增压器压气机叶顶间隙对柴油机性能的影响*

楼狄明 林浩强 邵聪 王志宏 徐宁

（1-同济大学汽车学院上海2018042-宁波威孚天力增压技术有限公司）

·研究·开发·

增压器压气机叶顶间隙对柴油机性能的影响*

楼狄明1林浩强1邵聪1王志宏2徐宁1

（1-同济大学汽车学院上海2018042-宁波威孚天力增压技术有限公司）

基于两种不同压气机叶顶间隙，研究叶顶间隙对压气机效率、压比等增压器性能参数以及动力经济性、常规气态物排放、进排气情况等柴油机性能参数的影响。结果表明：相同工况下，小叶顶间隙压气机的效率比大叶顶间隙压气机高约3%且高效区域范围更大。装有小叶顶间隙压气机时进气流量增幅达6%；进气中冷后温度有所降低，最大降幅为19%；发动机动力输出增幅达2%；NOx体积排放量减少，最大降幅为15%；THC体积排放量增加，最大增幅为100%。叶顶间隙对CO排放、CO2排放、发动机排气背压及比油耗基本无影响。

柴油机压气机叶顶间隙性能

引言

增压技术是提高发动机动力性和改善燃油经济性最有效的措施[1，2]，同时也是降低排放的有效措施[3，4]。因此，研究涡轮增压器结构参数对发动机性能的影响十分必要[5]。

压气机叶顶间隙对压气机性能影响很大，是压气机损失的主要来源[6]。为了使叶轮自由地转动，转子叶片顶端与外壳之间有一定的间隙，这个间隙被称为叶顶间隙。叶片压力面和吸力面之间的压差造成了叶顶间隙流。叶顶间隙流会导致气体泄漏及堵塞，对压气机的性能及稳定性影响很大[7]。随着叶顶间隙增大，气体泄漏加剧，压气机流量、效率、压比下降[8，9]。另一方面，过小的叶顶间隙对结构强度和振动设计不利[10]，同时也会影响到叶轮运行安全性、加工工艺性。叶顶间隙的取值要权衡两方面的利弊。国内外学者对叶顶间隙流动进行了多年的研究。Okita K.等[11]利用数值分析的方法研究了叶顶间隙流对空化流动的影响；Inoue M等[12]研究了不同大小的叶顶间隙对于动叶旋转失速发展过程的影响；高学林等[13]对某多级轴流压气机进行了间隙流动的数值模拟，进行了定常及非定常计算，研究了间隙流动对压气机整体性能的影响；郭宫达等[14]采用三维CFD方法，研究了叶尖间隙分布对离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理。但是，针对压气机叶顶间隙对发动机性能影响规律的研究，国内外文献中还鲜见报道。因此有必要深入研究压气机叶顶间隙对发动机性能的影响。

本文针对某纯电动公交客车的增程器专用发动机进行台架试验，研究叶顶间隙对压气机MAP图及发动机动力经济性、常规气态物排放、进排气情况等性能参数的影响规律。

1 试验设计

图1所示为发动机台架搭建安装示意图。台架试验采用D19增压柴油机，具体参数见表1。燃油为国V标准柴油。

图1 发动机台架搭建安装示意图

表1 试验用发动机主要参数

经过匹配计算，选定一款涡轮增压器，表2所示为放气阀涡轮增压器主要参数。压气机采用半开式后弯叶轮，表3所示为增压器压气机端主要参数。

表2 放气阀涡轮增压器主要参数

表3 增压器压气机端主要参数mm

本纯电动公交客车的增程器专用发动机常用转速范围为1 800 r/min～3 000 r/min，常用负荷范围为50%～100%，以此为本文研究范围，研究叶顶间隙分别为0.3 mm和0.5 mm的压气机对发动机工作性能的影响规律。

2 试验结果及分析

2.1 压气机特性

图2所示为压气机叶顶间隙对压气机MAP的影响。从图中可知叶顶间隙为0.3 mm时，压气机高效区范围较大，与发动机联合运行时，压气机效率在71%以上，相同条件下较叶顶间隙为0.5 mm的压气机高约3%。较小的叶顶间隙可减少压气机中的气体泄漏，将等量的空气压缩到相同压力值，叶顶间隙小的压气机所需要的功较少，所以效率较大。但是叶顶间隙并不是越小越好。由于热胀冷缩、轴承间隙等原因，过小的叶顶间隙会使得叶片顶端与压气机机壳碰擦，严重影响柴油机的性能。

2.2 发动机进排气

图2 叶顶间隙对压气机MAP的影响

图3 所示是在全负荷工况下压气机叶顶间隙对发动机进气流量的影响。在各发动机转速下装有0.3 mm叶顶间隙压气机时发动机进气量均比装有0.5 mm叶顶间隙压气机时高，最大增幅为6%。这是因为小叶顶间隙压气机气体泄漏量小，效率高，与发动机联合运行时能将更多地空气输送到气缸中。

图3 叶顶间隙对发动机进气流量的影响

图4 所示是在全负荷工况下压气机叶顶间隙对进气增压中冷后温度的影响。由图4可知，在低转速和高转速时，两种不同叶顶间隙的压气机对进气增压中冷后温度影响不大。在中等转速装有小叶顶间隙压气机时，进气中冷后温度较低，最大相对降幅为19%。

图5所示为全负荷工况下叶顶间隙对排气背压的影响。由图可知压气机叶顶间隙的大小对排气背压影响不大。

图4 叶顶间隙对进气增压中冷后温度的影响

图5 叶顶间隙对排气背压的影响

2.3 发动机动力性与经济性

图6为全负荷工况下压气机叶顶间隙对发动机指示压力的影响。由图可知装有0.3 mm叶顶间隙压气机时，发动机平均指示压力较大，最大相对增幅为1.8%。这是因为相同工况下，小叶顶间隙压气机能为柴油机提供更多空气，电控喷油量相应增大，所以平均指示压力更大。

图7所示为全负荷工况下压气机叶顶间隙对发动机动力性的影响。由于以上分析，装有0.3 mm叶顶间隙压气机时发动机在各转速下动力输出较大，最大增幅为1.6%。适当减小叶顶间隙可以提高发动机动力性。

图6 叶顶间隙对发动机指示压力的影响

图7 叶顶间隙对发动机动力性的影响

图8 为全负荷工况下压气机叶顶间隙对发动机比油耗的影响。由图可知随着发动机转速的增大，油耗逐渐增大。使用两种不同叶顶间隙压气机时，最大油耗差异不超过1%，即压气机叶顶间隙对发动机油耗基本无影响。

2.4 发动机排放特性

2.4.1 氮氧化物NOx

图8 叶顶间隙对发动机比油耗的影响

图9 叶顶间隙对NOx排放量的影响

图9 为压气机叶顶间隙对NOx排放量的影响。由图9a）可知，全负荷工况下，随着发动机转速增加，NOx排放量先下降后上升，在2500 r/min时达到最小排放量。由图9b）可知NOx的排放首先随着负荷比的增大渐渐增大至80%达到最高点，然后随着负荷比的增大渐渐减少。从低负荷到高负荷，燃烧温度增大，同时喷油量也会增大，燃烧区域空燃比下降。温度增大利于NOx的生成，但是低空燃比不利于NOx的生成。从50%负荷到80%负荷，燃烧温度占主导地位，所以有更多的NOx生成，从80%负荷到100%负荷燃烧区域的空燃比占主导地位，所以NOx排放量下降。

在试验工况下，装有0.3 mm叶顶间隙压气机时NOx排放量至少比装有0.5 mm叶顶间隙压气机时低13%。

2.4.2 总碳氢THC

图10为压气机叶顶间隙对发动机THC排放量的影响。由图10a）可知从1800 r/min到2000 r/min，THC排放量快速下降，2000 r/min后缓慢下降。这是因为发动机转速越高，缸内气体流动增强，油气混合质量提高，改善燃烧，THC排放量降低。1800 r/min，全负荷工况下，装有0.3 mm叶顶间隙压气机时THC排放量是装有0.5 mm叶顶间隙时的两倍，并随着转速增大差距渐渐减小。由图10b）可知THC基本上随着负荷的增大而逐渐减少。这是因为负荷越大，缸内温度增大，燃烧更加彻底。各负荷点下，装有0.3 mm叶顶间隙压气机时THC的排放量至少比装有0.5 mm叶顶间隙压气机时大10%。

图10 叶顶间隙对发动机THC排放量的影响

2.4.3 一氧化碳CO

图11为压气机叶顶间隙对发动机CO排放量的影响。由图11a）可知全负荷工况下，CO排放量在2500 r/min时取得最大值。由图11b）可知从50%负荷到70%负荷CO的排放量变化不大，从70%开始CO排放量急剧上升，到100%负荷时达到最大值。

研究表明，CO的生成与燃烧区域的空燃比有密切的关系[15]。由图11可知，CO排放量的变化与空燃比的变化呈现较大的负相关性。分别装有两种不同叶顶间隙压气机时CO排放量差别不大，综合差距不超过1%。

2.4.4 二氧化碳CO2

图11 叶顶间隙对发动机CO排放量的影响

图12 叶顶间隙对发动机CO2排放量的影响

图12 为压气机叶顶间隙对发动机CO2排放量的影响。图12中CO2的排放规律与图11中空燃比的变化规律呈现负相关特性。空燃比小意味着燃料比重大，燃烧过程会产生更多的CO2。由图12可知，在试验工况下装有两种不同叶顶间隙压气机时CO2排放量差别不超过1%，即压气机叶顶间隙对CO2排放量基本无影响。

3 结论

1）与D19发动机联合运行时，小叶顶间隙压气机工作效率比大叶顶间隙压气机高约3%，高效区域范围也较之大。

2）装有小叶顶间隙压气机时，发动机进气流量增大，最大增幅为6%；进气中冷后温度有所降低，最大降幅为19%；叶顶间隙对排气背压基本无影响。

3）外特性工况下，相对于大叶顶间隙压气机，匹配小叶顶间隙压气机时发动机动力输出增幅达2%；叶顶间隙对比油耗基本无影响。

4）匹配小叶顶间隙压气机时，NOx体积排放量减少，最大降幅为15%；THC体积排放量增加，最大增幅为100%；叶顶间隙对CO、CO2的排放基本无影响。

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The Effect of Tip Clearance of Turbo Compressor on the Performance of Diesel Engine

Lou Diming1，Lin Haoqiang1，Shao Cong1，Wang Zhihong2，Xu Ning1
1-School of Automotive Studies，Tongji University（Shanghai，201804，China）2-Ningbo Weifu Tianli Turbocharging Technology Co.，Ltd.

Based on two different tip clearances of compressor，this paper analyzed the effect of tip clearance on the performance of turbocharger such as efficiency，pressure ratio，flow，etc.，and the performance of engine such as power，fuel consumption，emission，etc.The results indicate that under the same conditions，the efficiency of the compressor with a smaller tip clearance is about 3%higher than that of the other compressor and the flow of compressor with a smaller tip clearance is at most 6%larger than that of the other.When the engine equips with the compressor with a smaller tip clearance，inlet flow rate increases by 6%and the temperature of inlet flow decreases by 19%.Dynamic of the engine is 2%higher and the emission of NOxis about 15%lower but the emission of THC is at most 100%higher.Tip clearance has no effect on the emission of CO and CO2and fuel consumption.

Diesel engine，Compressor，Tip clearance，Performance

TK427

A

2095-8234（2014）06-0001-06

2014-09-12）

上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目（2011GX05D04951）。

楼狄明（1963-），男，博士，教授，主要从事柴油机的结构设计与性能优化研究。