对汽车增压发动机工作进行热力学分析

对汽车增压发动机工作进行热力学分析摘要：涡轮增压技术是流体机械技术在动力工程中的典型应用。发动机涡轮增压是叶轮机与内燃机或燃料电池的结合与协同工作，其理论基础主要为气动热力学。将总能系统概念引入发动机涡轮增压研究领域，建立了发动机增压总能系统仿真平台，发展了增压通流设计与匹配、增压机匣处理扩稳、低比转速增压等增压流动控制技术；有效解决了多个型号工程车辆发动机的高原适应性问题，设计了单级压比为4.2的我国第一台车用跨声速增压器，研发了我国第一台燃料电池涡轮增压器。关键词：发动机，涡轮增压，气动热力学，总能系统，流动控制将燃料化学能转变为机械能或电能的动力装置，主要包括叶轮机、内燃机和燃料电池，涡轮增压是叶轮机与内燃机或燃料电池的结合与协同工作，是流体机械技术在动力工程中的典型应用。涡轮增压器的压气机、涡轮内部复杂旋涡流动的生成、发展和演化过程，及其与发动机系统之间的非线性相互作用，支配和决定着增压器和发动机整机的性能，气动热力学是发动机涡轮增压技术研究的主要理论基础、技术创新的源泉和先导，涡轮增压技术的发展是和气动热力学的理论研究密切相关和相互促进的。通过涡轮增压技术缩小发动机排量和有效利用余热，成为汽车节能和CO2减排的重要战略措施和核心关键技术；通用航空、无人机和新能源技术的发展，正在促进航空增压发动机、新能源增压发动机的研究与发展，成为发动机涡轮增压气动热力学的研究与应用的新增长点。近年来，清华大学在973、863、国家自然科学基金等项目的支持下，通过与柴油机增压国家级重点实验室等单位的密切合作，在发动机涡轮增压气动热力学的理论研究与关键技术攻关方面取得了一定进展，并在国际上形成了自己的优势和特色。1增压总能系统仿真平台早在1980年，吴仲华院士在中共中央书记处举办的科学技术知识讲座报告“中国的能源问题及其依靠科学技术解决的途径”中，就倡导“能的梯级利用与总能系统”的科学用能思想。发展应用总能系统的思路包括：通过不同用能系统和不同热力循环有机结合的梯级用能思想；在系统高度上，总体利用好各级能源，以取得更有利的总效果，而不仅仅是着眼于单一部件、单一过程、或单一循环的能源利用率。对增压内燃发动机来说，可视为以活塞内燃机作为顶部与燃气轮机作为底部的联合循环，底部循环不输出功，只给循环顶部提供压力；若底部循环输出功，则由涡轮增压内燃机变为涡轮复合发动机。当前发动机涡轮增压技术的研究，主要还是在内燃机或燃料电池的单一热力循环层面，简单地将涡轮增压器视为部件，通过提高增压器部件性能、发动机系统循环热力参数和循环优化的“链式串联”模式来求得较高的发动机热效率。注重能的梯级利用和联合循环的总能系统概念和技术，在现有的涡轮增压研究体系中体现较少。尝试将总能系统概念引入发动机涡轮增压研究领域，提出增压总能系统概念。所谓发动机增压总能系统，是指与发动机增压联合循环工质热力过程相关的系统，如内燃机增压总能系统主要由压气机/气缸/涡轮、进排气、冷却系统，以及余热利用系统等组成。增压总能系统与传统增压系统的研究相比，不仅是着眼于单一热力过程或单个部件/子系统性能指标的提高，而是按照热力学第二定律所决定的能量品位与温度高低，综合考虑增压器、动力涡轮与内燃机能量转换过程中能的梯级利用，不同品位和形式能的合理安排以及各系统构成的优化匹配；重视增压中冷及冷却与压气机、缸内和涡轮内部热力过程间的耦合效应及其对发动机的影响；重视局部流场结构与循环热力过程之间相互作用所导致的1＋1≠2的非线性自组织效应，以获得最好的能源转换利用的总体效果。清华大学与柴油机增压国家重点实验室、GM北美技术中心等单位合作，建立了涡轮增压器、动力涡轮等增压通流模型，发展了内燃机增压总能系统仿真平台。2增压通流设计与匹配传统的发动机涡轮增压研究，主要通过增压器内部流动研究与气动设计提高部件性能，通过增压器、中冷器与发动机的系统匹配优化提高发动机效率的“链式串联”模式来求得较高的增压发动机整体性能，存在较大的局限性。变截面增压、两级增压和电辅助增压等新型涡轮增压技术的出现，有效改进了内燃机增压低速扭矩不足和瞬态响应滞后的问题，但也导致增压发动机的增压器、中冷器与内燃机内部流动与传热之间相互耦合效应显著增强，对性能的影响更加复杂，从而对现有的发动机增压性能研究方法提出了严峻挑战。针对传统发动机增压性能研究存在的不足，基于发动机增压总能系统仿真平台，发展了增压总能系统的通流设计与匹配流动控制技术，该技术研究的新思路主要体现在以下三个方面：（1）研发方法由“自下而上”转为“自上而下”。改变传统的先增压器设计后整机系统匹配的串行模式，将增压器初始设计融入于系统优化，“系统匹配”变为“系统综合”，解除增压器的约束，通过综合集成，优化设计出最合适的增压器。增压器应当对增压发动机提供最佳的总体性能。（2）系统匹配由“流量匹配”拓展为“流场匹配”。打破传统的增压器、中冷器与发动机系统匹配的子域边界线化假设，基于统一流场的先进通流匹配方法取代传统基于增压器性能MAP图的匹配方法，从而可计及增压器、中冷器与发动机系统之间的流场非线性相互作用。（3）研究目标由“设计工况”转为“全工况”。不仅考虑设计工况，同时考虑变工况和不同使用环境的性能。发动机增压系统的设计优化与控制优化有机结合、相互协调、一体化。清华大学与总装工程兵某所、美国Cummins等单位合作，通过对高原使用条件下的工程车辆发动机进行增压总能系统的通流设计与匹配，提高发动机联合循环总能利用率，降低发动机热负荷，有效解决了多个型号工程车辆发动机高原适应性问题。青藏高原实车实验表明：海拔4500米高原条件下功率下降小于5%，且节能效果显著。3增压器内部流动控制3.1高压比增压器机匣处理扩稳军用车辆的远程投送与机动作战、民用车辆的节能和CO2减排，以及轻型飞机和无人机的飞行高度提升，对内燃机的升功率和高空功率恢复提出了更高的要求。由于宽流量范围的扩稳要求，从而使内燃机增压器压气机提高级压比十分困难，当今国际上内燃机增压离心压气机的最高级压比小于5，且由于高增压离心压气机稳定工作范围无法满足内燃发动机宽流量工作范围的要求，使得内燃发动机难以按面工况运行。我国设计出的内燃机增压器压气机的最高级压比仅为3.5，还未突破亚声速的限制。针对车用和航空内燃机对高增压技术的需求，国家有关内燃机高增压气动热力学理论研究与关键技术攻关的973课题于2005正式立项，主要由清华大学和柴油机高增压国防科技重点实验室承担。通过引进、消化、吸收国内外航空叶轮机气动热力学理论与技术研究的最新成果，跨行业创新，突破跨声速限制，发展了激波后抽吸机匣处理扩稳新技术，成功研制出单级压比4.2的我国第一台宽流量范围跨声速涡轮增压器，并实际应用于我国某重点型号车辆装备的研制。3.2低比转速涡轮增压器设计燃料电池汽车具有零排放、效率高、响应迅速等优点,是世界各国及各大汽车公司研究的热点;其核心是燃料电池技术。空气增压对于燃料电池系统至关重要,与其性能有着直接联系。加压燃料电池系统比低压燃料电池系统有更高的功率密度和效率,且能改善水平衡。燃料电池空气增压系统的具体要求是:体积紧凑、质量轻巧、空气供给无油气污染、低噪声、维护廉价、低成本和高工作效率。目前容积式压气机在燃料电池空气系统中应用广泛,最典型的是螺杆式压气机;但其难以与涡轮匹配工作,无法回收排气能量,做到进一步节能降耗。回收排气能量,目前只有通过涡轮与离心式压气机匹配来实现。离心式压气机同时还具有响应快、寿命长、效率高等诸多优点,被认为是未来燃料电池发动机最有前途的增压方式之一。目前燃料电池系统排气能量不足以驱动涡轮带动压气机工作,燃料电池涡轮增压器由电机驱动。由于电机转速的限制，当前涡轮增压器的常规高比转速设计,压比只能达到1.1～1.2,无法满足燃料电池系统对增压1.4的要求。国家有关燃料电池涡轮增压技术攻关的十一五863课题正式立项，主要由清华大学、柴油机增压国家重点实验室和浙江大学等单位承担。通过对燃料电池涡轮增压气动热力学进行深入研究，发展了低比转速增压流动控制技术，设计研制出在设计转速为20000rpm时压比高达1.6、效率高达83%的我国第一台燃料电池涡轮增压器，并具体用于车用燃料电池发动机的开发。4结论（1）发动机涡轮增压是叶轮机与内燃机或燃料电池的结合与协同工作，其性能研究的理论基础为气动热力学。（2）将总能系统概念引入发动机增压气动热力学研究领域，建立了发动机增压总能系统仿真平台，发展了增压通流设计与匹配、增压机匣处理扩稳、低低比转速增压等增压流动控制新技术。（3）有效解决了多个工程车辆发动机高原适应性问题，设计了单级压比为4.2的我国第一台车用跨声速增压器，研发了我国第一台燃料电池涡轮增压器