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提升涡轮增压压气机性能
发动机小型化与满足不断升级的排放标准逐渐成为未来内燃机设计的 主要技术挑战。前者主要在于如何提高发动机的功率密度，而后者的重点 是如何更好地控制影响尾气不良物质形成的关键参数。通常来说，减少废 弃物质排放常常会以牺牲发动机性能为代价，两者往往不可兼得。如果将 问题简单化，忽略极端运转条件下的燃烧化学性，不牺牲发动机性能即意 味着需要提升发动机的功率密度。采用涡轮增加来提升内燃机的性能约有 一百多年历史了。涡轮增压发动机的运转特性主要取决于涡轮机单元的配 置和整个系统的集成。涡轮增压器部件的效率水平，加上压气机稳定工作 的范围以及气体流量，对发动机的整体功率输出，瞬态响应以及设计人员 可以采用的尾气排放控制策略有非常大的影响。目前市场涌现的大多数洁 净燃烧策略都依赖排气再循环（EGR）方式，因此也就增加了对涡轮增压 器及涡轮增压器与内燃机正确匹配的要求（图 1）。
图1：高级涡轮增压技术常常在很大程度上依赖排气再循环（EGR），作
为排放控制方式，
从而使性能指标超出目前离心压气机的工作特性图
通常考虑两种方式：单涡轮增压器，采用一个压气机和一个涡轮，共用 一根轴；或者是双涡轮增压器，采用各种可能的排列方式（串联、并联等） 。压气机设计人员尤其感兴趣的是单涡轮解决方案，这也是目前涡轮增压 器的挑战所在。对双涡轮方式来说，主要的挑战在控制和结构布局方面， 以及极少的空气动力学设计方面。降低双涡轮增压器中单独级的流量范围 要求或许可以提高压气机级效率，不过提升的效率有可能会因为额外的管 路和阀门系统增加导致的损耗而抵消掉。极端条件下的系统设计从理论上
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说，EGR 即是将废气的一部分重新导入到进气侧，部分作用是帮助控制汽 缸温度以及氮氧化合物的形成。EGR 通常在发动机部分转速范围内启用， 也就是在大多数循环工况出现的情况下。在发动机额定条件下最高功率输 出时，正常情况下 EGR 系统会完全关闭，这样可以避免因为 EGR 带来的负 担而影响性能的发挥。高 EGR 在提高所需压气机压缩比的情况下还可以减 少必要的空气流量，这样可以将压气机的运行推向稳定工作的极限，甚至 超过这个极限。一般来说关于压气机的性能要求，通过更高的 EGR 利用率 来降低排放的方法与发动机达到某一额定功率是完全相左的，通常需要大 大增加空气流量，同时适度地提高压缩比。在人们为当前和未来内燃机不 断追求低排放和高功率密度的同时，不可避免地造成了高级涡轮增压器压 气机操作点之间出现巨大的差距。发动机设计人员主要关注的是性能特性 图的边界，也就是说他们仅关注压气机特性图的左侧和右侧，通常对中间 区域都抱有较高的性能期望。结果他们发现，最受关注的特性图的边界与 物理机制息息相关，而在这方面工程设计及分析工具通常最难应对，主要 因为相关的复杂性高和压气机气动热力作用难以掌握。因此，如果可以考 虑具体的压气机设计特性以及这样做的原因，对系统的设计将是有帮助的。 涡轮增压器有一些强制性的要求和限制会对压气机的空气动力性能带来较 大的影响。单位成本和瞬态响应是两个非常关键的因素，通常会牺牲掉压 气机及涡轮机的性能、稳定工作范围、系统尺寸以及苛刻环境下的耐久性。 平衡高低流量仔细研究一下今天各种汽车涡轮增压器压气机的结构，可以 发现一些共同的设计（如图 2）。当试图在高空气流量和低流量要求间寻求 一个平衡点时，会发现要想满足在该额定点所需的高流量要求的同时还要 平衡其他工作条件的要求时，涡轮转子进口直径需要比在没有转速范围要 求的情况下更大。不过，叶片形状在设计时一般都会倾向于满足低流量要 求，因此叶片角度相对更大（正切角度），这样才能更好地解决部分转速
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下的进气停滞现象。提高设计工况下的转速，加上适度的叶片后掠角，可 以帮助减小转子的直径，从而有利于降低转子的惯性，提高瞬态反应速度， 还可以使系统更加紧凑。系统的设计已经非常成熟，因此对整个设计（比 如眼的大小、叶片进口角、整个直径、叶片出口角）做出任何改变来改进 设计的某一个方面都会对其他方面带来负面的影响。
图2 Anatomy of a typical modern centrifugal compressor stage
for automotive turgocharger
同样，为了优化流量范围、系统尺寸及性能等指标，扩压器和蜗壳形状 会进行专门设计，此外为了最大程度地提高流量范围及降低制造成本，还 会选择无叶扩压器。而对相对较高压缩比及低流量范围要求的配置来说， 还可以采用扩压器叶片，以增加涡轮的级性能。今天的汽车涡轮增压压气 机还有一个设计元素是循环机匣处理（RCT）系统。这种被动装置的主要 功能要幺是将气流循环导回到进气口，要幺绕开叶轮的导风轮区域，主要 根据工作条件决定。该装置经过验证为提高单级压气机流量能力的主要 （如果不是最重要的）因素之一。通过对目前市场上的一些固定截面压气 机范围（相对压缩比）的分析发现它们之间存在较明显的区别：这个界线 就是含有循环机匣处理装置和不含有这种装置（图 3）。
图3：单级离心压气机中机匣处理对流量范围（等速下从阻塞到喘振） 的影响
可变与固定截面自然的做法是考虑在压气机级中增加可变截面带来的好 处，其目的是扩展稳定工作范围，使其接近固定截面压气机，因为后者更 有可能接近压气机工作范围的极限。比较常见的涡轮机械解决方案为：采 用可变进气导片或/和可变几何扩压器叶片。除了给性能带来潜在的影响 外，采用可变截面的方式还常常给系统耐久性带来一定程度的影响。这两 种解决方案的目标都是将喘振线和最高效率岛推向较低的流量范围。喘振
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