內燃機流動熱力學與渦輪增壓技術研究

摘要：隨著人們生活水平的不斷提升，汽車開始走進了人們的日常生活，這個汽車行業的發展帶來了重要的動力。可持續發展理念是當前社會發展過程中主要踐行的理念之一，汽車行業也開始在汽車制造過程中應用該理念，落實節能減排的政策要求。內燃機流動熱力學可以有效解決這一問題，促進了渦輪增壓技術的不斷發展，可以滿足我國能源和環境發展戰略需求。基于此，本文分析了內燃機流動熱力學的概念，探討了國內外渦輪增壓技術研究現狀，并提出了內燃機流動熱力學的研究重點，以期可以為后續研究工作的開展提供有效參考。

關鍵詞：內燃機;流動熱力學;渦輪增壓技術

中圖分類號：O414.19 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0035-02

0 ?引言

熱機全稱謂熱能動力機械，可以將燃料燃燒熱能轉化為機械動力，包括內燃機、蒸汽輪機以及燃氣輪機，其中內燃機屬于復試動力機械，會在封閉氣缸的內部完成熱能轉化，以往在對內燃機進行性能研究時將“油”作為研究核心，將燃燒學作為研究理論基礎。燃氣輪機以及蒸汽輪機屬于葉輪動力機械裝置，會在開放式通流系統中完成熱能轉化，這一過程屬流動熱力過程，“氣”是該類裝置的研究核心，研究理論基礎為流動熱力學。渦輪增壓內燃機將兩種不同類型的熱機進行了結合，在內燃機工程中開始應用了氣動熱力學理論，從而發展成為了內燃機流動熱力學，對內燃機的循環熱力過程所體現出的規律進行研究，并探討這一規律對內燃機性能指標帶來的影響。渦輪增加技術的發展和流動熱力學之間有著緊密的關系，當前在內燃機技術研究中開始重視向著節能和減少二氧化碳排放的方向發展，擴大了流動熱力學的應用范圍。

1 ?內燃機流動熱力學概念分析

內燃機流動熱力學研究的內容包括內燃機壓縮、膨脹、加熱以及放熱等過程，是保證發動機可以有序運行的重要基礎，是當前熱機氣動熱力學的主要研究方向。渦輪增壓技術是發展這一學科的技術基礎，可以有效推動內燃機工程的發展，兩者之間呈現為相互促進的關系。隨著多種學科不斷進行交叉，數學學科、物理學科以及化學學科的知識進行了充分的融合，加之實驗技術和模擬技術快速發展，給熱力學的發展提供了重要助力。近年來內燃機流動熱力學經歷了三個發展過程：①在渦輪增壓的問題基礎上開始對中冷以及余熱利用進行深入的研究，同時還包括了氣缸內部熱力過程流動等研究內容[1]。②在研究方法上開始使用先進測量技術以及流場顯示技術，常見的包括LDV技術和PIV技術，促使其實驗面貌出現了根本的變化，揭示了復雜流動機理。③在信息時代下計算流體力學技術發展速度不斷加快，在內燃機內部進行流動的數值模擬開始向著多維非定常模擬轉化。以往在研究過程中將增壓器內部流動機理作為主要的研究內容，在現在的研究活動中則重視流場結構給內燃機循環熱力以及內燃機應用性能帶來的影響，同時還結合了電控技術，研發出了內燃機流動的主動控制技術和被動控制技術。內燃機渦輪增壓技術的應用符合節能減排理念，是該領域主要研究內容。

2 ?國外渦輪增壓技術研究現狀和趨勢

2.1 渦輪增壓器氣動設計研究

隨著科技水平的不斷提高，內燃機渦輪增壓的實際性能水平也有大幅度提高，而這一進步則要依賴于渦輪增壓器氣動設計水平的提升。渦輪增壓器氣動設計經過了3個發展階段，在1950年左右使用一維設計方法，在這一階段認為流場參數的變化范圍僅僅局限于軸向位置。在1960年到1970年之間開始使用二維設計方法，發現流場的軸對稱特征，吳仲華提出了S1和S2相對流面理論，這位后續三維設計方法的發展和應用提供了重要的理論支持。現代社會計算機技術發展水平持續提升，給計算流體力學的發展提供了技術支持。在1980年左右國外研究出了離散方法、網格生成方法以及求解方法，并且理論體系較為完善，對于渦輪增壓器內旋渦分離流動數值模擬來講其主要的難題是湍流模型。湍流模型可以滿足內燃機共處應用需求，讓全三維定常N-S方程組變為現實，且提高了其實用性，從而形成了能夠進行渦輪增壓器數值模擬的程序。

渦輪增壓器和流場測量技術的研究目前已經呈現了質的飛躍，在各種現代化技術的影響下可以利用新的方式開展渦輪增壓器實驗，例如動態傳感技術、計算機和虛擬測試技術，使其速度大幅度提高，改變了靜止的狀態。在持續發展過程中渦輪增壓器設計系統已經進入到了全三維的階段，可以利用數值樣機的方式進行優化，不需要在優化設計階段進行物理樣機試制，減少了研制的時間和研制成本[2]。

2.2 變截面、兩級以及高增壓技術研究

在國際社會上內燃機增壓性能指標持續上升，變截面增壓產品和兩級增壓系統產品都已經逐漸商品化，單機增壓比已經超過了5，高增壓技術進入到了嶄新的階段，即跨聲速壓氣機時代。取得這種成績的原因在于渦輪增壓器內部流動理論研究不斷加深，相應的設計技術、研制技術以及試驗技術得到了改進。渦輪增壓器內部旋渦分離流動生成過程、發展過程、演化過程和旋渦以及主流流動和壁面邊界層間所存在的作用關系，會給流場的特性和增壓器使用性能帶來決定性的影響。因此對其進行研究是極其必要的，會給增壓器的使用穩定性和效率造成重要影響[3]。

變截面、兩級以及高增壓技術在研究過程中都面臨著較為相似的問題，其難點均是葉片通道內部具有流動非線性、非定常性，并且旋渦的內部結構極其復雜，增加了研究難度，給研究活動帶來了重要的挑戰。旋渦分離流動會給增壓器效率和內燃機裝置整體性能帶來影響，會使得增壓系統氣動設計難以有效匹配流場。如果仍然使用準三維半經驗設計體系無法滿足實際的工作續期，物理樣機循環優化設計難以滿足增壓技術的研究趨勢。以實驗數據庫以及CFD為基礎的全三維氣動設計技術可以保證氣動設計以及流場之間的匹配性，對增加技術的研究以及相關產品開發有著極大的促進和推動效果。

2.3 渦輪增壓和縮小排量研究

當前我國交通行業發展速度不斷提升，在交通方面能量消耗極大，在我國整體能源消耗中占7%到8%，發達國家的比例甚至已經達到了30%[4]。隨著城鎮化進程的持續推進，其交通能耗占比也有所提升。交通行業所消耗的主要能源類型為油，我國雖然油田開發數量較多，但是石油資源仍然呈現出短缺的現象，難以滿足市場上對于石油的需求，使得市場上出現了嚴重的石油資源供需矛盾。溫室效應是全球每個國家都需要重視的環境問題，我國二氧化碳的排放量不斷增加，而交通行業則是二氧化碳排放的主要來源。交通設備的主要動力是內燃機，因此要想控制交通行業的能耗必然要對內燃機進行改進，在渦輪增壓技術的影響下可以保障動力水平不變的基礎上減少排量，提升內燃機經濟性，減少二氧化碳的排放總量。因此在提高內燃機節能效果的過程中開始重點對渦輪增壓技術進行研究，是落實減少二氧化碳排放量的核心措施[5]。

3 ?國內渦輪增壓技術研究

當前我國國內對于渦輪增壓技術的研究也在不斷深入，負責研究該項內容的機構也有所增加，主要的研究單位包括清華大學、上海交大以及北京理工。其中中國北方發動機研究所是最早對內燃機渦輪增壓技術實施研究的單位，當前已經開發出了多個不同系列的產品，在國內該領域的研究中始終處于領先的位置。北京理工和上海交大是研究渦輪增壓技術最早的高等院校，前者研究學科涵蓋了流動熱力以及結構動力，在工程開發中對壓氣機、渦輪系統、軸承系統進行了有效研究，學科齊全，具有較好的工程化能力。后者則重點研究增壓系統以及匹配，其在增壓內燃機進排氣系統的研究過程中處于先進位置。

4 ?重要科學問題和重點研究內容

當前全球渦輪增壓器的產量持續提升，已經超過了3000萬臺，并且增長的主要是汽油機增壓。汽車行業具備全球化特點和品牌化特點，汽油機和柴油機的增壓相比具有不同的特點，國內企業必須要加快在汽油機增壓方面的研究，才能夠形成完善的品牌體系和技術體系[6]。

4.1 增壓總能系統以及高效熱功轉換

熱機研究已經經過了3個不同的階段：在第1代研究中將熱力學第一定律作為研究基礎，為了提升熱效率，選擇改善不同部件的性能水平，調整循環熱力參數，構建循環優化“鏈式串聯”。在第2代研究主要針對總能系統進行研究，在熱力學第一定律和熱力學第二定律的基礎上，對能源進行梯級利用。在第3代研究中將可持續發展作為主要的概念基礎，將研究內容和環境、能源進行了結合。近年來內燃機動力渦輪余熱利用是熱點研究內容，這也間接的提高了對內燃機流動熱力學的研究要求，因而也需要對新技術問題實施研究。從總能系統聯合循環的方面進行分析，發動機進氣到排氣的過程中各種結構之間會出現非線性的相互作用，同時將不同的循環進行結合，可以有效促進新技術研究速度的提高。

4.2 增壓器與動力渦輪內部流動

我國雖然已經加大了增壓器的研究力度，但是和國際仍然有較大的差距。首先在理論研究方面存在一定的問題，使得工程技術水平較低，其次，在研究中重點對內燃機進行整體的性能測試，忽視了內燃機內部機理各個小點因素帶來的影響，沒有對內燃機內部結構有充足的認知[7]。除此之外，追求單機效率或者追求單級效率會讓相關人員不再重視系統的運行情況，在進行內燃機設計時只是將單個設計點作為重點。在現代研究情況下增壓器設計和動力渦輪部件設計的發展方向為高效率、高壓比、優良性能，可以為內燃機發展提供重要動力。國內在研究過程中應當積極吸收國外的先進研究經驗，從而優化設計方法，突破現存的增壓器研究局限性。

5 ?結束語

當前在內燃機流動熱力學的研究過程中將其循環熱力過程流動規律以及給內燃機性能帶來的影響作為研究要點，這也為渦輪增加技術的研究提供了重要的基礎。渦輪增壓技術和動力渦輪余熱利用技術是減少交通行業能源消耗、減少二氧化碳排放的重要手段和核心技術。在創新渦輪增壓技術時需要依靠流動熱力學的研究進展，需要重點對這一學科展示深入研究，以此來促進增壓技術水平的不斷提高，滿足國民經濟發展需求，落實節能減排的發展理念。

參考文獻：

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[3]劉紅彬，桂勇，駱清國，等.高功率密度柴油機不同增壓系統方案性能比較研究[J].兵器裝備工程學報，2020，41（10）：112-116，145.

[4]楊珍帥，王煥然，李瑞雄，等.內燃機增壓-壓縮空氣儲能冷熱電聯產系統[J].儲能科學與技術，2020，9（06）：1917-1925.

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[6]李國琳，孫永華，李希朝，等.內燃機流動熱力學與渦輪增壓技術研究[J].內燃機與配件，2018（10）：93-94.

[7]蔡宸祿.試論內燃機流動熱力學與渦輪增壓技術[J].內燃機與配件，2018（13）：88-90.

作者簡介：劉星（1990-），女，河南南陽人，助教，碩士，研究方向為機械工程。