單級廢氣渦輪增壓柴油發(fā)電機采用小型化方案，隨之出現了柴油發(fā)電機低轉速范圍內較高的額定功率與良好的性能之間的目標沖突。為了擴展穩定的特性曲線(xiàn)場(chǎng)范圍，分析了橫截面可變的徑向壓氣機，德國漢諾威萊布尼茨大學(xué)（der Leibniz UniversitätHannover）和布倫瑞克理工大學(xué)（der TechnischenUniversität Braunschweig）在內燃機聯(lián)合會(huì )（FVV）研究計劃框架中進(jìn)行了試驗研究。

一、增壓器研究的目的

為了能勝任當前和未來(lái)的廢氣排放標準，現有的技術(shù)更趨向于實(shí)現柴油發(fā)電機小型化，即借助于廢氣渦輪增壓器（德語(yǔ)縮寫(xiě)ATL）在保持功率水平不變的情況下減小排量，而且開(kāi)發(fā)小排量柴油發(fā)電機是明顯有利于降低成本的。由于柴油發(fā)電機的轉速范圍和質(zhì)量流量范圍都較大，必須加大廢氣渦輪增壓器壓氣機的穩定運行范圍，以此能提高低轉速扭矩時(shí)的增壓壓力而又不會(huì )降低柴油發(fā)電機的最大功率。為了能加大和穩定壓氣機的運行范圍，首先在廢氣渦輪增壓器熱氣試驗臺上，按照所需要的過(guò)程循環(huán)（圖3）對擴大特性曲線(xiàn)場(chǎng)潛力的措施進(jìn)行試驗研究，以便緊接著(zhù)能在柴油發(fā)電機試驗臺上驗證極為有效的措施效果。

二、方案開(kāi)發(fā)和預研究

在廢氣渦輪增壓器轉速恒定不變的情況下，壓氣機的質(zhì)量流量取決于最窄的橫截面以及葉輪進(jìn)出口橫截面積之比（調諧），其最小質(zhì)量流量是在質(zhì)量流量較小的情況下由于壓氣機運行不穩定性所導致的。在質(zhì)量流量較小時(shí)葉輪前緣的軸向速度分量將減小，使入射角增大,導致壓氣機葉輪中的流動(dòng)分離,以此會(huì )引起壓氣機喘振。外部葉片頂部范圍的流入和回流影響流動(dòng)分離，并降低壓氣機葉輪中的能量轉換和壓力建立過(guò)程。壓氣機出口處的流動(dòng)角減小會(huì )使氣體在擴壓器中的流動(dòng)路程加長(cháng)，以此會(huì )使摩擦損失增大從而降低動(dòng)能。如果動(dòng)能降低較多的話(huà)，流動(dòng)就會(huì )出現分離并在擴壓器中形成分離氣泡。

為了穩定和擴大壓氣機的運行范圍，對于壓氣機的應用目前已有相應進(jìn)口導向措施，例如可變的、可開(kāi)關(guān)的或固定的導向葉片。這些進(jìn)口導向措施可以是帶有輪轂體、環(huán)形隔板或完全無(wú)輪轂體的結構型式，其中壓氣機流動(dòng)的可變進(jìn)口導向葉柵可形成預旋流，其通過(guò)調整速度狀況可實(shí)現葉片前緣無(wú)入射角的流動(dòng)。

另一個(gè)可用于擴大壓氣機特性曲線(xiàn)場(chǎng)且更為有效的措施是可變進(jìn)口截面。減小進(jìn)口面積有助于提高小質(zhì)量流量時(shí)的壓氣機流動(dòng)穩定性，從而提高柴油發(fā)電機低轉速時(shí)的最大扭矩（扭矩曲線(xiàn)的拐角扭矩）。作為附加措施，可借助于全面改變擴壓器來(lái)提高流動(dòng)速度和降低壓力，使得通過(guò)擴壓器的流動(dòng)路程更短，最終降低摩擦損失。

圖5示范性地示出了進(jìn)行部件試驗的相關(guān)裝置。進(jìn)口喇叭口、進(jìn)口隔板和進(jìn)口導向葉柵的變型方案應該進(jìn)行配置有環(huán)形隔板及并未配置有環(huán)形隔板的試驗。在保持葉輪進(jìn)口橫截面不變的情況下，進(jìn)口喇叭口方案與壓氣機殼體進(jìn)口直徑有關(guān)，進(jìn)口直徑增大會(huì )使特性曲線(xiàn)場(chǎng)范圍向質(zhì)量流量更小的方向移動(dòng)。隨著(zhù)質(zhì)量流量和轉速的提高，由此會(huì )達到比較小的壓比，特別是在較高的質(zhì)量流量和轉速情況下壓氣機的效率又會(huì )隨著(zhù)進(jìn)口直徑的增大而降低。進(jìn)口導向葉柵帶和不帶環(huán)形隔板對于所有的結構配置（不同的進(jìn)口導向葉柵角）都會(huì )使特性曲線(xiàn)場(chǎng)向質(zhì)量流量較小的方向移動(dòng)，但是這些結構配置的相互比較表明向質(zhì)量流量較小方向的移動(dòng)效果并不顯著(zhù)，因而可能產(chǎn)生的變化也不會(huì )呈現出顯著(zhù)的技術(shù)潛力，而且使用進(jìn)口導向葉柵會(huì )產(chǎn)生附加的損失，致使壓力降低。

對進(jìn)口隔板的預試驗表明，因減小了進(jìn)口面積而使喘振極限明顯向質(zhì)量流量更小的方向移動(dòng)。由于提高了軸向速度而使流動(dòng)趨于穩定，但是在較高的質(zhì)量流量時(shí)進(jìn)口面積的減小也會(huì )引起明顯的壓力降，而在較低的轉速下效率會(huì )隨著(zhù)進(jìn)口面積的減小而提高。

三、增壓系統實(shí)驗

基于對預試驗的認識，在柴油發(fā)電機試驗臺上對不同進(jìn)口直徑的可變進(jìn)口隔板的技術(shù)潛力進(jìn)行試驗。試驗柴油發(fā)電機采用了一臺可變進(jìn)排氣定時(shí)的4缸1.4 L柴油發(fā)電機，其增壓方案由一臺廢氣放氣閥渦輪增壓器組成，并應用了掃氣換氣方式，以便在額定功率達到110 kW的同時(shí)提高低轉速范圍內的扭矩（低端扭矩，英語(yǔ)縮寫(xiě)LET）。實(shí)驗性試驗時(shí)使用了柴油機所使用的可變幾何截面渦輪（VTG）和經(jīng)預試驗的壓氣機。為了在較小的質(zhì)量流量下利用擴大特性曲線(xiàn)場(chǎng)的措施充分發(fā)揮渦輪的工作能力，使用VTG渦輪是必不可少的。因減小了壓氣機進(jìn)口的流動(dòng)橫截面，量產(chǎn)柴油發(fā)電機的低轉速最大扭矩并不通過(guò)掃氣換氣來(lái)實(shí)現。

圖6示出了壓氣機進(jìn)口橫截面相對于基準方案減少到50% 或75% 時(shí)的情況，在柴油發(fā)電機試驗臺上測得的壓氣機特性曲線(xiàn)場(chǎng)示于圖4，扭矩-轉速曲線(xiàn)示于圖5。在用星號標志出的運行工況點(diǎn)上探測到壓氣機喘振，其表明對于75% 的方案喘振極限移向較小的質(zhì)量流量，這種可得到的較高的壓氣機壓比能提高LET范圍內的扭矩，在柴油發(fā)電機轉速為1500 轉/分鐘時(shí)扭矩能提高約20 N·m而達到170 N·m。與基準方案相比，通過(guò)將壓氣機進(jìn)口橫截面減小到50%，喘振極限會(huì )出現更明顯的移動(dòng)現象，采用這種方案無(wú)需采用掃氣換氣柴油發(fā)電機即可使轉速為1500 轉/分鐘時(shí)的扭矩達到250 N·m，該數值相比基準方案提高了67%，在這種情況下壓氣機的最大壓比并非受喘振極限所限制，而是由渦輪的工作能力或柴油發(fā)電機250 N·m的最大扭矩所限制的。

四、增壓器仿真試驗和建模

這種可變幾何截面渦輪常用于柴油機，因此出于保護零部件的原因，在全負荷時(shí)加濃混合氣將廢氣溫度限制在820 ℃。為了在柴油發(fā)電機運行時(shí)全面評估可變進(jìn)口隔板，建立并驗證了試驗柴油發(fā)電機的1D模型。綜合熱氣試驗臺和柴油發(fā)電機試驗臺上的測量結果可得到壓氣機特性曲線(xiàn)場(chǎng)，并成為模擬計算的輸入量，其中在柴油發(fā)電機試驗臺上測得的特性曲線(xiàn)場(chǎng)覆蓋了壓氣機較小質(zhì)量流量時(shí)的喘振極限，而在熱氣試驗臺上測得的特性曲線(xiàn)場(chǎng)則覆蓋了壓氣機較高質(zhì)量流量直至受到堵塞極限限制的工作范圍。

圖8示范性地示出了兩種壓氣機進(jìn)口橫截面積方案的模擬特性曲線(xiàn)場(chǎng)及其運行工況點(diǎn)曲線(xiàn)，其中基準方案的壓氣機特性曲線(xiàn)場(chǎng)用綠色表示，其覆蓋了約0.15 kg/s的質(zhì)量流量范圍。為了能在LET范圍內建立起較高的壓力，在壓氣機質(zhì)量流量小于0.05 kg/s的情況下就轉換到較小的壓氣機葉輪進(jìn)出口橫截面積之比，在圖6中用藍色表示。這種方案由于通過(guò)按需轉換壓氣機進(jìn)口橫截面并放棄掃氣換氣從而提高了壓氣機效率，因而能提供降低CO2排放的潛力，并且還相應提高了性能。使用單級增壓可達到的質(zhì)量流量范圍即可擴展到該數值，否則就必須使用兩級增壓了，因此通過(guò)使用可變進(jìn)口隔板就能提供通過(guò)增壓機組才能達到的工作范圍。使用單級增壓方案替代兩級增壓能降低調節費用和成本，并提供了在外形尺寸方面的優(yōu)勢。

五 、結論

減小廢氣渦輪增壓器壓氣機進(jìn)口橫截面能使喘振極限向小質(zhì)量流量方向移動(dòng)，以此就能提高柴油發(fā)電機低轉速范圍內的壓氣機壓比，從而提高柴油發(fā)電機所能達到的扭矩。根據運行工況點(diǎn)轉換壓氣機進(jìn)口截面的策略能顯著(zhù)提高單級增壓方案的性能，并且通過(guò)將壓氣機最佳效率區域不斷向柴油發(fā)電機運行范圍移動(dòng)就能降低CO2排放。