增壓器壓氣機葉頂間隙對柴油機性能的影響*

樓狄明 林浩強 邵聰 王志宏 徐寧

（1-同濟大學汽車學院上海2018042-寧波威孚天力增壓技術有限公司）

·研究·開發·

增壓器壓氣機葉頂間隙對柴油機性能的影響*

樓狄明1林浩強1邵聰1王志宏2徐寧1

（1-同濟大學汽車學院上海2018042-寧波威孚天力增壓技術有限公司）

基于兩種不同壓氣機葉頂間隙，研究葉頂間隙對壓氣機效率、壓比等增壓器性能參數以及動力經濟性、常規氣態物排放、進排氣情況等柴油機性能參數的影響。結果表明：相同工況下，小葉頂間隙壓氣機的效率比大葉頂間隙壓氣機高約3%且高效區域范圍更大。裝有小葉頂間隙壓氣機時進氣流量增幅達6%；進氣中冷后溫度有所降低，最大降幅為19%；發動機動力輸出增幅達2%；NOx體積排放量減少，最大降幅為15%；THC體積排放量增加，最大增幅為100%。葉頂間隙對CO排放、CO2排放、發動機排氣背壓及比油耗基本無影響。

柴油機壓氣機葉頂間隙性能

引言

增壓技術是提高發動機動力性和改善燃油經濟性最有效的措施[1，2]，同時也是降低排放的有效措施[3，4]。因此，研究渦輪增壓器結構參數對發動機性能的影響十分必要[5]。

壓氣機葉頂間隙對壓氣機性能影響很大，是壓氣機損失的主要來源[6]。為了使葉輪自由地轉動，轉子葉片頂端與外殼之間有一定的間隙，這個間隙被稱為葉頂間隙。葉片壓力面和吸力面之間的壓差造成了葉頂間隙流。葉頂間隙流會導致氣體泄漏及堵塞，對壓氣機的性能及穩定性影響很大[7]。隨著葉頂間隙增大，氣體泄漏加劇，壓氣機流量、效率、壓比下降[8，9]。另一方面，過小的葉頂間隙對結構強度和振動設計不利[10]，同時也會影響到葉輪運行安全性、加工工藝性。葉頂間隙的取值要權衡兩方面的利弊。國內外學者對葉頂間隙流動進行了多年的研究。Okita K.等[11]利用數值分析的方法研究了葉頂間隙流對空化流動的影響；Inoue M等[12]研究了不同大小的葉頂間隙對于動葉旋轉失速發展過程的影響；高學林等[13]對某多級軸流壓氣機進行了間隙流動的數值模擬，進行了定常及非定常計算，研究了間隙流動對壓氣機整體性能的影響；郭宮達等[14]采用三維CFD方法，研究了葉尖間隙分布對離心壓氣機葉輪及擴壓器性能的影響機理。但是，針對壓氣機葉頂間隙對發動機性能影響規律的研究，國內外文獻中還鮮見報道。因此有必要深入研究壓氣機葉頂間隙對發動機性能的影響。

本文針對某純電動公交客車的增程器專用發動機進行臺架試驗，研究葉頂間隙對壓氣機MAP圖及發動機動力經濟性、常規氣態物排放、進排氣情況等性能參數的影響規律。

1 試驗設計

圖1所示為發動機臺架搭建安裝示意圖。臺架試驗采用D19增壓柴油機，具體參數見表1。燃油為國V標準柴油。

圖1 發動機臺架搭建安裝示意圖

表1 試驗用發動機主要參數

經過匹配計算，選定一款渦輪增壓器，表2所示為放氣閥渦輪增壓器主要參數。壓氣機采用半開式后彎葉輪，表3所示為增壓器壓氣機端主要參數。

表2 放氣閥渦輪增壓器主要參數

表3 增壓器壓氣機端主要參數mm

本純電動公交客車的增程器專用發動機常用轉速范圍為1 800 r/min～3 000 r/min，常用負荷范圍為50%～100%，以此為本文研究范圍，研究葉頂間隙分別為0.3 mm和0.5 mm的壓氣機對發動機工作性能的影響規律。

2 試驗結果及分析

2.1 壓氣機特性

圖2所示為壓氣機葉頂間隙對壓氣機MAP的影響。從圖中可知葉頂間隙為0.3 mm時，壓氣機高效區范圍較大，與發動機聯合運行時，壓氣機效率在71%以上，相同條件下較葉頂間隙為0.5 mm的壓氣機高約3%。較小的葉頂間隙可減少壓氣機中的氣體泄漏，將等量的空氣壓縮到相同壓力值，葉頂間隙小的壓氣機所需要的功較少，所以效率較大。但是葉頂間隙并不是越小越好。由于熱脹冷縮、軸承間隙等原因，過小的葉頂間隙會使得葉片頂端與壓氣機機殼碰擦，嚴重影響柴油機的性能。

2.2 發動機進排氣

圖2 葉頂間隙對壓氣機MAP的影響

圖3 所示是在全負荷工況下壓氣機葉頂間隙對發動機進氣流量的影響。在各發動機轉速下裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機時發動機進氣量均比裝有0.5 mm葉頂間隙壓氣機時高，最大增幅為6%。這是因為小葉頂間隙壓氣機氣體泄漏量小，效率高，與發動機聯合運行時能將更多地空氣輸送到氣缸中。

圖3 葉頂間隙對發動機進氣流量的影響

圖4 所示是在全負荷工況下壓氣機葉頂間隙對進氣增壓中冷后溫度的影響。由圖4可知，在低轉速和高轉速時，兩種不同葉頂間隙的壓氣機對進氣增壓中冷后溫度影響不大。在中等轉速裝有小葉頂間隙壓氣機時，進氣中冷后溫度較低，最大相對降幅為19%。

圖5所示為全負荷工況下葉頂間隙對排氣背壓的影響。由圖可知壓氣機葉頂間隙的大小對排氣背壓影響不大。

圖4 葉頂間隙對進氣增壓中冷后溫度的影響

圖5 葉頂間隙對排氣背壓的影響

2.3 發動機動力性與經濟性

圖6為全負荷工況下壓氣機葉頂間隙對發動機指示壓力的影響。由圖可知裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機時，發動機平均指示壓力較大，最大相對增幅為1.8%。這是因為相同工況下，小葉頂間隙壓氣機能為柴油機提供更多空氣，電控噴油量相應增大，所以平均指示壓力更大。

圖7所示為全負荷工況下壓氣機葉頂間隙對發動機動力性的影響。由于以上分析，裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機時發動機在各轉速下動力輸出較大，最大增幅為1.6%。適當減小葉頂間隙可以提高發動機動力性。

圖6 葉頂間隙對發動機指示壓力的影響

圖7 葉頂間隙對發動機動力性的影響

圖8 為全負荷工況下壓氣機葉頂間隙對發動機比油耗的影響。由圖可知隨著發動機轉速的增大，油耗逐漸增大。使用兩種不同葉頂間隙壓氣機時，最大油耗差異不超過1%，即壓氣機葉頂間隙對發動機油耗基本無影響。

2.4 發動機排放特性

2.4.1 氮氧化物NOx

圖8 葉頂間隙對發動機比油耗的影響

圖9 葉頂間隙對NOx排放量的影響

圖9 為壓氣機葉頂間隙對NOx排放量的影響。由圖9a）可知，全負荷工況下，隨著發動機轉速增加，NOx排放量先下降后上升，在2500 r/min時達到最小排放量。由圖9b）可知NOx的排放首先隨著負荷比的增大漸漸增大至80%達到最高點，然后隨著負荷比的增大漸漸減少。從低負荷到高負荷，燃燒溫度增大，同時噴油量也會增大，燃燒區域空燃比下降。溫度增大利于NOx的生成，但是低空燃比不利于NOx的生成。從50%負荷到80%負荷，燃燒溫度占主導地位，所以有更多的NOx生成，從80%負荷到100%負荷燃燒區域的空燃比占主導地位，所以NOx排放量下降。

在試驗工況下，裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機時NOx排放量至少比裝有0.5 mm葉頂間隙壓氣機時低13%。

2.4.2 總碳氫THC

圖10為壓氣機葉頂間隙對發動機THC排放量的影響。由圖10a）可知從1800 r/min到2000 r/min，THC排放量快速下降，2000 r/min后緩慢下降。這是因為發動機轉速越高，缸內氣體流動增強，油氣混合質量提高，改善燃燒，THC排放量降低。1800 r/min，全負荷工況下，裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機時THC排放量是裝有0.5 mm葉頂間隙時的兩倍，并隨著轉速增大差距漸漸減小。由圖10b）可知THC基本上隨著負荷的增大而逐漸減少。這是因為負荷越大，缸內溫度增大，燃燒更加徹底。各負荷點下，裝有0.3 mm葉頂間隙壓氣機時THC的排放量至少比裝有0.5 mm葉頂間隙壓氣機時大10%。

圖10 葉頂間隙對發動機THC排放量的影響

2.4.3 一氧化碳CO

圖11為壓氣機葉頂間隙對發動機CO排放量的影響。由圖11a）可知全負荷工況下，CO排放量在2500 r/min時取得最大值。由圖11b）可知從50%負荷到70%負荷CO的排放量變化不大，從70%開始CO排放量急劇上升，到100%負荷時達到最大值。

研究表明，CO的生成與燃燒區域的空燃比有密切的關系[15]。由圖11可知，CO排放量的變化與空燃比的變化呈現較大的負相關性。分別裝有兩種不同葉頂間隙壓氣機時CO排放量差別不大，綜合差距不超過1%。

2.4.4 二氧化碳CO2

圖11 葉頂間隙對發動機CO排放量的影響

圖12 葉頂間隙對發動機CO2排放量的影響

圖12 為壓氣機葉頂間隙對發動機CO2排放量的影響。圖12中CO2的排放規律與圖11中空燃比的變化規律呈現負相關特性。空燃比小意味著燃料比重大，燃燒過程會產生更多的CO2。由圖12可知，在試驗工況下裝有兩種不同葉頂間隙壓氣機時CO2排放量差別不超過1%，即壓氣機葉頂間隙對CO2排放量基本無影響。

3 結論

1）與D19發動機聯合運行時，小葉頂間隙壓氣機工作效率比大葉頂間隙壓氣機高約3%，高效區域范圍也較之大。

2）裝有小葉頂間隙壓氣機時，發動機進氣流量增大，最大增幅為6%；進氣中冷后溫度有所降低，最大降幅為19%；葉頂間隙對排氣背壓基本無影響。

3）外特性工況下，相對于大葉頂間隙壓氣機，匹配小葉頂間隙壓氣機時發動機動力輸出增幅達2%；葉頂間隙對比油耗基本無影響。

4）匹配小葉頂間隙壓氣機時，NOx體積排放量減少，最大降幅為15%；THC體積排放量增加，最大增幅為100%；葉頂間隙對CO、CO2的排放基本無影響。

1Luttermann C，Mahrle W.BMW high precision fuel injection in conjunction with twin-turbo technology：a combination for maximum dynamic and high fuel efficiency[J].SAE Paper 2007-01-1560

2Ghaemi M H.Changing the ship propulsion system performances induced by variation in reaction degree of turbocharger turbine[J].Journal of Polish CIMAC，2011（6）：55~70

3 Uekusa T，Nakada T，Ishikawa N，et al.Emission reduction study for meeting new requirements with advanced diesel engine technology[J].SAE Paper 2005-01-2143

4Wetzel P.Downspeeding a light duty diesel passenger car with a combined supercharger and turbocharger boosting system to improve vehicle drive cycle fuel economy[C]. SAE Paper 2013-01-0932

5李博，樓狄明，譚丕強，等.增壓器結構參數對非道路直噴式柴油機排放性能的影響[J].內燃機工程，2008，29（3）：52~55

6Denton J D.The 1993 IGTI scholar lecture：loss mechanisms in turbomachines[J].Journal of Turbomachinery，1993，115（4）：621~656

7McNulty G S，Khalid S A，Decker J J，et al.The impact of forward swept rotors on tip clearance flows in subsonic axialcompressors[J].Journal of Turbomachinery，2004，126（4）：445~454

8Khalid S A.The effects of tip clearance on axial compressor pressure rise[D].Massachusetts Institute of Technology，1995

9Pampreen R C.Small turbomachinery compressor and fan aerodynamics[J].Journal for Engineering for Power，1973，95（3）：251~256

10張楚華，王寶潼，欒輝寶，等.葉頂間隙對離心葉輪氣動性能影響研究[J].流體機械，2006，34（12）：13~16

11 Okita K，Ugajin H，Matsumoto Y.Numerical analysis of the influence of the tip clearance flows on the unsteady cavitating flows in a three-dimensional inducer[J].Journal of Hydrodynamics，Ser.B，2009，21（1）：34~40

12 Inoue M，Kuroumaru M，Yoshida S，et al.Effect of tip clearance on stall evolution process in a low-speed axial compressor stage[C].ASME Turbo Expo 2004：Power for Land，Sea，and Air.American Society of Mechanical Engineers，2004：385~394

13高學林，袁新.多級軸流壓氣機間隙流動數值模擬[J].工程熱物理學報，2006，27（3）：395~398

14郭宮達，張揚軍，徐建中，等.葉尖間隙分布對內燃機增壓壓氣機性能影響[J].航空動力學報，2010，25（3）：549~ 556

15 Wu C W，Chen R H，Pu J Y，et al.The influence of air–fuel ratio on engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol–gasoline-blended fuels[J].Atmospheric Environment，2004，38（40）：7093~7100

The Effect of Tip Clearance of Turbo Compressor on the Performance of Diesel Engine

Lou Diming1，Lin Haoqiang1，Shao Cong1，Wang Zhihong2，Xu Ning1
1-School of Automotive Studies，Tongji University（Shanghai，201804，China）2-Ningbo Weifu Tianli Turbocharging Technology Co.，Ltd.

Based on two different tip clearances of compressor，this paper analyzed the effect of tip clearance on the performance of turbocharger such as efficiency，pressure ratio，flow，etc.，and the performance of engine such as power，fuel consumption，emission，etc.The results indicate that under the same conditions，the efficiency of the compressor with a smaller tip clearance is about 3%higher than that of the other compressor and the flow of compressor with a smaller tip clearance is at most 6%larger than that of the other.When the engine equips with the compressor with a smaller tip clearance，inlet flow rate increases by 6%and the temperature of inlet flow decreases by 19%.Dynamic of the engine is 2%higher and the emission of NOxis about 15%lower but the emission of THC is at most 100%higher.Tip clearance has no effect on the emission of CO and CO2and fuel consumption.

Diesel engine，Compressor，Tip clearance，Performance

TK427

A

2095-8234（2014）06-0001-06

2014-09-12）

上海張江國家自主創新示范區專項發展資金重點項目（2011GX05D04951）。

樓狄明（1963-），男，博士，教授，主要從事柴油機的結構設計與性能優化研究。