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引气结构对引气压气机性能影响的研究

2024-12-16 45 上传者：管理员

摘要：基于压气机扩压器引入废气再循环（diffuser exhaust gas recirculation, DEGR）方案，通过计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）数值模拟的方法研究引气压气机性能的影响。研究了无引气时引气结构对压气机性能的影响，分析了有无涡旋进气段时引气压气机的性能。结果表明：与压气机原机相比，在无引气时，引气结构使引气压气机峰值效率降低近2%；有无涡旋进气结构仿真结果表明采用涡旋进气能够有效降低引气结构出口与叶轮出口气体的切向速度差，降低引气进入扩压器造成的流动损失和混合损失，进而提高引气压气机绝热效率。

关键词：
EGR
压气机性能
引气压气机
扩压器引入废气再循环
涡旋进气结构
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全球排放法规中汽车尾气中NOx排放的标准都在不断升级，而增压技术是实现节能减排的重要途径，废气再循环（exhaust gas recirculation,EGR）是降低NOx排放的重要方式之一[1–4]。高压EGR(high pressure EGR,HP-EGR）也已得到了广泛的商业应用[5]，但采用高压EGR会增加发动机的泵气损失，使发动机燃油消耗率增加[6–8]。为满足最新的排放法规，需要进一步提高EGR率[9–10]，但在增压发动机中涡轮进口前端（涡前）与压气机出口后端（压后）的压差不能满足EGR率的需求，只能通过辅助措施提高发动机EGR率。此外，涡轮增压器工作特性导致发动机中低转速中高负荷工况的涡前压力低于压后压力，需要通过辅助措施实现EGR。学者们提出了相应措施，例如可调喷嘴环涡轮（variable nozzle turbine,VNT)[11]、两级增压和非对称截面双流道涡轮[12]等，这些措施都在一定程度上提高了发动机废气能量利用率，降低了发动机泵气损失。然而，VNT涡轮生产成本高，调节困难；两级增压的EGR控制策略复杂，调节难度大；非对称截面双流道涡轮在发动机低转速低负荷时由于排气量低，对EGR率的提升有限。并且，这些措施都未考虑发动机进气系统的特点。

基于此，文献[13–14]中提出了扩压器引入EGR(diffuser exhaust gas recirculation,DEGR）方案，利用增压发动机进气系统中压气机扩压器入口流速高和静压低的特点提高驱动EGR的静压差，提高EGR率并降低发动机泵气损失，文献中设计了压气机引气结构几何模型，并通过计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模拟的方法研究了引气结构参数的选择及对压气机的影响。本文中研究了无引气时原型压气机和引气压气机的差异，并分析了涡旋进气段对引气压气机性能的影响，探究引气压气机效率降低的原因，进一步提高对DEGR的理解。

1、物理模型及数值方法

1.1 DEGR方案及物理模型

研究使用的压气机模型来自国内某增压器厂提供的JP70增压器。压气机由叶轮、扩压器和蜗壳三部分组成。该压气机扩压器为无叶扩压器，主要参数如表1所示。引气压气机在保持原型压气机叶轮、扩压器和蜗壳流道参数不变的基础上添加引气结构。引气结构与扩压器连通，使引气可通过引气结构顺利进入压气机扩压器内部。原始压气机和DEGR压气机三维模型如图1所示，引气压气机子午视图如图2所示，图2中，Ri为引气结构出口内径，Ri’为引气结构出口外径，R为引气结构圆弧段半径，d1为引气结构出口截面宽度，d2为平行段宽度，θ为引气角度。具体结构说明见参考文献[13]。

传统的高压EGR是从涡前引气，废气从压气机引出后再与新鲜空气混合进入气缸参与燃烧，而DEGR方案则是把涡前废气引入到扩压器，与压气机出口新鲜空气混合再进入气缸，原理如图3所示。DEGR方案充分利用了压气机扩压器进口处的低静压，提高推动废气进入发动机进气系统的正向静压差，提高EGR率，降低发动机泵气损失。DEGR方案的具体实施见文献[14]。

表1 压气机主要参数

图1 压气机三维模型

图2 引气压气机子午视图

本文中采用引气比例衡量从扩压器进入气体的流量大小。引气比例I定义为引气结构入口质量流量与引气结构入口质量流量和压气机进口质量流量之和的比值，如式（1）所示。对于DEGR方案，I为发动机的EGR率。

图3 发动机DEGR方案原理图

式中，minducedair为引气结构入口质量流量，kg/s;mair为压气机进口质量流量，kg/s。

1.2数值方法及模型验证

1.2.1数值方法

利用NUMECA软件中IGG/Auto Grid模块对研究对象进行网格划分。网格模型设置及网格信息参考文献[14]。压气机与引气压气机网格模型如图4所示。本研究中叶轮均采用全通道网格形式，使用转子冻结法处理叶轮进/出口处的转静子交界面，轮毂和叶片壁面设置为绝热，由于压气机进口气体温度不高，为环境温度，因此与外界环境热量交换较少，设置为绝热对仿真结果影响较小，其他边界条件的设置如表2所示。表2中，mcout为压气机出口质量流量。

图4 压气机与引气压气机网格模型

1.2.2模型校核

在本文中采用原始压气机的试验数据对数值模型进行校核，压气机转速100 000 r/min下，比较了试验和仿真的压气机压比和绝热效率，结果如图5所示。数值计算的压气机压比低于试验计算的总压比，且数值计算结果与试验结果的误差范围为1.9%～4.4%。在质量流量为0.19 kg/s的条件下，数值计算的绝热效率与试验的误差近似为0，其他情况下误差范围为1.5%～3.6%。可以得出结论，数值模型是可靠的。

表2 边界条件设置

图5 试验与数值模拟总压比和绝热效率对比

2、结果分析

2.1引气压气机性能评价

在引气压气机中，引气不流经叶轮，但在扩压器内与叶轮出口气体混合的过程中进行能量交换并被压缩，压缩引气所消耗的能量源于叶轮出口流出的高压气体，使得引气压气机出口气体焓值h3*低于叶轮出口气体焓值h2*。因此，引气压气机的绝热压缩功包含引气气体所消耗的绝热压缩功和压气机进气所消耗的绝热压缩功两部分，引气压气机消耗功依旧只由压气机叶轮提供。引气压气机绝热效率定义为引气气体的绝热压缩功和压气机进气绝热压缩功之和与压气机实际消耗功的比值，其计算表达式如式（2）～式（7）所示。

式中，ηd为引气压气机绝热效率；ΔHad1和ΔHad2分别为压气机进气绝热压缩功和引气进气绝热压缩功，J；ΔH为压气机消耗功，J;m1和m2分别为压气机进气质量流量和引气进气质量流量，kg/s；π1和π2分别为压气机进气气体压比和引气进气气体压比；T1*、T*2i和T3*分别为压气机进气入口、引气结构入口和压气机出口的总温，K;p1*和p*2i分别为压气机进气入口和引气结构入口的总压，Pa;T2*为叶轮出口气体总温，K;p3*为压气机出口气体总压，Pa;cp为比定压热容，cp=1 006 J/（kg·K);R为气体常数，R=287 J/（kg·K);k为比热比，k=1.4。

本文相关研究中分析扩压器的总压损失系数时，均将蜗壳包含在内。对于引气压气机扩压器部分，由于有扩压器进气口和引气结构进气口两个进气入口，为计算扩压器总压损失系数，扩压器入口总压采用质量加权平均方法计算，其计算公式见式（8）。

式中，p*2adv为扩压器入口平均总压，Pa;p2*为扩压器入口瞬时总压，Pa;p*2i'为引气结构出口总压，Pa。

扩压器总压损失系数计算公式见式（9）。

式中，Ctpl＿diffuser为扩压器总压损失系数。

2.2涡旋进气对压气机性能影响的研究

在设计引气结构时，为引气结构增设涡旋进气段以使进入扩压器的引气气体带有较高切向速度，减小引气与叶轮出口气体混合的能量损失。图6为有无涡旋进气的引气结构模型。图6(a）给出带涡旋进气段引气结构模型，引气进入扩压器时具有较高切向速度，称作有涡旋进气。图6(b）给出引气结构无涡旋进气段模型，引气进入扩压器的切向速度很小，可认为无切向速度进气，称作无涡旋进气。无涡旋引气结构是将有涡旋引气结构的涡旋进气段去掉，只保留有涡旋引气结构的平行段和圆弧段结构。

图6 有无涡旋进气的引气结构模型

2.2.1涡旋进气对引气压气机压比和绝热效率的影响

图7给出了涡旋进气对引气压气机压比和效率的影响。从图中可以看出，除60 000 r/min、20%引气外，有涡旋进气的压气机压比和效率均高于无涡旋进气的压气机压比和效率。由于无涡旋引气结构只有涡旋引气结构的平行段和圆弧段，引气在无涡旋引气结构内流动的流线变短，使无涡旋引气结构内的流动损失降低，但涡旋可以均布引气，因此无涡旋进气的压气机压比和效率略低于有涡旋进气的压气机压比和效率。对于60 000 r/min、20%引气工况，有涡旋和无涡旋时压气机叶轮出口压力相同，但有涡旋时引气结构入口压力明显升高，引气进入扩压器的压力也明显升高，导致压气机压比升高，同时也是因为引气结构及扩压器内阻力明显增加，导致引气气体的能量转换为压气机出口气体能量的损失增大，有涡旋时压气机效率降低。而其他转速及引气比例下，虽然引气进入扩压器的压力也高导致压气机压比升高，但是引气气体的能量转换为压气机出口气体能量的效率相对较高，使压气机效率有所升高。

2.2.2涡旋进气对扩压器总压损失系数的影响

压气机不同转速时涡旋进气对扩压器总压损失系数的影响见图8。从图中可以看出，有涡旋进气的扩压器总压损失系数低于无涡旋进气的扩压器总压损失系数；随着引气比例升高和压气机进气流量增大，有涡旋进气的扩压器总压损失系数与无涡旋进气的扩压器总压损失系数的差异越显著。这主要是由于在引气结构不变的条件下，引气量越大，有涡旋进气时引气结构出口的切向速度越大，与无涡旋进气时引气结构出口的切向速度差异越大，使得有涡旋进气时扩压器内的混合损失差异越大。

图7 压气机不同转速时涡旋进气对压气机压比和效率的影响

2.2.3涡旋进气对引气结构出口切向速度的影响

涡旋进气对90%叶高时扩压器内切向速度的影响见图9。从图中可以看出，原机90%叶高时，主流叶片尾迹明显，且耗散慢；分流叶片尾迹相对较弱，且很快耗散并消失。有涡旋进气和无涡旋进气时，90%叶高尾迹被引气明显削弱。这是由于引气进入扩压器挤压叶轮出口气体向轮盘侧流动，轮缘侧充满了从引气结构流出的气体，使轮缘侧叶轮出口尾迹被抑制在叶轮出口的有限空间内。引气结构下游气流受引气影响切向速度急剧降低，使得有涡旋进气和无涡旋进气时蜗舌部位气流在轮缘侧回流区域明显增强，并且在无涡旋进气时回流区域更加显著。因为引气进入扩压器轴向速度低，受叶轮出口气体挤压，沿着轮缘壁面流动，由于引气结构出口切向速度明显低于叶轮出口气体切向速度，抑制了叶轮尾迹在靠近轮缘壁面的进一步发展。此外，由于引气结构出口气体的切向速度较低，在蜗舌附近受蜗舌的强干扰，使得引气的切向速度进一步降低，甚至在部分区域内切向速度与叶轮旋转方向相向；无涡旋进气时因引气结构出口气体基本无切向速度，受蜗舌部位影响，引气的切向速度在蜗舌区域出现与叶轮旋转方向相反（负切向速度）的情况，且其负切向速度相对较高，使引气与叶轮出口气体混合能量损失增加。

图8 压气机不同转速时涡旋进气对扩压器总压损失系数的影响

图9 涡旋进气对90%叶高时扩压器内切向速度的影响

图10给出了90%叶高时扩压器内气体流动角的变化情况。从图中可以看出，在90%叶高时，压气机原机扩压器内气体受轮缘壁面及叶轮出口速度分布影响，大部分区域流动角在60°～90°，说明气流有较高的切向速度。在有涡旋进气和无涡旋进气时，受引气结构影响，引气贴近轮缘壁面运动，在叶轮出口气体和引气共同作用下，使得90%叶高时扩压器内气体流动角减小，在靠近蜗舌部位扩压器内气体流动角更是明显减小，甚至在蜗舌附近出现较高负值。无涡旋进气时流动角的负值区域较有涡旋进气时增大，与图9相一致，说明在蜗舌附近的回流区域气体流动与叶轮旋转方向相反，将使扩压器内的流动损失增加。图11给出了90%叶高时扩压器熵增的变化情况，图中表明在90%叶高时有涡旋进气和无涡旋进气的扩压器熵增明显高于原机；无涡旋进气时蜗舌上游B区域熵值高于有涡旋进气时蜗舌上游A区域熵值，解释了无涡旋进气时扩压器总压损失系数高于有涡旋进气时扩压器总压损失系数，无涡旋进气时压气机绝热效率低于有涡旋进气时压气机绝热效率的原因。

图1 0 涡旋进气对90%叶高扩压器流动角的影响

图1 1 涡旋进气对90%叶高扩压器熵增的影响

2.2.4涡旋进气对引气结构出口气体流动角的影响

图12给出了引气结构出口气体流动角的分布云图。图13为涡旋进气对引气结构出口切向速度的影响。从图12中可以看出有涡旋进气时引气结构出口气体流动角明显高于无涡旋进气时引气结构出口气体流动角。在蜗舌附近A区域，无涡旋进气时引气结构出口气体流动角为负值，甚至流动角达到-80°，说明受蜗舌影响，引气结构出口气体沿与叶轮旋转方向相反的方向流动，图13中引气结构出口蜗舌附近A区域切向速度为负值即为证明。与图10中压气机原机的扩压器流动角相比，引气结构出口气体流动角明显较小，两者较为显著的差异导致较高的气体混合损失。在蜗舌下游B区域，有涡旋进气时引气结构出口的气体流动角与图10中压气机原机的扩压器流动角比较接近，引气与叶轮出口气体混合时能量损失相对较低，这解释了有涡旋进气时扩压器总压损失系数低于无涡旋进气时扩压器总压损失系数的原因。

图1 2 涡旋进气对引气结构出口气体流动角的影响

图1 3 涡旋进气对引气结构出口切向速度的影响

综上，无涡旋进气引气结构内的流动损失虽有所降低，但引气以很小的切向速度进入扩压器造成的扩压器内能量损失明显增加，且扩压器内能量损失增加量高于引气结构内流动损失减小量。有无涡旋进气引气进入扩压器的主要差异是切向速度的大小，采用涡旋进气能够有效降低引气结构出口与叶轮出口气体的切向速度差，降低引气进入扩压器造成的流动损失和混合损失，提高引气压气机绝热效率。

3、结论

(1）与压气机原机相比，在无引气时，引气结构使引气压气机峰值效率降低近2%；越靠近压气机峰值效率点，引气结构对引气压气机效率影响越显著。

(2）对比有涡旋和无涡旋引气压气机性能，有涡旋压气机效率和压比高于无涡旋引气压气机的对应值，有涡旋引气压气机的扩压器总压损失系数小于无涡旋引气压气机的对应值。

(3）有无涡旋进气时引气进入扩压器的主要差异是切向速度的大小，采用涡旋进气能够有效降低引气结构出口与叶轮出口气体的切向速度差，降低引气进入扩压器造成的流动损失和混合损失，提高引气压气机绝热效率。

基金资助:山西省科技厅青年科学研究项目(20210302123357)~~;

文章来源:王智慧,祝飞,马朝臣.引气结构对引气压气机性能影响的研究[J].内燃机工程,2024,45(06):81-87.