車用渦輪增壓器啟停沖擊平臺仿真及應用

馬朝臣，張亞杰，張虹

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

車用渦輪增壓器啟停沖擊平臺仿真及應用

馬朝臣，張亞杰，張虹

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

為了考核車用渦輪增壓器在頻繁啟停沖擊工況下的可靠性，本文提出了一種新型自循環試驗臺架,并通過仿真實驗驗證了該臺架的可行性。依據試驗臺的實際工作過程，建立了整個試驗臺的數學模型，并在Matlab/Simulink中搭建相應模塊,對試驗臺架進行動態仿真；同時為了驗證數學模型的關鍵假設是否成立，利用軟件ANSYS/CFX對試驗臺架的局部管道進行流體仿真分析。仿真結果證明了該試驗臺架節約能源，且能夠穩定地運行，可用來考核渦輪增壓器在啟停沖擊工況下的可靠性，同時為試驗臺的應用提供了必要的技術參數(噴油壓力、閥門控制策略和燃氣溫度等)。

渦輪增壓器； 可靠性； 試驗方法； 啟停沖擊； 動態仿真； 自循環； 燃燒室； 節能

Abstract：A new experimental test bench that is based on the self- circulation method is proposed for testing turbocharger durability under frequent start- stop conditions. The feasibility of the test bench is verified through simulation. First, a mathematical model for the test bench is established in accordance with its actual working process. Then, the corresponding modules for its dynamic simulation are established in Matlab/Simulink. Meanwhile, to verify the feasibility of the key hypothesis for the mathematical model, the local pipeline flow is simulated on CFX. Results showed that the proposed test bench can operate steadily with low energy consumption during the testing of turbocharger durability under start- stop conditions. Additional data, such as fuel injection pressure, intake gas rate, and combustion gas temperature, are provided for practical applications.

Keywords：turbocharger; durability; testing method; start- stop; dynamic simulation; self- circulation; combustor; energy saving

為了解決汽車在怠速工況下燃油消耗和有害物質排放的問題，新型節能汽車都采用了發動機啟停技術[1-4]。汽車在遇到紅燈時完全熄火停機，增壓器也隨之停轉，之后快速啟動。發動機啟動時增壓器在短時間內從靜止狀態加速到高速狀態，轉子將受到比穩態工作更強的沖擊，軸承磨損也會更加嚴重，汽車在城市道路行駛過程中，頻繁啟停，轉子因此不斷受到強烈沖擊，這對渦輪增壓器軸承系統和葉輪葉片的可靠性是一個巨大挑戰[5-6]。

目前針對渦輪增壓器的可靠性試驗主要有增壓器100 h耐久熱循環考核試驗、冷熱沖擊測試和高低周疲勞測試等[7-8]，均不能夠考核渦輪增壓器在啟停工況下的可靠性，針對啟停工況下的可靠性問題，現有的文獻大多對軸承系統或其他部件受到的影響進行研究[9-12]，但并無給出具體的測試方法。文獻[13]提出在該工況下測試整個發動機可靠性的方法，該方法需要整個發動機連續工作，成本較高，且不能單獨考核渦輪增壓器的可靠性。而對于渦輪增壓器在該工況下的可靠性測試方法，國內外均未有相關文獻提出。

為了更加全面地考核渦輪增壓器的可靠性，填補這一測試技術空白，本文提出了一種渦輪增壓器啟停沖擊試驗臺，該試驗臺方案采用自循環的方式，節約能源；整體結構上看，包含一個燃燒室和兩個增壓器，在一個測試周期內可完成兩個樣本的可靠性考核，節約時間。為驗證該試驗臺的可行性，本文利用Matlab/Simulink和CFX進行仿真分析，同時用其仿真結果所得數據指導試驗。

1 啟停沖擊試驗臺結構及原理

圖1為渦輪增壓器試驗臺的結構原理圖，該試驗臺主要由渦輪增壓器、燃燒室、管道、溫度傳感器、轉速傳感器和調節閥門等組成。其中轉速測量采用電渦流傳感器，壓氣機端溫度測量采用Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，渦輪端溫度測量采用鎳鉻-鎳硅熱電偶，性能如表1所示。

1-燃燒室，2-燃燒室出口管道，3-高溫轉換閥門，4-第一燃燒室出口管道支路，5-第一壓氣機進氣管道，6-第一壓氣機,7-第一渦輪,8-第一渦輪出口管道，9-第二渦輪出口管道，10-第二渦輪,11-第二壓氣機,12-第二壓氣機進氣管道，13-第二燃燒室出口管道支路，14-第二壓氣機排氣管,15-第二閥門,16-第一閥門,17-第一壓氣機排氣管，18-氣流引射器，19-外氣源閥門圖1 渦輪增壓器啟停沖擊試驗臺Fig.1 The testing bench for turbocharger under start- stop working condition

儀表名稱量程/響應頻率精度電渦流傳感器25KHz<0.2%Pt100鉑熱電阻溫度傳感器0～250℃0.15℃+0.002|t|(t為溫度)鎳鉻-鎳硅熱電偶0～1000℃±3%

測試開始，在第一回路或第二回路處于接通的狀態下利用外氣源啟動，同時另一回路保持靜止不工作狀態。待穩定運轉后關閉外氣源，僅由壓氣機提供空氣輔助單回路循環，另一回路的增壓器靜止。之后，調節閥門使另一回路接通，原來工作回路中的增壓器依靠慣性繼續空轉為燃燒室供氣，另一回路逐漸啟動后徹底關閉原來工作回路的閥門，這樣便完成了一次增壓器啟動-停止的動作，最后循環以上步驟便可完成渦輪增壓器啟停沖擊試驗。

為保證試驗能夠達到考核增壓器啟停沖擊的目的，且試驗條件不超過試驗臺本身的限制，必須滿足技術要求如下：渦輪增壓器加速的時間要接近實際工況下的時間；同時燃氣溫度不能超過高溫轉換閥門的限制溫度。此外，根據文獻[13]，該試驗臺啟停循環需要進行10萬次，才能夠考核出增壓器在啟停工況下的可靠性。

2 動態仿真過程

試驗臺的啟停切換過程中，增壓器頻繁啟動停止，為了保證試驗臺穩定工作，需要研究啟停切換過程油量的控制方法和閥門開閉的時機，以保證燃燒室進氣量穩定、燃氣溫度不超過高溫轉換閥門的限定值及能量的平衡關系，以確保增壓器快速啟動。

本文利用Matlab/Simulink建立試驗臺啟停切換過程的動態仿真模型，建模過程針對實際工作的物理過程，以質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程和理想氣體狀態方程等基本理論為基礎，并作適當簡化，最終得到能夠反映試驗臺實際工作過程的模型。

模型主要包括燃燒室、渦輪、壓氣機、進氣管容積、轉子動力學和引射器模塊。

2.1 仿真數學模型

2.1.1 燃燒室仿真模型

燃燒室仿真模型中假設了燃油和空氣能夠充分燃燒，同時由于燃氣成分復雜，無法獲知其定壓比熱容，因此用空氣的定壓比熱容代替。

模型中進氣質量流量通過試驗數據[13]獲得，由壓氣機出口氣體總壓和燃燒室出口氣體溫度與壓氣機出口氣體溫度之比的對應關系得到，其中燃氣溫度[13]如下：

(1)

(mb+mf)Cpm(T3-T2)=mfHu

(2)

式中：f3為函數關系符號，mb為進入燃燒室的空氣質量流量，P1為壓氣機出口氣體總壓強，T3為燃燒室排氣溫度，T1為壓氣機出口氣體溫度，mf為燃油質量流量，Cpm為空氣定壓比熱容，T2為壓氣機出口氣體溫度，Hu為燃油的低熱值。

2.1.2 渦輪仿真模型

根據參考文獻[5]，渦輪的效率由渦輪轉速和膨脹比的對應關系得到，渦輪的燃氣質量流量和渦輪轉矩表示為[7]

mt=mb+mf

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：mt為進入渦輪的燃氣質量流量，mb為進入燃燒室的空氣質量流量，mf為燃油質量流量，ηt為渦輪的總效率，N為渦輪的轉速，P2為渦輪入口氣體總壓強，P3為渦輪出口氣體總壓強，Mt為渦輪傳遞給壓氣機的轉矩，π為渦輪膨脹比，Cpe為燃氣定壓比熱容，T3為渦輪入口燃氣溫度，ηt為渦輪的效率，ω為壓氣機轉動角速度，γ為氣體絕熱指數。

2.1.3 壓氣機仿真模型

根據參考文獻[13]，壓氣機的流量和效率由壓氣機轉速和壓比的對應關系得到，出口溫度和所需轉矩表示為[7]

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：f1和f2為函數關系符號，mc為壓氣機的流量，N為壓氣機的轉速，P4為壓氣機入口氣體總壓強，ηc為壓氣機總效率，Mc為驅動壓氣機所需的轉矩，ηc為壓氣機效率。

2.1.4 容積仿真模型

由于進氣管和排氣管道的總容積較大，導致動態工況下壓氣機出口流量和進入燃燒室的氣體流量不相等，同時燃燒室出口流量和進入渦輪的流量也不相等，為了簡化仿真模型并反映這一動態效果，將排氣管道的容積并入到進氣管道，最終引入進氣管容積模型如下[13]

(11)

式中：Vin為進氣管容積，Rg為空氣氣體常數。

2.1.5 轉子動力學仿真模型

為簡化模型，轉子動力學模型忽略了摩擦力引起的阻力轉矩。渦輪增壓器的轉動角速度表示為

(12)

式中：J為渦輪增壓器的轉動慣量，Mt為渦輪的轉矩，Mc為壓氣機的轉矩。

2.1.6 引射器仿真模型

為簡化模型，引射器的數學模型假設兩路氣流均能夠順利進入燃燒室，之后通過CFD仿真的方法來驗證假設是否成立。兩路氣體的質量流量以及混合氣流的溫度和總壓由以下式子得到。

根據能量守恒方程和質量守恒方程得到

CpaTam1+CpaTbm2=CpaTinmin

(13)

min=m1+m2

(14)

由式(12)和(13)可得混合氣流的溫度為

(15)

式中：Cpa為空氣定壓比熱容，Ta為第一回路中燃燒室入口空氣溫度，m1為第一回路中燃燒室入口空氣質量流量，Tb為第二回路中燃燒室入口空氣溫度，m2為第二回路中燃燒室入口空氣質量流量，Tin為燃燒室入口空氣溫度，min為燃燒室入口空氣質量流量。

根據理想氣體狀態方程得到

Pin_(t+Δt)V=(ma_t+mb_t)RTin_t

(16)

(17)

(18)

由于氣體流速很快，Δt極小，因此式(16)～(18)可分別等價為

Pin_tV=(ma_t+mb_t)RTin_t

(19)

(20)

(21)

由式(19)～(21)可得混合氣流總壓為

(22)

式中：t為引射器工作某時刻，Δt為單位氣體在引射器中停留的時間，ma為引射器中第一回路的氣體質量，mb為引射器中第二回路的氣體質量，Pin為混合氣流總壓，R為理想氣體常數，Pa為引射器中第一回路的氣流總壓，Pb為引射器中第二回路的氣流總壓。

根據伯努利方程和質量守恒方程得到

(23)

(24)

由式(14)、(23)和(24)和可得兩路氣體的質量流量為

(25)

(26)

式中：ρ為空氣密度，A為引射器引射段的截面積。

2.2 Matlab/Simulink仿真結果分析

由于啟動過程中外起源為燃燒室供氣，整個系統一定能夠順利啟動，因此該仿真過程僅包含啟停切換過程。仿真初始狀態為：第一回路已啟動并穩定運轉，第二回路處于靜止狀態，外氣源閥門19處于關閉狀態，第一閥門16和第二閥門15均處于打開狀態，高溫轉換閥門3剛剛接通第二回路；試驗臺工作7.5 s時，瞬間關閉第一閥門16，其余閥門保持原來狀態。為充分驗證試驗臺的可行性，本文在保證燃氣溫度不超過高溫轉換閥門限制的前提下，根據噴油率的高低，選取高負荷、中負荷和低負荷三種不同工況。

圖2為三種工況下噴油率隨時間變化的曲線，圖3為三種工況下增壓器轉速隨著時間變化的曲線，圖4～6分別為三種工況下燃氣溫度和進氣流量隨著時間變化的曲線。

圖2 三種工況下燃燒室的噴油率Fig.2 The fuel flow of combustor under three conditions

圖3 三種工況下渦輪增壓器的轉速Fig.3 The speed of turbocharger under three conditions

噴油率的變化趨勢是基于不超過高溫閥門溫度限制和盡可能提高燃氣溫度的前提，根據計算結果不斷調整而得。為控制研究變量的數量，由圖2可知，三種工況下的變化趨勢完全相同，僅量值不同。

由圖3可知，增壓器的轉速的整體趨勢先迅速上升，然后緩慢上升，這是由于隨著增壓器轉速的升高，壓氣機端空氣阻力增大，導致整個轉子系統的加速度變小，最終達到平衡的狀態；此外，負荷越大，壓氣機轉速上升越快，這是由于負荷大的工況下，噴油率較高，導致燃氣能量更高，因此在同樣的阻力條件下渦輪端的轉矩更大，轉子系統獲得的加速度也就更大。

圖4 高負荷下燃燒室的進氣流量和燃氣溫度Fig.4 The gas flow and exit gas temperature of the combustor under high load condition

圖5 中負荷下燃燒室的進氣流量和燃氣溫度Fig.5 The gas flow and exit gas temperature of the combustor under middle load condition

圖6 低負荷下燃燒室的進氣流量和燃氣溫度Fig.6 The gas flow and exit gas temperature of the combustor under low load condition

由圖4～6可知，高負荷下低進氣量持續時間更短，這是由于高負荷下增壓器轉速提升速度更快，能夠在更短時間內恢復到正常進氣水平；此外，可看出負荷越小，燃氣溫度的高峰值出現時間越滯后，這是由于噴油率和進氣量共同作用引起的，由式(2)可知，mf/mb越大，燃氣溫度越高，因此高負荷下，燃氣溫度峰值出現在進氣量布谷處，而低負荷下低進氣量持續時間較長，噴油率逐漸升高，因此燃氣溫度峰值出現時間滯后。

綜上所述，該試驗臺在三種負荷下均能夠穩定運行，但為了最好地考核渦輪增壓器在啟停工況下的可靠性，應該在不超過高溫閥門的溫度限制下盡可能提高負荷。

3 引射器流體仿真

由于在Matlab/Simulink仿真中，引射器的數學模型基于兩路氣流均能夠流入燃燒室的假設，因此需要利用流體分析的方法驗證假設是否成立，仿真中假設氣體為理想氣體，且隔板無泄漏，其兩側氣體不會互相干擾。

本文利用CFX軟件對引射器進行流體仿真分析，根據仿真結果不斷調整管道直徑和出口截面比等幾何結構參數，最終找到符合假設的引射器結構。確定的三維模型以及仿真結果分析如下。

圖7為引射器的三維模型俯視圖，引射器的左邊入口接第二回路管道，右邊入口接第一回路管道，出口呈漸縮型，隔板的前半段處于引射器中間，后半段可人為控制擺動。

圖7 引射器幾何模型Fig.7 The geometry of the ejector

邊界條件引射器的三個接口的氣流壓力值不相等，且分別隨著時間發生變化，本文通過Simulink仿真模型得到三個接口在高負荷工況下的氣流壓力值隨著時間變化的關系，并擬合出函數關系式，將其代入到CFX中作為引射器的邊界條件。

圖8、9分別為交匯處氣流在2.5 s前和2.5 s后的典型流動情況。

圖8 2.5 s內氣流情況Fig.8 The gas flow before 2.5 s

圖9 2.5 s后流動情況Fig.9 The gas flow after 2.5 s

如圖8、9所示，2.5 s前在隔板下方有一個小的漩渦，漩渦隨著時間越來越小，到2.5 s完全消失；2.5 s后兩路氣體均能夠順利進入燃燒室。這是由于2.5 s前隔板上方的氣體靜壓接近下方氣體的總壓，因此上方的部分氣體會向下偏斜與下方氣體相互作用形成小漩渦，2.5 s后隔板下方的氣體總壓高于上方氣體的靜壓，不再生成漩渦，兩路氣體均可順利流向燃燒室。

從仿真結果可知，原來的假設基本成立，因此試驗臺能夠穩定運行。

通過仿真研究，對本文所提出試驗臺的可行性進行了驗證，結果證明，該試驗臺能夠穩定的運行，用來測試渦輪增壓器在啟停工況的可靠性；同時，借助本文建立的仿真模型，為后續的試驗工作提供了一些必要的數據，比如燃燒室噴油規律、試驗周期時間和燃氣溫度等，利用這些數據可以為試驗工作提供指導。

此外，在實際進行試驗中，也要調節潤滑系統的壓力，并在不同環境溫度下進行試驗，以進一步模擬出增壓器的實際運行工況，以充分考核增壓器在啟停工況下的可靠性。

4 結論

1)提出了一種渦輪增壓器啟停沖擊試驗裝置，利用自循環方式完成試驗，減少電能消耗。

2)利用Simulink仿真模型實現動態仿真，并利用CFX對引射器進行流體仿真分析，對其工作機理進行了深入研究，結果表明該試驗臺架能夠穩定運行。

3)為試驗臺提供了噴油規律和閥門控制策略，具有工程指導意義。

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Testbenchforvehicleturbochargerdurabilityunderstart-stopworkingconditions:simulationandappliedresearch

MA Chaochen, ZHANG Yajie, ZHANG Hong

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

10.11990/jheu.201605039

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1511.086.html

TK417

A

1006- 7043(2017)09- 1470- 06

2016-05-13. < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期：2017-04-27.

國家自然科學基金項目(51375048).

馬朝臣(1959-)，男，教授，博士生導師； 張亞杰(1992-)，男，碩士研究生.

張亞杰，E- mail:zhangyajie19920929@163.com.

本文引用格式：馬朝臣，張亞杰，張虹. 車用渦輪增壓器啟停沖擊平臺仿真及應用[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(9): 1470-1475.

MA Chaochen, ZHANG Yajie, ZHANG Hong. Test bench for vehicle turbocharger durability under start- stop working conditions: simulation and applied research[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(9): 1470-1475.