柴油机高原适应性研究及压气机流场分析

2021-10-19刘应材雷基林申立中邓晰文宋国富

内燃机工程 2021年5期

刘应材，雷基林，申立中，邓晰文，宋国富，刘康

(1.昆明理工大学云南省高原排放重点实验室，昆明650500；2.昆明云内动力股份有限公司，昆明 650200)

0 概述

中国高原地区面积辽阔，海拔高且海拔变化范围大，柴油机作为重要动力源，在高原地区经济发展、交通运输与国防建设中起着重要的作用。随着高原地区经济发展与排放法规的加严，要求柴油机具有高性能及较好的高原适应性。高原环境大气压力与温度较低，空气稀薄，进气量不足，空燃比下降，燃烧恶化，是造成高原柴油机综合性能下降的主要因素[1-2]。涡轮增压技术能增大高原环境下进气量，改善柴油机高海拔工作性能，有利于提高柴油机高原适应性。平原工况下匹配的涡轮增压器在高海拔工况下能量分配不合理，增压匹配特性失衡，造成柴油机性能恶化及适应性较差等问题，需要开展增压柴油机高原适应性研究。

改善高原柴油机的性能，可以提高柴油机高原适应性。高原环境空气稀薄，进气量不足且含氧浓度低，油气混合较差，是导致柴油机高原适应性较差的主要原因。因此，改善柴油机性能的研究工作主要从增加进气量、提高氧浓度及研发含氧替代燃料等方面进行。增压技术对高原柴油机增加进气量有一定补偿作用，是改善高原柴油机性能的有效手段之一。文献[3]中在2 000 m海拔下兼顾平原与 4 000 m 海拔性能进行增压匹配，使海拔2 000 m和 4 000 m 的最大转矩降幅为2.59%和7.19%，柴油机的高原适应性较好。文献[4]中采用可调涡轮增压系统，在 4 000 m 海拔下柴油机各转速工况的功率较平原环境降幅度均不到4%。文献[5]中采用双增压器解决柴油机低速喘振、高速超速问题，4 500 m海拔下最大转矩与最大功率为平原的93.2%与76.3%。增压技术在一定程度上改善了柴油机的高原性能，但其自补偿能力无法弥补高原环境变化带来的损失，导致柴油机压气机压比及效率下降，最大转矩对应转速向高转速移动，动力性及经济性下降，需要进一步开展增压柴油机高原适应性研究。

涡轮增压器的核心部件是离心压气机，其高海拔性能对柴油机的综合运行性能有重要影响[6]。高原环境下压气机稳定工作流量范围向小流量范围方向偏移且减小，增压迟滞明显[7]，大气压力和温度降低，雷诺数减小，影响离心压气机内部流体流动，叶片前缘流动分离现象明显，二次流增强导致叶轮做功能力下降[8]。文献[9]中的研究结果表明：高原环境下，压气机等转速工况下压比上升，叶片前缘激波损失与间隙流损失加剧导致其效率下降。文献[10]中研究表明：5 500 m海拔下，近堵塞工况压气机叶轮几乎失去增压能力，近壁面区流动混乱，叶表分离现象加剧；压气机工作裕度减小11.35%，最大压比与最高效率下降2.09%与2.45%。文献[11]中研究显示：海拔5 500 m条件下，离心压气机叶轮主叶片及分流叶片前缘前掠，压气机压比、效率及流量范围提高，叶轮内部流动损失明显减少，改善了柴油机中低转速性能；叶轮主叶片泄漏涡出现在叶片50% 弦长之后，叶顶泄漏有所减少，使得低能流体对于主流的影响降低，损失减小。文献[12]中研究表明：压气机进口温度条件对压气机性能影响较小；高原环境压气机内部静压比变化梯度下降，叶顶间隙流强烈，边界层厚度增大，流动损失加剧。高海拔工况下，压气机流动损失增大，导致压气机性能下降，因此改善压气机性能有助于提高柴油机高原适应性。

综上，平原工况匹配的涡轮增压柴油机不能满足高海拔工况性能要求，适应性差，需对其进行优化设计，改善高原性能，提高适应性。以某非道路小型增压柴油机为对象，研究柴油机性能及压气机端各参数随海拔的变化关系，为优化设计提供参考。以压气机流场分析为主，研究压气机在不同海拔下的流动状况，分析了压机效率下降的原因。本研究可为探究压气机流场控制措施及压气机性能优化提供参考。

1 增压柴油机高原适应性研究

1.1 仿真模型建立

以某非道路小型涡轮增压柴油机为研究对象，其主要参数如表1所示，柴油机最大转矩为145 N·m，标定功率为40 kW。基于该柴油机各零部件结构参数及性能参数建立如图1所示增压柴油机仿真计算模型。

表1 发动机主要技术性能参数

图1 小型涡轮增压柴油机仿真计算模型

在仿真过程中，假设工质为理想气体，气体的流动过程为准稳态过程，气缸内的工质混合均匀且燃烧完全。采用第一类边界条件对管路传热进行计算，不考虑气体在高温时的离散作用。

1.2 试验验证

在近2 000 m海拔下，采用WE31N水涡流测功机、FCMA油耗仪、EIM609测控系统等设备进行外特性试验。该小型涡轮增压柴油机标定工况缸压试验值与仿真值对比见图2，外特性工况试验值与仿真值对比见图3。由图可知，2 000 m海拔下，该柴油机的功率、转矩、有效燃油消耗率、增压压力与缸内压力的仿真值与试验值的趋势基本一致。柴油机的最大缸内压力的试验值与仿真值的误差为1.35%。高转速下，功率、转矩、燃油消耗率与增压压力外特性曲线基本重合，误差较小。在中低转速下，仿真值与试验值之间的误差在允许的范围内，说明该小型涡轮增压柴油机仿真计算模型有较好的准确性，能够表征该柴油机外特性工况下的性能，可以用于不同海拔下外特性工况计算。

图2 柴油机标定工况缸压曲线

图3 2 000 m海拔下柴油机外特性试验值与仿真值对比

1.3 高原适应性分析

1.3.1 高原环境对增压柴油机性能的影响

图4为柴油机功率、转矩与有效燃油消耗率随海拔变化关系。由图4可知，相同转速下，随着海拔升高，功率、转矩下降，有效燃油消耗率升高，柴油机动力性经济性变差。在0 m海拔下，柴油机的标定功率为40 kW，最大转矩为145 N·m，满足设计目标，且最低有效燃油消耗率为218.6 g/(kW·h)。随着海拔升高，标定功率减少4.72%、15.03%、21.15%，最大转矩减少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，柴油机功率、转矩降幅较小；在2 000 m海拔以上，功率、转矩降幅较大。即在高原环境下，该非道路增压柴油机的动力性与经济性恶化，适应性较差，需要在高原环境下对其动力性及经济性进行优化，提高高原适应性。

图4 海拔对柴油机功率、转矩和有效燃油消耗率的影响

1.3.2 高原环境对压气机端的影响

图5为不同海拔下柴油机与压气机匹配特性图。非道路柴油机主要在中高转速工况下运行，要求在柴油机中高转速下压气机性能最好。由图5可知，在不同海拔下，该柴油机中高转速工况的联合运行线向右上方偏移，穿过压气机高效率区域，且离堵塞线有一定距离，裕量较大，满足设计要求。低转速工况属于过渡工况，离喘振线较近，裕量不足，存在喘振风险。

图5 不同海拔下柴油机与压气机匹配特性图

图6为进气流量、增压压力及压气机压比随海拔变化关系。由图6可知，平原工况的进气流量较大，且进气流量随转速升高而增大。随着海拔升高，空气变稀薄，各转速下进气流量逐渐减小，低转速下进气量减小幅度较小，随着转速升高，进气量减少更明显，其中标定工况下进气流量随海拔升高依次减少13.8%、23.1%与30.6%。低转速下增压压力随转速升高而快速增大，当转速达到一定时增压压力增大趋势平缓，随着海拔升高，增压压力减小，说明涡轮增压器的增压效果不足以抵消高原环境压力下降带来的损失。由图6还可知，随着海拔升高，压气机压比增大。在相同海拔下，压气压比随转速增大而增大，在中高转速以后涡轮增压器逐渐接近其最高转速，而压气机叶轮做功能力也接近极限，故压比增大趋势较为平缓。

图6 海拔对进气流量、增加压力、压气机压比影响

图7为压气机效率随海拔变化关系。压气机效率是压气机的定熵耗功与实际耗功之比。由图7可知，压气机效率先增大后减小，在2 600 r/min达到最大。在相同海拔下，压气机效率先增大后减小：低转速工况下，压气机的实际耗功数值较小，定熵耗功增大，压气机效率增大；随着转速升高，压气机定熵耗功数值变化较小，实际耗功继续增大，效率降低。与平原工况相比，高海拔工况压气机定熵耗功较小，而实际耗功增加，压气机及效率随海拔升高而减小。

图7 压气机效率随海拔变化关系

2 不同海拔下压气机流场分析

高原环境下，涡轮增压能够增大进气量，改善柴油机高原性能。然而在高原环境下，增压柴油机压气机效率下降，增压效果不佳。文献[13]中的研究表明：高原环境下，压气机内部流体跨音速流动，存在激波与顶部间隙等多种损失，导致压气机效率下降。通过探究压气机流场控制措施优化压气机高海拔工作性能，提高增压柴油机高原适应性，需要对不同海拔下压气机流场进行分析，研究其效率下降的原因。

2.1 模型建立及边界条件

为研究压气机效率下降原因及压气机内部流体流动状况，基于不同海拔下外特性工况的仿真计算，确定标定工况下压气机进出口压力温度与质量流量等边界条件。基于该增压柴油机的涡轮增压器(叶轮结构参数如表2所示)，建立如图8所示压气机叶轮网格模型，进行不同海拔下压气机流场分析。

表2 压气机叶轮的基本参数

图8 压气机三维网格模型及拓扑结构

为了研究高原环境下压气机内部流动状况，选定柴油机标定转速(3 200 r/min)进行研究，采用压力进口边界条件和出口质量流量边界条件。基于不同海拔下柴油机外特性仿真计算确定压气机转速、进出口边界条件数值，湍流模型采用Shear Stress Transport(SST),传热设置为Total Energy，计算工质为理想气体，固壁面满足无滑移壁面，采用绝热壁面。求解设置采用物理时间步长，各项残差设置为10-5。

2.2 叶轮流场分析

图9为不同海拔下子午平均熵分布图。由图9可知，0 m海拔下子午平均熵值较小，高熵区域集中于叶顶间隙位置，范围较小。随着海拔升高，子午平均熵值增大，叶顶间隙位置高熵值区域由叶轮出口向叶片前缘提前，范围增大。叶顶间隙间的流动主要为泄漏流动，泄漏流越强，高熵值区域越大。熵增即压气机内部流动损失增大[14]，则叶顶间隙位置泄漏流是压气机叶轮内部流动损失的主要来源。0 m 海拔下压气机高熵值区域较少，叶顶间隙泄漏流弱，压气机损失较小；随着海拔升高，大气压力温度降低，雷诺数下降，高熵值区域提前及范围增大，叶顶间隙泄漏流增强，则压气机叶轮流动损失提前且增大。

图9 不同海拔下子午平均熵分布图

图10为不同海拔下子午平均总压分布云图。由图10可知，随着海拔升高，相对总压减小。叶顶间隙位置存在一定范围的低压区域，随着海拔升高，低压区向叶轮出口扩展，范围扩大。随着海拔升高，低压区的相对总压减小，叶顶间隙流加剧，并向叶轮出口发展，从而形成叶顶间隙及叶轮出口的高熵区，使叶轮内部损失增大。

图10 不同海拔下子午面总压分布图

图11为不同海拔下压气机的子午平均马赫数分布。由图11可知，压气机主叶片前缘存在高马赫数区域，属于跨音速流动区域。随着海拔升高，跨音速流动区域增大，且低速流动区域随海拔升高而减少。高原环境下，大气压力及温度降低，当地音速下降，因此随着海拔升高，压气机主叶片前缘存在跨音速流动，易产生激波损失[15]。

图11 不同海拔下子午马赫数分布图

图12为不同海拔下叶轮进口速度云图，叶轮进口周向速度在半径方向上的分布趋势与叶轮进口马赫数在半径方向上的趋势相同。随着半径增加，速度增大，其中主叶片吸力面前缘流速存在360 m/s以上跨音速流动区域，且随着海拔升高，跨音速流动区域增大。跨音速气流受到叶片高速旋转运动的干扰会产生激波，导致气流突然被压缩，造成摩擦损失与热传导损失，引起效率下降，因此叶轮内激波损失随海拔升高而增大。

图12 不同海拔下叶轮进口流速分布图

图13为不同海拔下90%叶高速度分布云图。由图13可知，主叶片吸力侧的跨音速流动区域及分流叶片压力侧与主叶片吸力侧间的低速流动区域随海拔的升高而增大。结合图11可知，叶轮进口跨声速主流经过主叶片前缘形成此区域的跨音速流动。跨音速主流沿流道向下流动时，受叶轮旋转运动干扰产生激波，导致其流动速度降低。主叶片叶顶间隙间泄漏流流动速度较低，且部分泄漏流经过分流叶片的叶顶间隙形成跨流道流动，速度进一步降低。叶顶间隙泄漏流与跨音速主流在分流叶片压力侧相遇，二者相互掺混，形成分流叶片压力侧与主叶片吸力侧间的低速流动区域。不同流速的流体相互混合产生掺混损失，随着海拔升高，跨声速流区域增大，激波损失增大，叶间隙间的总压相对较小，叶顶泄漏流加剧，掺混损失增大，跨流道流动加剧，二次流损失增大。

图13 不同海拔下90%叶高流速分布图

图14为叶轮出口截面熵的分布图。由图14可知，0 m海拔下压气机出口截面的熵增较小，随着海拔升高，熵增变大。主叶片吸力面存在范围较大的尾迹区域，尾迹区域大小及熵值随着海拔的升高而增大。随着海拔的升高，压气机中跨音速流的流动速度增大，主叶片叶顶间隙泄漏流加剧，部分泄漏流沿压气机旋转方向跨流道流动并发展到流道中间，尾迹区域及熵值增大。叶尖与轮缘之间高熵值区域随海拔升高而增大，且分流叶片的高熵区域大于主叶片。该区域熵增大主要是叶顶泄漏流动损失造成，海拔越高，叶顶泄漏流越强，流动损失越大。主叶片的部分流体跨流道流动流过分流叶片叶顶间隙的泄漏流及分流叶片吸力侧流体产生的泄漏流二者叠加，导致分流叶片泄漏流动损失大于主叶片泄漏流动损失，故分流叶片的高熵区域大于主叶片。