可变有效截面膨胀废气涡轮增压器压气机特性曲线场
1?动机
为了满足当前和未来的尾气排放标准，现有技术倾向于实现发动机的小型化，即在保持功率水平不变的情况下，借助废气涡轮增压器(德语缩写为ATL)降低排量，开发小排量汽油机显然有利于降低成本。
由于汽油机的转速范围和质量流量范围较大，因此需要增加废气涡轮增压器压气机的稳定工作范围，从而在不降低发动机最大功率的情况下，提高低速和扭矩下的增压压力。为了扩大和稳定压气机的工作范围，首先在废气涡轮增压器的热气试验台上按照要求的工艺循环(图1)对扩展特性曲线场潜力的措施进行试验研究，使极其有效的措施在发动机试验台上得到验证。
2?方案开发和预先研究
在废气涡轮增压器转速不变的情况下，压气机的质量流量取决于叶轮的最窄截面和进出口截面积之比(调谐)，其最小质量流量是在质量流量较小时压气机工作不稳定造成的。当质量流量较小时，叶轮前缘的轴向速度分量会减小，使冲角增大，导致压气机叶轮内的流动分离，从而引起压气机喘振。外叶片顶部的流入和回流影响流动分离，并降低压缩机叶轮中的能量转换和压力建立过程。压气机出口气流角的减小会使气体在扩压器内的流动路径变长，增加摩擦损失，降低动能。如果动能大大降低，流动就会分离，在扩散器中会形成分离的气泡。
为了稳定和扩大压缩机的运行范围，对于压缩机的应用有相应的入口导向措施，例如可变的、可切换的或固定的导向叶片。这些进口导向措施可以是有轮毂体、环形挡板或根本没有轮毂体的结构型式，其中压气机流动的可变进口导向叶栅可以形成预旋，通过调节速度条件可以实现叶片前缘无冲角流动。
另一种可用于扩展压气机特性曲线区域的有效措施是改变进口截面。减小进口面积有助于提高低质量流量下的压气机流动稳定性，从而提高发动机低转速下的最大扭矩(扭矩曲线的转角扭矩)。作为附加措施，可以通过完全改变扩压器来提高流速和降低压力，使通过扩压器的流路更短，最终降低摩擦损失。
图2示例性地示出了用于测试组件的相关设备。进气喇叭口、进气挡板和进气导叶栅的改造方案应进行有无环形挡板的试验。在保持叶轮进口截面不变的情况下，进口喇叭口方案与压气机壳体进口直径有关，进口直径的增大会使特性曲线场向质量流量较小的方向移动。随着质量流量和转速的增加，压比会相对变小，特别是在高质量流量和转速的情况下，压气机的效率会随着进口直径的增加而降低。对于所有的结构构型(不同的进口导向叶栅角度)，进口导向叶栅带和不带环形挡板都会使特性曲线场向更小质量流方向移动，但这些结构构型的比较表明，向更小质量流方向移动的效果并不显著，因此可能的变化不会表现出显著的技术潜力，进口导向叶栅的使用会产生额外的损失，导致压力降低。
入口挡板的预试验表明，由于入口面积的减小，喘振极限明显向质量流量较小的方向移动。轴向速度的增加使流动趋于稳定，但入口面积的减小也会在较高的质量流量下引起明显的压力下降，在较低的速度下随着入口面积的减小效率会增加。
3?系统调查
基于预试验的认识，在发动机试验台上对不同进口直径的可变进口挡板的技术潜力进行了试验。测试发动机采用4缸1.4？l汽油机，其增压方案是由带废气排放阀的涡轮增压器组成，应用扫气换气方式，使额定功率达到110？KW同时增加低速范围内的扭矩(低端扭矩，英文缩写LET)。实验测试中使用了柴油发动机中使用的可变几何涡轮(VTG)和预测试压缩机(图3)。为了扩大小质量流量下的特性曲线场，充分发挥涡轮的工作能力，有必要采用VTG涡轮。因为压气机进口流通截面减小，量产发动机低速时的最大扭矩不是靠扫气换气实现的。图4显示了压缩机入口横截面相对于参考方案减小到50%。还是75%？在发动机测试台上测得的压气机特性曲线场如左图所示，扭矩-转速曲线如右图所示。在标有星号的工作点检测到压缩机喘振，这表示对于75%？该方案的喘振极限向更小的质量流量移动，这种更高的压气机压比可以提高LET范围内的扭矩，当发动机转速为1？500?转/分钟时扭矩可增加20左右。n·m并达到170？n·m .与基准方案相比，通过将压气机进口截面减小到50%，喘振极限将移动得更明显。有了这个方案，在不使用扫气发动机的情况下，转速可以达到1。500?转/分的扭矩达到250？n·m，比基准方案高67%。在这种情况下，压缩机的最大压力比不受喘振极限的限制，而是受涡轮或发动机250？受最大扭矩n·m的限制。
4?制作模型
这种变几何涡轮常用于柴油机，所以为了保护零件，在满负荷时通过添加浓混合气将排气温度限制在820℃。为了全面评价发动机运行时的可变进气膜片，建立了试验发动机的1D模型，并进行了验证。综合热气台架和发动机台架的测量结果可以得到压气机特性曲线场，并成为仿真计算的输入，其中发动机台架上测得的特性曲线场覆盖了小质量流量压气机的喘振极限，而热气台架上测得的特性曲线场覆盖了大质量流量压气机的工作范围，直至被堵塞极限所限制。图5示例性地示出了两种压气机进口截面积方案的模拟特性曲线场及其工作点曲线，其中参考方案的压气机特性曲线场以绿色示出，大约覆盖0.15？质量流量范围为kg/s。为了在LET范围内建立更高的压力，压缩机的质量流量小于0.05？在kg/s的情况下，压缩机叶轮的入口和出口横截面积的比率被转换成更小的比率，如图5中的蓝色所示。该方案可以通过按需改变压缩机的入口截面并放弃扫气和通风来提高压缩机的效率，因此可以提供减少CO2排放并相应提高性能的潜力。使用单级增压可以达到的质量流量范围可以扩展到这个值，否则必须使用两级增压，所以可以使用可变进气膜片来提供增压单元可以达到的工作范围。用单级增压方案代替两级增压，可以降低调整成本和费用，并在外观和尺寸上提供优势。
5?结论
减小废气涡轮增压器压气机的进口截面，可以使喘振极限向小质量流量方向移动，从而提高发动机低转速范围内的压气机压比，从而提高发动机所能达到的扭矩。根据工作点改变压气机进口截面的策略可以显著提高单级增压方案的性能，并且通过将压气机最佳效率区域连续移动到发动机工作范围可以降低CO2排放。
作者:[德]J .弗林特等人。
整理:范强明？
编辑:伍斯特
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