馬義， 宋濤， 史艷彬， 陳海娥， 竇慧莉

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心， 吉林 長春 130011)

非對稱雙流道渦輪增壓發(fā)動機的數(shù)值模擬

馬義， 宋濤， 史艷彬， 陳海娥， 竇慧莉

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心， 吉林 長春 130011)

利用GT-SUITE軟件建立了雙流道渦輪的物理模型，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)驗證了模型的計算精度?；谠撃Ｐ蛯Ψ菍ΨQ雙流道渦輪增壓器的性能、匹配方法和非穩(wěn)態(tài)特性進行了計算分析。研究結(jié)果表明：在相同EGR率條件下，非對稱雙流道渦輪增壓器比對稱雙流道渦輪增壓器具有更低的泵氣損失和有效燃氣消耗率；匹配大流通能力和小非對稱度的增壓器可進一步降低泵氣損失；非對稱雙流道渦輪增壓器在瞬態(tài)條件下的平均效率低于穩(wěn)態(tài)。

非對稱雙流道; 渦輪增壓器; 天然氣發(fā)動機; 廢氣再循環(huán)

中重型天然氣發(fā)動機采用稀薄燃燒路線達到歐Ⅴ排放標準。隨著排放法規(guī)日趨嚴格以及對發(fā)動機成本的考慮，國內(nèi)外大多數(shù)廠家在開發(fā)歐Ⅵ天然氣發(fā)動機時都選擇了當量燃燒路線，發(fā)動機成本遠低于稀薄燃燒路線。當量燃燒與稀薄燃燒相比，前者發(fā)動機缸內(nèi)熱負荷和爆震風(fēng)險大大增加，有效燃氣消耗率也差于后者。采用高壓冷卻EGR可以降低發(fā)動機缸內(nèi)熱負荷和爆震傾向，同時降低有效燃氣消耗率。與對稱雙流道渦輪增壓器相比，非對稱雙流道渦輪增壓器在不增加泵氣損失的前提下，可提供更高EGR驅(qū)動壓差，從而提升發(fā)動機EGR率。目前對于非對稱雙流道渦輪增壓器的研究僅有少量報道[1-3]，本研究采用GT-SUITE軟件建立了基于物理結(jié)構(gòu)的雙流道渦輪模型，與發(fā)動機模型進行聯(lián)合計算，就非對稱雙流道渦輪增壓器的工作特性展開深入研究。

1 渦輪模型

1.1 模型理論

利用GT-SUITE軟件建立某款天然氣發(fā)動機的一維熱力學(xué)詳細計算模型，渦輪的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要對其進行一系列簡化，將表征渦輪工作特性的關(guān)鍵物理參數(shù)輸入到GT-SUITE軟件中。渦輪的主要結(jié)構(gòu)分為蝸殼和葉輪，它們在一定程度上分別代表渦輪的流通能力和工作效率，二者相互影響。首先搭建一維簡化管路模型來模擬蝸殼內(nèi)部氣體流動，然后在渦輪內(nèi)部引入各種能量損失模型來計算渦輪的工作效率。

圖1示出蝸殼的簡化結(jié)構(gòu)。蝸殼內(nèi)部的流道可看作幾段不同管徑和管長的形狀規(guī)則的管路，管徑由平均等效截面面積得出，調(diào)整管路長度使其容積與蝸殼流道的容積相等，葉輪平均入口截面面積As定義為

(1)

式中：A0為喉口截面面積；A1為與喉口夾角為180°的截面面積。

圖2示出渦輪葉輪進出口速度三角形[4]。圖中c，w，u分別為氣流絕對速度、氣流相對速度、葉輪圓周速度；α，β分別為氣流絕對速度、氣流相對速度與葉輪圓周速度形成的夾角；下標1，2分別表示葉輪進口和葉輪出口。

圖1 蝸殼的簡化結(jié)構(gòu) 圖2 葉輪進出口速度三角形的簡化形式

渦輪的等熵焓降Hs定義為

(2)

式中：k為比熱容比；R為氣體常數(shù)；T0為渦輪進口總溫；p0為渦輪進口總壓；p2為渦輪出口靜壓。

實際渦輪工作時會產(chǎn)生各種損失，主要包括噴嘴環(huán)損失、葉輪損失、余速損失、通風(fēng)及摩擦損失、漏氣損失，分別用Z1～Z5定義[4-5]如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：φ為噴嘴環(huán)損失系數(shù)；Φ為葉輪損失系數(shù)；ξ為輪盤損失系數(shù)；D1為葉輪進口直徑；ρ為葉輪與渦輪箱間隙中氣體密度；G0為漏氣量；G為總流量。

1.2 模型建立與驗證

渦輪方案的基本參數(shù)見表1，所搭建的GT-SUITE渦輪模型見圖3。根據(jù)1.1節(jié)設(shè)置模型中管路結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)公式，建立了可以計算渦輪工作特性的物理模型，該模型主要由渦輪入口邊界、渦輪流道、放氣閥、渦輪能量損失計算模塊、渦輪MAP輸出模塊、渦輪出口邊界組成，采用泄漏閥模擬兩個流道之間的氣流交換。將表1中渦輪的物理參數(shù)作為輸入，進行模型校核。圖4至圖5示出渦輪的相似流量、總-靜效率計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比(空心點為試驗值，實線為計算值)。由圖可見，計算誤差在5%以內(nèi)，因此，所建立的GT-SUITE渦輪模型具有較好的計算精度，可以進行渦輪的工作特性預(yù)測。

表1 渦輪基本參數(shù)

圖3 GT-SUITE渦輪模型

圖4 渦輪相似流量計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

圖5 渦輪效率計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2 發(fā)動機模型

圖6示出GT-SUITE軟件建立的12.5L天然氣發(fā)動機的一維熱力學(xué)計算模型，發(fā)動機采用當量燃燒模式，最大功率308kW，最大功率轉(zhuǎn)速1 900r/min，最大扭矩1 830N·m，最大扭矩轉(zhuǎn)速1 200r/min。模型包含了發(fā)動機氣缸模塊、高壓EGR模塊、TWC模塊(模擬壓力損失)、節(jié)氣門模塊，缸內(nèi)燃燒模型為韋伯模型，壓氣機為軟件自帶的MAP擬合模型。將前面搭建的渦輪物理模型與發(fā)動機模型進行聯(lián)合計算。

圖6 GT-SUITE發(fā)動機模型

3 計算結(jié)果

3.1 非對稱雙流道渦輪的方案設(shè)計

將渦輪的兩個流道設(shè)計成截面大小不同的形狀(見圖7)，渦輪MAP會發(fā)生改變，如圖8和圖9中，3個渦輪MAP分別代表了雙流道同時進氣、大流道單獨進氣和小流道單獨進氣3種情況。大小流道的流量與效率呈現(xiàn)不對稱現(xiàn)象，與雙流道進氣相比，大流道和小流道單獨進氣時的流量和效率下降，其中小流道單獨進氣時，流量和效率下降更多。將小流道置于EGR取氣管路同側(cè)，產(chǎn)生較高的背壓，增加EGR驅(qū)動壓差，提升發(fā)動機的EGR率，而將大流道置于放氣閥同側(cè)，可產(chǎn)生較低的背壓，降低發(fā)動機的泵氣損失。非對稱雙流道渦輪設(shè)計方案的非對稱度ASY定義為

(8)

式中：GS1，GS2分別為渦輪小流道和大流道單獨進氣時的最大相似流量。

圖7 渦輪流道截面簡化圖

圖8 不同進氣情況下的渦輪相似流量預(yù)測

圖9 不同進氣情況下的渦輪效率預(yù)測

3.2 非對稱雙流道與對稱雙流道渦輪增壓器的對比

圖10示出1 200r/min全負荷工況下，非對稱雙流道與對稱雙流道渦輪增壓器方案的對比結(jié)果。壓氣機保持不變，渦輪以表1中的渦輪參數(shù)為基礎(chǔ)進行調(diào)整，對稱雙流道渦輪通過減小蝸殼流通面積實現(xiàn)更高的EGR率，非對稱雙流道渦輪通過增加非對稱度來實現(xiàn)更高的EGR率。由圖10a和圖10b可知，在實現(xiàn)相同EGR率的前提下，非對稱雙流道渦輪增壓器具有更低的泵氣損失和有效燃氣消耗率。當EGR率為18%時，非對稱雙流道渦輪增壓器比對稱雙流道渦輪增壓器的泵氣損失低30kPa，有效燃氣消耗率比后者低1.4%。圖10c的進排氣壓力對比結(jié)果也證明了這點，與對稱雙流道渦輪增壓器相比，非對稱雙流道渦輪增壓器的放氣閥側(cè)大流道壓力(渦前壓力2)遠低于增壓壓力，因此大大降低了泵氣損失。

圖10 不同渦輪增壓器方案的對比

3.3 非對稱雙流道渦輪增壓器的匹配方法

圖11示出采用不同流通能力的非對稱雙流道渦輪增壓器時，在相同EGR率和空燃比條件下發(fā)動機外特性工況性能對比。其中小增壓器的渦輪最大相似流量為28.4kg·s-1·K0.5·MPa-1，非對稱度ASY為60%，大增壓器的渦輪最大相似流量為34.4kg·s-1·K0.5·MPa-1，非對稱度ASY為43%，壓氣機相同。由對比結(jié)果可知，大增壓器的泵氣損失更小，有效燃氣消耗率更低，1 200r/min時大增壓器比小增壓器的泵氣損失低15kPa，有效燃氣消耗率低0.7%，隨著轉(zhuǎn)速增加，大增壓器優(yōu)勢更加明顯。在對非對稱雙流道渦輪增壓器進行匹配時，應(yīng)合理地選擇渦輪的流通能力和非對稱度，同時兼顧渦輪的增壓能力、蝸殼及葉片可靠耐受度以及渦輪整體效率。

圖11 不同流通能力非對稱雙流道渦輪增壓器的性能對比

3.4 非對稱雙流道渦輪增壓器的非穩(wěn)態(tài)特性

渦輪在瞬態(tài)條件下的進氣壓力波動和氣流的慣性使進氣流速和進氣沖角發(fā)生較大變化[6-7]，導(dǎo)致效率出現(xiàn)較大波動。圖12示出非對稱雙流道渦輪增壓器在穩(wěn)態(tài)條件下和單個發(fā)動機循環(huán)內(nèi)的瞬態(tài)條件下效率對比，計算工況為1 200r/min，1 900r/min全負荷。由圖可知，在瞬態(tài)條件下，渦輪葉片速比在0.5～0.8范圍內(nèi)發(fā)生較大的波動，渦輪效率一直處于變化狀態(tài)，平均效率比穩(wěn)態(tài)低3%～4%。原因在于計算模型中各種能量損失的修正系數(shù)是在有限的穩(wěn)態(tài)試驗基礎(chǔ)上得出，由此來預(yù)測瞬態(tài)過程的效率變化存在較大偏差，但總體趨勢上還是有一定指導(dǎo)意義。

圖12 非對稱雙流道渦輪的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)效率對比

4 結(jié)論

a) 相同EGR率條件下，非對稱雙流道渦輪增壓器比對稱雙流道渦輪增壓器的泵氣損失低30kPa，發(fā)動機有效燃氣消耗率比后者低1.4%；

b) 與非對稱度為60%的小增壓器相比，非對稱度為43%的大增壓器泵氣損失降低15kPa，有效燃氣消耗率降低0.7%；

c) 非對稱雙流道渦輪增壓器在瞬態(tài)條件下渦輪的葉片速比和效率一直處于變化狀態(tài)，平均渦輪效率比穩(wěn)態(tài)低3%～4%。

[1] 鎖國濤，呂林.非對稱雙流道渦輪增壓器的試驗[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2014(3)：266-270.

[2]MarkusMüller.TheAsymmetricTwinScrollTurbineforExhaustGasTurbochargers[C].ASMEPaperGT2008-50614, 2008.

[3] 馬義，王曉輝，李紅洲. 歐Ⅵ天然氣發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)研究[J].車用發(fā)動機，2016(2)：71-75.

[4] 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[5] 林建生.燃氣輪機與渦輪增壓內(nèi)燃機原理與應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2005.

[6] 施新，馬朝臣.車用增壓器渦輪非穩(wěn)態(tài)流動特性研究進展[J].車用發(fā)動機，2003(5)：36-39.

[7] 肖昕，李云清.車用渦輪增壓器蝸殼三維流場模擬分析[J].汽車技術(shù)，2011(9)：1-3.

[編輯： 潘麗麗]

Numerical Simulation of Asymmetric Double Channel Turbocharged Engine

MA Yi， SONG Tao， SHI Yanbin， CHEN Haie， DOU Huili

(R&D Center， China FAW Co., Ltd., Changchun 130011， China)

The physical model of double channel turbine was established by using GT-SUITE software and the calculation precision of the model was verified according to the test data. The performance, matching method and unsteady state characteristics of asymmetric turbocharger were analyzed with the model. The results show that the asymmetric double channel turbocharger has lower pumping loss and brake specific gas consumption than the symmetric one at the same EGR rate. A large flow and slightly asymmetry turbocharger can reduce the pumping loss further and the average efficiency under transient condition is lower than that under steady condition.

asymmetric double channel; turbocharger; natural gas engine; EGR

2016-06-26；

2016-09-26

馬義(1986—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為天然氣發(fā)動機燃燒與排放控制技術(shù)；mayixiajiabin@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.005

TK431

B

1001-2222(2017)01-0026-04