排气制动对增压器轴向载荷影响的研究*

龚金科，黄张伟，胡辽平，李 靖，余明果，陈 韬

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.湖南天雁机械有限责任公司，衡阳 421005)



2015133

排气制动对增压器轴向载荷影响的研究*

龚金科，黄张伟，胡辽平，李 靖，余明果，陈 韬

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.湖南天雁机械有限责任公司，衡阳 421005)

针对车辆上同时应用排气制动与涡轮增压的情况，研究了排气制动对增压器轴向载荷的影响。通过排气制动与增压器联动试验测量了增压器在各个工况下的轴向载荷，从而确定了数值计算所需的边界条件，并通过数值计算获取了增压器在各个工况的轴向载荷的分布情况。结果表明，与正常工况相比，增压器在排气制动工况下其轴向载荷显著增大，且排气背压越高，增压器轴向载荷越大；涡轮级轴向载荷反向且增大；压气机级轴向载荷显著下降，但方向不变。

增压器；排气制动；轴向载荷；联动试验

前言

排气制动具有良好的制动性能，构造简单，在车辆上的使用日益普遍[1]；涡轮增压则以其可提高发动机输出功率和改善排放特性等优势在车辆上得到广泛应用[2]。基于以上优点，二者通常同时应用在车辆上。

1 排气制动工况下增压器涡轮工作状况分析

通过在发动机排气管安装一个排气制动阀，当车辆进入制动工况时，发动机停止喷油，排气制动阀关闭，因而发动机在排气行程时需要克服较大排气阻力做功，发动机变为消耗车辆能量的“压缩机”，以达到降低车辆速度的目的[1]。

排气制动阀为蝶阀，其相对于增压器的安装位置如图1所示，排气蝶阀安装在距涡轮机出口100mm处。

当排气蝶阀关闭时，增压器涡轮机出口压力显著升高，通过涡轮的流量降低，流速下降，涡轮工作效率下降，转速显著降低，其工作状态偏离原设计工况。涡轮的单位质量等熵膨胀功[2]为

(1)

式中：R为摩尔气体常数；k为绝热指数；T1，p1分别为叶轮进口温度和压力；p2为叶轮出口压力。由于排气制动时发动机不发生喷油压燃过程，叶轮进口温度较正常工况低，随着排气蝶阀的关闭，涡轮区域流通性变差，进出口压差减小，因此排气制动过程涡轮做功能力明显下降。

根据文献[6]的研究可知，增压器在发动机起动和停车等突变工况下其突变轴向载荷很大。车辆由正常工况切换至排气制动工况时，增压器的进出口条件发生突变，而一般涡轮增压器在设计时都只注重与发动机的正常工况匹配[2]，而未考虑发动机排气制动的影响，因此在排气制动时，涡轮增压器会进入不良工作状态，影响其使用可靠性。且排气制动在车辆上是一个需要长期频繁使用的制动措施，其对增压器可靠性的影响也将是长期的。

2 增压器与排气制动联动试验方案

为研究排气制动工况下增压器的工作状况，测量增压器的轴向载荷，给定数值计算所需的合理可信的边界条件，并验证数值计算的正确性，设计了本试验方案。

增压器与排气制动联动试验方案如图2所示。试验时，通过总控平台先将发动机起动，待发动机工作状态稳定后由采集平台采集各项正常工况下运行数据。当测试发动机由正常工况切换至排气制动工况时，须先启动拖动电机，使其转速达到预设的转速，在发动机停止喷油的同时合上离合器，通过排气制动ECU控制排气蝶阀按设定的速度关闭至相应的角度，使排气背压达到预设值，使发动机在拖动电机拖动下转动，以模拟排气制动工况。由排气制动工况切换至正常工况时则预先打开排气蝶阀，随后松开离合器使拖动电机与发动机分离，同时发动机喷油工作进入正常工况。增压器轴向载荷的测量方法依照文献[6]中所介绍的方法进行。

护理工作辛苦繁琐、排班制度不稳定调动大，护理人员社会地位低、不受尊重是在广大护生中的普遍印象。许多人对护理工作存在偏见,把为病人提供日常生活照顾、打针、发药作为护理工作的全部。护理本科在校生主要是在校内课堂上学习专业基础知识以及在实验室学习操作技术，并没有在临床上与病人进行面对面的交流沟通，因此，对于即将从事的职业或多或少会缺乏信心，甚至出现焦虑、恐惧等心理。

本试验目的为测量不同排气背压下增压器的轴向载荷，并计算所需的转速、流量和背压等数据。通过排气制动ECU控制排气蝶阀的关闭开启速率以达到控制排气背压突变时间的目的。鉴于在排气制动工况时为获得较高的制动功而将发动机保持在较高转速[1]，且为对比不同排气背压下涡轮转子轴向受力情况，而将试验中发动机正常工况下的转速设为2 200r/min，拖动电机通过离合器带动发动机模拟排气制动工况时，发动机转速也须保持在2 200r/min。在数值计算中，为保证计算的精度并加快收敛速度，采用的边界条件为质量入口，压力出口，因此在试验中测量了增压器涡轮入口端的质量流量与总温和涡轮出口端的背压；由于是对转子区域进行数值计算，故测量并记录了各工况下对应的增压器转速。稳态工况下的测试结果如表1所示。表中工况1对应的是正常工况，工况2～4分别对应不同排气背压下的排气制动工况。由表可知，排气制动时，增压器转速显著下降，涡轮机进口气体总温明显下降，因此其做功能力随之下降。排气制动时增压器轴向载荷Ftc显著增加，且排气背压越高增压器轴向载荷越大，而过大的轴向载荷将严重影响增压器的使用可靠性。

表1 增压器与排气制动联动试验结果

3 增压器轴向载荷数值计算与分析

对于增压器轴向力的计算采用文献[9]中的方法。图3是作用在增压器涡轮转子轴向受力简图，假定Fc3的方向为正。

增压器总体轴向载荷Ftc为

Ftc=Ft-Fc

(2)

式中：Ftc为增压器总体轴向载荷；Ft为涡轮级轴向载荷；Fc为压气机级轴向载荷。

压气机级轴向载荷Fc为

Fc=Fc1+Fc2-Fc3

(3)

式中：Fc1为压气机叶轮进口气体力；Fc2为压气机叶轮进口外径至出口外径处气体力；Fc3为压气机叶轮轮背气体力。

涡轮级轴向载荷Ft为

Ft=Ft1+Ft2-Ft3

(4)

式中：Ft1为涡轮叶轮进口气体力；Ft2为涡轮叶轮进口外径至出口外径处气体力；Ft3为涡轮叶轮轮背气体力。

根据传统的计算方式可较快捷地求取增压器轴向受力，且可知影响增压器轴向力的因素主要有转速、背压、增压器几何形状和流量等，基于这些因素可对增压器轴向受力进行预测[9]。但其局限在于叶轮进出口截面上压力难以测量；热力计算过程中的系数须根据经验选取，对计算结果有较大影响，因此只适合计算稳态工况下的轴向力，不适合突变工况的计算。

针对某型与排气制动联合使用的增压器涡轮机和压气机分别进行建模，运用NUMECA的三维黏性流动数值计算软件Fine/turbo进行涡轮机内部流场的计算，计算中采用S-A湍流模型，动静子区域采用FNMB(full non matching boundary)方式进行耦合，在正常工况根据发动机尾气成分给定新建工质，排气制动工况下由于发动机气缸内不发生喷油和压燃过程，故选用理想气体作为计算工质。其具体网格划分方案见图4。最终算得涡轮转子轴向受力。

3.1 增压器轴向载荷计算结果

稳态工况即待涡轮级和压气机级运行稳定后计算其流场分布，得出其轴向力的分布情况，并为突变工况计算提供初始条件。本文中分别计算了正常工况下(背压105.7kPa)和3组不同背压的排气制动工况(背压分别为365.7，415.7，465.7kPa)下增压器轴向载荷。

数值计算的边界条件来自于试验，分别给定各个计算工况下的涡轮转速；入口条件为质量入口、总温；出口给定静压；固壁条件设置为绝热、无渗透、无滑移的边界条件，通过固壁的质量通量、动量通量及能量通量为零。压气机级的设定与上述设定类似。

收敛标准为残差下降5个量级，进出口流量误差在0.5%以下；轴向载荷计算误差在5%以下，因此可以认为该计算模型结果可信。

各工况下增压器轴向载荷计算结果见表2。1号工况为增压器在正常工况下所受的轴向力，2～4号工况为排气制动工况下增压器轴向受力。

3.2 涡轮级轴向载荷分析

对比各组数据可知，排气制动时涡轮所受轴向力的方向与正常工况下相反，且随着排气背压升高，涡轮转子轴向受力Ft逐渐增大，但其绝对值与正常工况下相比相差不大。对比各个工况下叶轮和背盘所受轴向力可知，随着排气背压升高，叶轮受力和背盘受力都有所增大，但叶轮受力增加程度更大，这主要是因为由于排气制动阀关闭，在叶轮区域造成比较严重的堵塞，虽然其流量较正常工况下有所减少，但叶轮区域压力反而更大，流通性变差，其压力分布范围较正常工况下更窄，如前所述，涡轮端轴向受力，主要影响因素有涡轮转速、质量流量和叶轮所受压力。在正常工况下，涡轮流通性好，排气制动工况下，涡轮区域流通性急剧恶化，转子系统转速降低，质量流量下降，因此气体流动变化而产生的动量力减小；但对轴向力的主要组成部分是由作用在叶片上的压力造成的，随着背压升高，涡轮叶轮轴向受力会有较大变化。

表2 稳态工况下增压器轴向载荷计算结果

如图5所示，随着排气背压的升高，涡轮级叶轮压力增大。正常工况下，在涡轮端压降大，其叶片区域静压分布在50～350kPa之间，且分布分散，从入口到出口压力下降均匀，所以作用在叶轮上的轴向力较小；而随着排气背压的升高，涡轮区域流通性变差，造成严重的堵塞，背压越大，在涡轮叶轮区域压力分布越集中，如图所示，当背压升高至465.7kPa时，叶轮静压分布于440～510kPa之间，区间变窄，且数值更大；因此，背压的升高会直接导致叶轮区域所受轴向力的增大，即Ft1+Ft2值增大。

轮背区域轴向载荷主要受轮背区域压力分布影响，各个排气背压下轮背区域压力分布如图6所示，轮背区域压力受其入口压力和转子转速的影响，当排气背压越高，轮背区域入口压力越大，一方面由于气体黏性，轮背间隙区域的气体会在转子带动下而作旋转运动，稳态工况时，根据气体力与离心力平衡关系，越靠近间隙入口区域气体线速度越大，因此所受离心力越大，所产生的压力也越大；另一方面由于涡轮转子不是全半开式叶轮，造成在轮背间隙入口区域有一定程度的涡流产生，转子转速越高，涡流越强烈。在轮背区域随着排气背压的升高，其压力分布也随之增大，且背压越高，轮背区域压力分布越集中，其轴向载荷亦随之增大，即Ft3增大。轮背区域受力面积较叶轮区域小，轮背轴向载荷方向与叶轮区域相反，但轴向载荷随背压增加幅度小于叶轮部分轴向载荷增幅，因此造成在排气制动时涡轮级轴向载荷反向。综合其轴向载荷反向的原因，一是因为叶轮区域压力分布在排气制动时更加集中于高压区域，虽然流量减小，因速度变化冲击造成的轴向载荷减小，但起主要作用的还因叶轮受压而产生的载荷；另一方面，轮背区域压力跟转速有较密切的关系，转速下降轮背区域压力下降[2]，进而导致轴向载荷减小。

3.3 压气机级轴向载荷分析

在压气机级，进口条件在正常工况下和在排气制动工况下都是一个大气压，出口压力随其自身转速而改变，因此压气机的轴向受力也是随其转速变化而变化。当增压器处于正常工况时，转子转速高，压气机级压比高，且流量大，转子轴向载荷相应也比较大；排气制动工况时，随着涡轮级排气背压升高，增压器转速下降，压气机叶轮区域进口部分真空度下降，出口处压力下降，气体压力与动量力都明显下降，即Fc1+Fc2下降。压气机级叶轮部分静压分布如图7所示，随着排气背压的升高，叶轮区域压力分布区间更窄，且最高压力明显下降，在转速为100 000r/min时，叶轮出口静压在180kPa左右，而随着转速下降到45 326，42 473，37 331r/min时，叶轮出口静压分别处于115，110，108kPa左右，因此叶轮轴向受力也随之降低。

轮背间隙入口压力接近叶轮出口区域压力，因此轮背压力普遍较叶轮区域高，一方面随着叶轮区域出口压力下降，进入叶轮轮背区域的气体也相应减少，另一方面随着转速降低，根据轮背间隙内气体力与离心力平衡，都会导致轮背区域压力下降，从而轮背轴向载荷减小，即Fc3减小。轮背区域静压分布如图8所示。由图可知，转速越高，轮背压力越大，当转速为100 000r/min时，轮背压力分布于160～182.5kPa区间；随着转速的下降，压力区间分布变窄，且压力变小，转速为45 326，42 473，37 331r/min时，轮背压力分别分布于109～114kPa，108～112kPa，105.5～109kPa。由于压气机轮背区域受力面积较叶轮区域受力面积大，且压力分布相对叶轮区域集中于较高压力范围，因此压气机级轴向载荷方向不变，即无论在正常工况还是排气制动工况都有Fc3>Fc1+Fc2。

4 结论

(1) 增压器在排气制动时轴向载荷与正常工况轴向受力方向一致，且排气背压越高所受轴向载荷越大。确定合理的排气背压对减小增压器轴向力有重要意义。

(2) 增压器涡轮级在排气制动时轮背区域及叶轮区域受力都会增大，但叶轮区域轴向载荷增加幅度更大，因此轴向载荷在与正常工况下受力方向相反。

(3) 增压器压气机级的轴向载荷主要受转速影响，排气制动时，增压器转速下降其轴向载荷也下降，但载荷方向始终不变。

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A Research on the Effects of Exhaust Braking on the Axial Thrust of Turbocharger

Gong Jinke1, Huang Zhangwei1, Hu Liaoping1,2, Li Jing1, Yu Mingguo1& Chen Tao1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082; 2.HunanTyenMachineryCo.,Ltd.,Hengyang421005

The effects of exhaust braking on the axial thrust of turbocharger are studied for the vehicles with both exhaust braking and turbo-charging applied. The axial thrust of turbocharger in different working conditions are measured by the linkage test of exhaust braking and turbo-charging with the boundary conditions for numerical computation determined, and the distribution patterns of axial thrust of turbocharger in different conditions are obtained by numerical computation. The results show that compared with normal condition, in exhaust braking condition, the axial thrust of turbocharger significantly increases (the higher the exhaust back pressure, the larger the axial thrust of turbocharger), the axial thrust of turbine increases with its direction reversed, and the axial thrust of compressor greatly reduces with its direction unchanged.

turbocharger; exhaust braking; axial thrust; linkage test

*国家863计划项目(2008AA11A116)资助。

原稿收到日期为2013年11月4日，修改稿收到日期为2014年1月6日。