內燃機流動熱力學與渦輪增壓技術研究

黃 光

(南寧康樂股份有限公司，廣西南寧530011)

0 引言

隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，汽車已走進了千家萬戶，這對我國汽車工業的發展是一個機遇，但更多的是挑戰。如何解決好發展中的能源與環境問題是當前汽車工業面臨的主要難題。在能源與環境的雙重壓力下，我國在機用內燃機的開發和研究上引進了許多先進的技術，其中渦輪增壓技術可以有效地改善內燃機的燃油經濟性，降低廢氣污染的排放，大幅度提高內燃機的經濟性，減少CO2排放，這是節能減排的重點，也是保護環境的必須。

1 內燃機流動熱力學概念解析

內燃機流動熱力學主要研究內燃機的壓縮、膨脹、加熱、放熱等循環熱力過程的流動規律，是發動機正常運行和運轉的保證基礎，也是我們進行熱機氣動熱力學的研究方向。渦輪增壓技術是一項新技術，也是發展內燃機流動熱力學的基礎。在促進氣動熱力學在內燃機工程中的應用方面，渦輪增壓技術的應用與發展起到了很大的推動作用。總體上看，內燃機流動熱力學的理論研究和渦輪增壓技術的發展是相互促進的。

目前，內燃機流動熱力學已經有了很大的發展。隨著數學、物理、化學等學科的交叉和融合，實驗、模擬技術的發展，又不斷促進了熱力學的發展。內燃機動力渦輪余熱的利用技術和內燃機的渦輪增壓技術已經成為節能減排的關鍵技術，影響著內燃機流動熱力學的研究，并將對下一步的研究和應用起到至關重要的作用。

2 國內外研究現狀與發展趨勢

2.1 國外渦輪增壓技術的研究現狀

2.1.1 渦輪增壓器氣動設計

渦輪增壓氣動設計到目前為止經歷了4 個階段:20 世紀50 年代認為流場參數只在軸向發生變化，采用的是一維設計方法，造就了第一代發動機的生成;20 世紀60—70 年代認為流聲具有軸對稱的特點，采用二維設計方法，造就了第二代發動機的生成;20 世紀70 年代，我國的科研人員吳仲華創立了S1、S2 兩類相對流面理論，從理論上指導了準三維設計方法的研究;20 世紀80 年代，計算機技術迅速崛起，計算流體力學在離散方法、網格生成以及求解方法等方面取得突破性進展，渦輪增壓器內部旋渦分離在計算機模擬技術下已初步形成了湍流模型，使得全三維定常成為可能，并投入應用，這也同時意味著三維設計方法的確立。

2.1.2 變截面、兩極和高增壓技術

這幾年來，滿足于歐四以上排放的變截面增壓和兩極增壓系統的產品已經進入市場，高增壓技術也跨越到跨聲速壓氣機的時代。但是在研究時，葉片通道內部的流動非線性和非定常性及旋渦結構的復雜性已成為變截面增壓、兩極增壓和高增壓技術中存在的共同難題。原來的準三維半經驗設計體系已跟不上現在技術發展的需要，變截面增壓、兩極增壓的技術對物理樣機的循環優化設計要求也越來越高。由于受CFD 的全三維氣動設計技術和實驗數據庫更新的影響，變截面增壓、兩極增壓和高增壓技術的研究已有了很大的發展。

2.1.3 動力渦輪余熱利用

美國環境保護局對汽車行駛能量進行了分配試驗，如圖1所示。

因為在能量轉化過程中功率傳動有損失，如果把燃料的總熱能設為100%，輸出功率只為總熱能的20% ～25%，而驅動功率僅為12% ～15%，通過對比就可知道損失的熱能有多少。汽車內燃機余熱是一個巨大的能量源，急需開發利用，利用好這部分余熱，才能達到節能目的。余熱動力渦輪發電技術能夠把發動機余熱充分利用，可以大大拓寬內燃機流動熱力學的研究和應用范圍。

2.2 國內研究現狀與基礎

2.2.1 國內增壓技術研究現狀

我國汽車工業起步較晚，但是發展速度很快，研究內燃機渦輪增壓的單位主要有中國北方發動機研究所、北京理工大學、上海交通大學和清華大學等。其中中國北方發動機研究所是國內最早開展內燃機渦輪增壓技術研究的單位之一，已開發研究出20 多個渦輪增壓器產品，在國內處于領先水平。上海交通大學和北京理工大學是最早進行渦輪增壓技術研究的兩所重點高校。北京理工大學在學科設置上已包括了流動力學、物理學、結構動力學等方面的內容，還有壓氣機、渦輪及軸承系統的開發等工程開發項目，在國內高校中具有突出的特點和優勢。上海交通大學則側重于研究內燃機增壓系統及匹配;高增壓在增壓內燃機進排氣系統的整機優化，這在國內也居于領先水平。清華大學側重于航空領域，對于內燃機CFD、渦輪增壓及余熱利用進行研究;對于內燃機增壓等方面有獨特的研究;在內燃機流動熱力學與渦輪增壓的基礎理論方面具有特別的研究優勢。

圖1 汽車行駛能量分配試驗

2.2.2 相關課題研究現狀

我國內燃機變截面增壓、兩級增壓和高增壓技術的研究和開發還處于起步階段，從總體上來說與國際先進水平還有一定的差距，所以加強研究和開發及與國際的合作是重中之重。973 課題中，由清華大學牽頭研究的內燃機流動熱力學基礎理論和渦輪增壓技術，旨在探索高增壓性能的新方法，從理論基礎上指導并推動我國高增壓技術的研究。由中國北方發動機研究所牽頭研究的以某型兩級渦輪增壓器產品開發，是一項國際合作課題，有利于提高我國增壓技術革新的研究水平，有利于推動我國新一代增壓器產品的開發和應用。

3 渦輪增壓中的關鍵問題

對流動熱力學的研究是內燃機渦輪增壓關鍵技術突破創新點。因此“內燃機流動熱力學”是內燃機渦輪增壓的技術攻關的研究重點。

3.1 增壓總能系統與高效熱功轉換

隨著變截面增壓、兩級增壓、高增壓技術的出現及渦輪余熱技術的研究，對出現的需要解決的新問題，即內燃機流動熱力學的研究提出了更高的要求。在研究發動機壓氣機、氣缸、渦輪復雜流動的非線性相互作用時，可以從總能系統聯合循環角度來研究，內燃機高效熱功之間的轉換可以在不同循環的有機結合中得以實現，從而提高總能利用率，推動新一代渦輪技術的研究和產品的開發。

3.2 中冷器及回熱器流動與熱力循環

目前，對增壓中冷器、余熱利用回熱器等換熱器中的非定常、多相流動的基本規律進行了不斷地探究和認識，對降低流動阻力和強化傳熱的基本理論的理解也越來越深刻，尤其是中冷器及回熱器的流動與熱力循環是內燃機流動熱力學研究的新領域和新課題，更需要深刻探究。

3.3 增壓器與動力渦輪內部流動

增壓器或動力渦輪部件設計的發展方向是高效、高壓比、寬流量范圍。它是通過不斷引進、吸收并不斷融合利用國內外航空葉輪機非定常流動基礎理論、流動控制關鍵技術和全三維優化設計方法的最新研究成果，對我國在增壓器、動力渦輪的流動控制技術與氣動設計方面會有比較大的突破和進展。

4 結語

我國汽車工業起步晚，在內燃機渦輪增壓技術的研究上與國際先進水平還有一定的差距，特別是變截面增壓、兩級增壓等技術的研究和產品開發還處于起步階段。但是只要我們注重科技的攻關和技術的創新，并加強與國際間的合作，相信不久的將來，我國一定能夠自主研發出滿足國民經濟發展需要和節能減排的增壓技術，以適應我國經濟的飛速發展。

［1］陳紅.汽油機廢氣渦輪增壓技術的研究及發展前景［J］.內燃機，2008(1).

［2］周廣猛，郝士祥，周平，等.改善渦輪增壓內燃機低速扭矩性能的技術措施［J］.內燃機與動力裝置，2010(3).

［3］楊建坤.利用EGR 技術降低渦輪增壓內燃機排氣污染的研究［D］.天津:天津大學，2007.