内燃机流动热力学与涡轮增压技术研究

摘要：随着人们生活水平的不断提升，汽车开始走进了人们的日常生活，这个汽车行业的发展带来了重要的动力。可持续发展理念是当前社会发展过程中主要践行的理念之一，汽车行业也开始在汽车制造过程中应用该理念，落实节能减排的政策要求。内燃机流动热力学可以有效解决这一问题，促进了涡轮增压技术的不断发展，可以满足我国能源和环境发展战略需求。基于此，本文分析了内燃机流动热力学的概念，探讨了国内外涡轮增压技术研究现状，并提出了内燃机流动热力学的研究重点，以期可以为后续研究工作的开展提供有效参考。

关键词：内燃机;流动热力学;涡轮增压技术

中图分类号：O414.19                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0035-02

0  引言

热机全称谓热能动力机械，可以将燃料燃烧热能转化为机械动力，包括内燃机、蒸汽轮机以及燃气轮机，其中内燃机属于复试动力机械，会在封闭气缸的内部完成热能转化，以往在对内燃机进行性能研究时将“油”作为研究核心，将燃烧学作为研究理论基础。燃气轮机以及蒸汽轮机属于叶轮动力机械装置，会在开放式通流系统中完成热能转化，这一过程属流动热力过程，“气”是该类装置的研究核心，研究理论基础为流动热力学。涡轮增压内燃机将两种不同类型的热机进行了结合，在内燃机工程中开始应用了气动热力学理论，从而发展成为了内燃机流动热力学，对内燃机的循环热力过程所体现出的规律进行研究，并探讨这一规律对内燃机性能指标带来的影响。涡轮增加技术的发展和流动热力学之间有着紧密的关系，当前在内燃机技术研究中开始重视向着节能和减少二氧化碳排放的方向发展，扩大了流动热力学的应用范围。

1  内燃机流动热力学概念分析

内燃机流动热力学研究的内容包括内燃机压缩、膨胀、加热以及放热等过程，是保证发动机可以有序运行的重要基础，是当前热机气动热力学的主要研究方向。涡轮增压技术是发展这一学科的技术基础，可以有效推动内燃机工程的发展，两者之间呈现为相互促进的关系。随着多种学科不断进行交叉，数学学科、物理学科以及化学学科的知识进行了充分的融合，加之实验技术和模拟技术快速发展，给热力学的发展提供了重要助力。近年来内燃机流动热力学经历了三个发展过程：①在涡轮增压的问题基础上开始对中冷以及余热利用进行深入的研究，同时还包括了气缸内部热力过程流动等研究内容[1]。②在研究方法上开始使用先进测量技术以及流场显示技术，常见的包括LDV技术和PIV技术，促使其实验面貌出现了根本的变化，揭示了复杂流动机理。③在信息时代下计算流体力學技术发展速度不断加快，在内燃机内部进行流动的数值模拟开始向着多维非定常模拟转化。以往在研究过程中将增压器内部流动机理作为主要的研究内容，在现在的研究活动中则重视流场结构给内燃机循环热力以及内燃机应用性能带来的影响，同时还结合了电控技术，研发出了内燃机流动的主动控制技术和被动控制技术。内燃机涡轮增压技术的应用符合节能减排理念，是该领域主要研究内容。

2  国外涡轮增压技术研究现状和趋势

2.1 涡轮增压器气动设计研究

随着科技水平的不断提高，内燃机涡轮增压的实际性能水平也有大幅度提高，而这一进步则要依赖于涡轮增压器气动设计水平的提升。涡轮增压器气动设计经过了3个发展阶段，在1950年左右使用一维设计方法，在这一阶段认为流场参数的变化范围仅仅局限于轴向位置。在1960年到1970年之间开始使用二维设计方法，发现流场的轴对称特征，吴仲华提出了S1和S2相对流面理论，这位后续三维设计方法的发展和应用提供了重要的理论支持。现代社会计算机技术发展水平持续提升，给计算流体力学的发展提供了技术支持。在1980年左右国外研究出了离散方法、网格生成方法以及求解方法，并且理论体系较为完善，对于涡轮增压器内旋涡分离流动数值模拟来讲其主要的难题是湍流模型。湍流模型可以满足内燃机共处应用需求，让全三维定常N-S方程组变为现实，且提高了其实用性，从而形成了能够进行涡轮增压器数值模拟的程序。

涡轮增压器和流场测量技术的研究目前已经呈现了质的飞跃，在各种现代化技术的影响下可以利用新的方式开展涡轮增压器实验，例如动态传感技术、计算机和虚拟测试技术，使其速度大幅度提高，改变了静止的状态。在持续发展过程中涡轮增压器设计系统已经进入到了全三维的阶段，可以利用数值样机的方式进行优化，不需要在优化设计阶段进行物理样机试制，减少了研制的时间和研制成本[2]。

2.2 变截面、两级以及高增压技术研究

在国际社会上内燃机增压性能指标持续上升，变截面增压产品和两级增压系统产品都已经逐渐商品化，单机增压比已经超过了5，高增压技术进入到了崭新的阶段，即跨声速压气机时代。取得这种成绩的原因在于涡轮增压器内部流动理论研究不断加深，相应的设计技术、研制技术以及试验技术得到了改进。涡轮增压器内部旋涡分离流动生成过程、发展过程、演化过程和旋涡以及主流流动和壁面边界层间所存在的作用关系，会给流场的特性和增压器使用性能带来决定性的影响。因此对其进行研究是极其必要的，会给增压器的使用稳定性和效率造成重要影响[3]。

变截面、两级以及高增压技术在研究过程中都面临着较为相似的问题，其难点均是叶片通道内部具有流动非线性、非定常性，并且旋涡的内部结构极其复杂，增加了研究难度，给研究活动带来了重要的挑战。旋涡分离流动会给增压器效率和内燃机装置整体性能带来影响，会使得增压系统气动设计难以有效匹配流场。如果仍然使用准三维半经验设计体系无法满足实际的工作续期，物理样机循环优化设计难以满足增压技术的研究趋势。以实验数据库以及CFD为基础的全三维气动设计技术可以保证气动设计以及流场之间的匹配性，对增加技术的研究以及相关产品开发有着极大的促进和推动效果。

2.3 涡轮增压和缩小排量研究

当前我国交通行业发展速度不断提升，在交通方面能量消耗极大，在我国整体能源消耗中占7%到8%，发达国家的比例甚至已经达到了30%[4]。随着城镇化进程的持续推进，其交通能耗占比也有所提升。交通行业所消耗的主要能源类型为油，我国虽然油田开发数量较多，但是石油资源仍然呈现出短缺的现象，难以满足市场上对于石油的需求，使得市场上出现了严重的石油资源供需矛盾。温室效应是全球每个国家都需要重视的环境问题，我国二氧化碳的排放量不断增加，而交通行业则是二氧化碳排放的主要来源。交通设备的主要动力是内燃机，因此要想控制交通行业的能耗必然要对内燃机进行改进，在涡轮增压技术的影响下可以保障动力水平不变的基础上减少排量，提升内燃机经济性，减少二氧化碳的排放总量。因此在提高内燃机节能效果的过程中开始重点对涡轮增压技术进行研究，是落实减少二氧化碳排放量的核心措施[5]。

3  国内涡轮增压技术研究

当前我国国内对于涡轮增压技术的研究也在不断深入，负责研究该项内容的机构也有所增加，主要的研究单位包括清华大学、上海交大以及北京理工。其中中国北方发动机研究所是最早对内燃机涡轮增压技术实施研究的单位，当前已经开发出了多个不同系列的产品，在国内该领域的研究中始终处于领先的位置。北京理工和上海交大是研究涡轮增压技术最早的高等院校，前者研究学科涵盖了流动热力以及结构动力，在工程开发中对压气机、涡轮系统、轴承系统进行了有效研究，学科齐全，具有较好的工程化能力。后者则重点研究增压系统以及匹配，其在增压内燃机进排气系统的研究过程中处于先进位置。

4  重要科学问题和重点研究内容

当前全球涡轮增压器的产量持续提升，已经超过了3000万台，并且增长的主要是汽油機增压。汽车行业具备全球化特点和品牌化特点，汽油机和柴油机的增压相比具有不同的特点，国内企业必须要加快在汽油机增压方面的研究，才能够形成完善的品牌体系和技术体系[6]。

4.1 增压总能系统以及高效热功转换

热机研究已经经过了3个不同的阶段：在第1代研究中将热力学第一定律作为研究基础，为了提升热效率，选择改善不同部件的性能水平，调整循环热力参数，构建循环优化“链式串联”。在第2代研究主要针对总能系统进行研究，在热力学第一定律和热力学第二定律的基础上，对能源进行梯级利用。在第3代研究中将可持续发展作为主要的概念基础，将研究内容和环境、能源进行了结合。近年来内燃机动力涡轮余热利用是热点研究内容，这也间接的提高了对内燃机流动热力学的研究要求，因而也需要对新技术问题实施研究。从总能系统联合循环的方面进行分析，发动机进气到排气的过程中各种结构之间会出现非线性的相互作用，同时将不同的循环进行结合，可以有效促进新技术研究速度的提高。

4.2 增压器与动力涡轮内部流动

我国虽然已经加大了增压器的研究力度，但是和国际仍然有较大的差距。首先在理论研究方面存在一定的问题，使得工程技术水平较低，其次，在研究中重点对内燃机进行整体的性能测试，忽视了内燃机内部机理各个小点因素带来的影响，没有对内燃机内部结构有充足的认知[7]。除此之外，追求单机效率或者追求单级效率会让相关人员不再重视系统的运行情况，在进行内燃机设计时只是将单个设计点作为重点。在现代研究情况下增压器设计和动力涡轮部件设计的发展方向为高效率、高压比、优良性能，可以为内燃机发展提供重要动力。国内在研究过程中应当积极吸收国外的先进研究经验，从而优化设计方法，突破现存的增压器研究局限性。

5  结束语

当前在内燃机流动热力学的研究过程中将其循环热力过程流动规律以及给内燃机性能带来的影响作为研究要点，这也为涡轮增加技术的研究提供了重要的基础。涡轮增压技术和动力涡轮余热利用技术是减少交通行业能源消耗、减少二氧化碳排放的重要手段和核心技术。在创新涡轮增压技术时需要依靠流动热力学的研究进展，需要重点对这一学科展示深入研究，以此来促进增压技术水平的不断提高，满足国民经济发展需求，落实节能减排的发展理念。

参考文献：

[1]俞挺，吴晓庆，梁超.内燃机机械增压技术与性能评价分析[J].南方农机，2020，51（24）：54，70-71.

[2]白永厚，徐建峰，郭春，等.高原环境隧道施工内燃机功率调整与燃油成本分析[J].现代隧道技术，2020，57（S1）：1200-1207.

[3]刘红彬，桂勇，骆清国，等.高功率密度柴油机不同增压系统方案性能比较研究[J].兵器装备工程学报，2020，41（10）：112-116，145.

[4]杨珍帅，王焕然，李瑞雄，等.内燃机增压-压缩空气储能冷热电联产系统[J].储能科学与技术，2020，9（06）：1917-1925.

[5]寿磊，余旭东，谢栩聪，等.涡轮增压柴油发动机电动增压子系统的匹配设计[J].机械制造，2020，58（08）：49-53，57.

[6]李国琳，孙永华，李希朝，等.内燃机流动热力学与涡轮增压技术研究[J].内燃机与配件，2018（10）：93-94.

[7]蔡宸禄.试论内燃机流动热力学与涡轮增压技术[J].内燃机与配件，2018（13）：88-90.

作者简介：刘星（1990-），女，河南南阳人，助教，硕士，研究方向为机械工程。