h。具體參數(shù)如表1所示。其中增壓器轉(zhuǎn)速取發(fā)動機EGR率map中的最高轉(zhuǎn)速，帶鍍層葉輪試驗中總水量取仿真計算得到的整車壽命內(nèi)總冷凝量換算成水柱形式下冷凝量的1.2倍。

表1 水珠模式測試控制參數(shù)

2.1.2 壓氣機葉輪冷凝水噴射測試結(jié)果

1 h后壓氣機葉輪帶鍍層和不帶鍍層對比結(jié)果見圖9。帶鍍層葉輪損傷輕微，而不帶鍍層葉輪損傷嚴重，帶鍍層葉輪損傷位置均出現(xiàn)在葉片前緣葉頂處，而不帶鍍層葉輪在葉片前緣沿葉高均有不同程度損傷，且在葉片前緣葉頂處損傷最嚴重，這是因為葉頂處線速度最高，達到385 m/s，遠遠超過鋁合金材料的門檻速度。

圖9 1 h試驗后帶鍍層與不帶鍍層葉輪對比

帶鍍層壓氣機葉輪隨時間增加損傷結(jié)果見圖10。隨著試驗時間增加，前期葉輪損傷相對較快，后期損傷越來越緩慢，這也符合水蝕的三個階段特征，在3 h左右已進入了平緩期。

此外，如圖9及圖10所示，對于帶鍍層葉輪和不帶鍍層葉輪，試驗后均可發(fā)現(xiàn)冷凝水僅對主葉片前緣造成了損傷，而分流葉片未發(fā)現(xiàn)可觀察到的損傷，這是因為冷凝水撞擊葉輪進入動力學過程的第二個階段后，水珠已完全破碎，水珠尺寸將極大減小，小尺寸的水珠會同比例降低水蝕的門檻速度[7]，而分流葉片的線速度也更低，因此表現(xiàn)出分流葉片受冷凝水的影響非常小。

圖10 不同時刻帶鍍層葉輪損傷情況

除了葉片前緣的損傷外，還能觀察到主葉片表面的損傷，如圖11所示。

圖11 葉片表面損傷情況

帶鍍層葉輪7 h后損傷結(jié)果與不帶鍍層葉輪1 h后損傷結(jié)果對比見圖12。結(jié)果表明：在7倍于不帶鍍層葉輪冷凝水持續(xù)時間下，鍍層葉輪前緣損傷仍遠不及不帶鍍層葉輪嚴重，由此可見鍍層是一種較好的減小冷凝水對葉輪侵蝕的途徑。

圖12 1 h后不帶鍍層葉輪與7 h后帶鍍層葉輪損傷對比

2.1.3 壓氣機冷凝水噴射前后性能對比結(jié)果

帶鍍層葉輪試驗前后效率及流量特性變化見圖13。最大效率下降約0.6%，最大壓比下降約0.5%，而喘振線和堵塞線則幾乎不受影響。可見，盡管葉輪前緣和葉片表面受到了冷凝水的損傷，但是相較于損傷的程度，葉輪的損傷對壓氣機性能的影響是非常小的，這主要是因為相較于流動尺度，其葉輪的損傷尺度較小，不會引起氣動性能的劇烈變化，因而對性能造成的影響較小。

圖13 帶鍍層壓氣機葉輪試驗前后特性對比

2.2 水膜模式測試結(jié)果分析

2.2.1 試驗控制參數(shù)

為與水柱模式進行對比，增壓器轉(zhuǎn)速、總水量、水流量等參數(shù)與水珠模式控制一樣，總共進行7 h，中間持續(xù)觀察葉輪損傷情況，具體參數(shù)如表2所示。

表2 水膜模式測試控制參數(shù)

2.2.2 壓氣機葉輪水膜測試結(jié)果

7 h試驗后，不同于水珠模式結(jié)果，壓葉輪的葉片前緣以及葉片表面均未發(fā)現(xiàn)明顯的損傷(見圖14)。

圖14 水膜模式葉片損傷情況

如圖15所示，在試驗中，通過壓前攝像頭可以觀察到在壓氣機葉輪未旋轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)速非常低時，水膜保持完整并沿著壁面往壓氣機葉輪流動，但當葉輪轉(zhuǎn)速增加后，由于壓氣機入口氣流的湍流特性以及壓氣機旋轉(zhuǎn)對上游流場的影響，會在壓氣機入口管路近壁面處形成旋流(見圖16)，水膜將被葉輪此處產(chǎn)生的旋流所霧化，此時，冷凝水將變成直徑很小的霧化液滴進入壓氣機葉輪，因而對葉輪造成的損傷非常小。

圖15 壓前水膜霧化前后對比

圖16 壓前管路旋流

2.3 結(jié)冰模式測試結(jié)果分析

2.3.1 試驗控制參數(shù)

結(jié)冰模式下，邊界控制分別模擬了整車怠速暖機以及冷車下開車即走時的極限情況(見表3)。

表3 結(jié)冰模式測試控制參數(shù)

2.3.2 結(jié)冰模式測試結(jié)果

在模擬怠速時，壓氣機入口處冰塊并未馬上被吸入葉輪，而是逐漸融化，融化的水會形成水膜流入壓葉輪，此時因為葉輪轉(zhuǎn)速低，水膜無法被霧化，當剩余冰塊融化成較小的顆粒時整體被葉輪吸入(見圖17)。

圖17 怠速時冰塊吸入前融化前后對比

在模擬高速時，冰塊融化速度加快，且很快就被葉輪吸入，僅為怠速吸入時間的1/7，冰塊被吸入前仍保持較大的尺寸(見圖18)。

圖18 高速時冰塊吸入前融化前后對比

怠速試驗冰塊吸入后葉輪損傷結(jié)果如圖19所示，未發(fā)現(xiàn)壓氣機葉輪前緣及表面有明顯的損傷。這是因為怠速轉(zhuǎn)速低，葉輪最大線速度僅51 m/s，由此造成的葉輪損傷也很小。

圖19 怠速冰塊試驗后葉輪損傷情況

兩次高速冰塊吸入后葉輪損傷結(jié)果如圖20所示，也未發(fā)現(xiàn)壓氣機葉輪前緣及表面有明顯的損傷。這是由于冰塊吸入前仍保持較大的尺寸，冰塊被吸入時將先撞擊到壓葉輪上鎖緊螺母，被鎖緊螺母打碎反彈并在此過程中迅速融化，因而葉輪上將只受到瞬時的微小冰渣與水珠的分散撞擊，撞擊次數(shù)有限，所以對葉輪造成的損傷也很小。

圖20 高速冰塊試驗后葉輪損傷情況

3 結(jié)論

a) 低壓EGR系統(tǒng)產(chǎn)生冷凝水的三種狀態(tài)中，對壓葉輪損傷最嚴重的是隨氣流飛入的水珠模式，1 h的水量即可對不帶鍍層葉輪造成嚴重損傷，而帶有鍍層的葉輪可較好地抵御水珠模式的損傷， 7 h的水量僅產(chǎn)生輕微損傷，且該損傷對壓氣機的性能影響較?。?/p>

b) 水珠狀態(tài)的冷凝水對于壓氣機葉輪的損傷表現(xiàn)為兩個方面，分別為葉輪前緣和葉片表面的損傷，并且只發(fā)生在主葉片，而分流葉片則無明顯的損傷；

c) 水膜狀態(tài)的冷凝水在進入壓氣機葉輪前被再循環(huán)渦流霧化，因而不會對帶有鍍層的壓氣機葉輪造成明顯的損傷。

綜上分析，在三種冷凝水模式中，對壓葉輪損傷最嚴重的是隨氣流飛入的冷凝水模式，盡管其對壓氣機性能造成的影響較小，但是考慮到這種損傷可能引起的噪聲及葉輪疲勞等問題，設(shè)計上應(yīng)該從EGR系統(tǒng)布置、系統(tǒng)控制及管路選材等方面著手，盡量減少這種模式下的冷凝水。