黄 光

(南宁康乐股份有限公司，广西南宁530011)

0 引言

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，汽车已走进了千家万户，这对我国汽车工业的发展是一个机遇，但更多的是挑战。如何解决好发展中的能源与环境问题是当前汽车工业面临的主要难题。在能源与环境的双重压力下，我国在机用内燃机的开发和研究上引进了许多先进的技术，其中涡轮增压技术可以有效地改善内燃机的燃油经济性，降低废气污染的排放，大幅度提高内燃机的经济性，减少CO2排放，这是节能减排的重点，也是保护环境的必须。

1 内燃机流动热力学概念解析

内燃机流动热力学主要研究内燃机的压缩、膨胀、加热、放热等循环热力过程的流动规律，是发动机正常运行和运转的保证基础，也是我们进行热机气动热力学的研究方向。涡轮增压技术是一项新技术，也是发展内燃机流动热力学的基础。在促进气动热力学在内燃机工程中的应用方面，涡轮增压技术的应用与发展起到了很大的推动作用。总体上看，内燃机流动热力学的理论研究和涡轮增压技术的发展是相互促进的。

目前，内燃机流动热力学已经有了很大的发展。随着数学、物理、化学等学科的交叉和融合，实验、模拟技术的发展，又不断促进了热力学的发展。内燃机动力涡轮余热的利用技术和内燃机的涡轮增压技术已经成为节能减排的关键技术，影响着内燃机流动热力学的研究，并将对下一步的研究和应用起到至关重要的作用。

2 国内外研究现状与发展趋势

2.1 国外涡轮增压技术的研究现状

2.1.1 涡轮增压器气动设计

涡轮增压气动设计到目前为止经历了4 个阶段:20 世纪50 年代认为流场参数只在轴向发生变化，采用的是一维设计方法，造就了第一代发动机的生成;20 世纪60—70 年代认为流声具有轴对称的特点，采用二维设计方法，造就了第二代发动机的生成;20 世纪70 年代，我国的科研人员吴仲华创立了S1、S2 两类相对流面理论，从理论上指导了准三维设计方法的研究;20 世纪80 年代，计算机技术迅速崛起，计算流体力学在离散方法、网格生成以及求解方法等方面取得突破性进展，涡轮增压器内部旋涡分离在计算机模拟技术下已初步形成了湍流模型，使得全三维定常成为可能，并投入应用，这也同时意味着三维设计方法的确立。

2.1.2 变截面、两极和高增压技术

这几年来，满足于欧四以上排放的变截面增压和两极增压系统的产品已经进入市场，高增压技术也跨越到跨声速压气机的时代。但是在研究时，叶片通道内部的流动非线性和非定常性及旋涡结构的复杂性已成为变截面增压、两极增压和高增压技术中存在的共同难题。原来的准三维半经验设计体系已跟不上现在技术发展的需要，变截面增压、两极增压的技术对物理样机的循环优化设计要求也越来越高。由于受CFD 的全三维气动设计技术和实验数据库更新的影响，变截面增压、两极增压和高增压技术的研究已有了很大的发展。

2.1.3 动力涡轮余热利用

美国环境保护局对汽车行驶能量进行了分配试验，如图1所示。

因为在能量转化过程中功率传动有损失，如果把燃料的总热能设为100%，输出功率只为总热能的20% ～25%，而驱动功率仅为12% ～15%，通过对比就可知道损失的热能有多少。汽车内燃机余热是一个巨大的能量源，急需开发利用，利用好这部分余热，才能达到节能目的。余热动力涡轮发电技术能够把发动机余热充分利用，可以大大拓宽内燃机流动热力学的研究和应用范围。

2.2 国内研究现状与基础

2.2.1 国内增压技术研究现状

我国汽车工业起步较晚，但是发展速度很快，研究内燃机涡轮增压的单位主要有中国北方发动机研究所、北京理工大学、上海交通大学和清华大学等。其中中国北方发动机研究所是国内最早开展内燃机涡轮增压技术研究的单位之一，已开发研究出20 多个涡轮增压器产品，在国内处于领先水平。上海交通大学和北京理工大学是最早进行涡轮增压技术研究的两所重点高校。北京理工大学在学科设置上已包括了流动力学、物理学、结构动力学等方面的内容，还有压气机、涡轮及轴承系统的开发等工程开发项目，在国内高校中具有突出的特点和优势。上海交通大学则侧重于研究内燃机增压系统及匹配;高增压在增压内燃机进排气系统的整机优化，这在国内也居于领先水平。清华大学侧重于航空领域，对于内燃机CFD、涡轮增压及余热利用进行研究;对于内燃机增压等方面有独特的研究;在内燃机流动热力学与涡轮增压的基础理论方面具有特别的研究优势。

图1 汽车行驶能量分配试验

2.2.2 相关课题研究现状

我国内燃机变截面增压、两级增压和高增压技术的研究和开发还处于起步阶段，从总体上来说与国际先进水平还有一定的差距，所以加强研究和开发及与国际的合作是重中之重。973 课题中，由清华大学牵头研究的内燃机流动热力学基础理论和涡轮增压技术，旨在探索高增压性能的新方法，从理论基础上指导并推动我国高增压技术的研究。由中国北方发动机研究所牵头研究的以某型两级涡轮增压器产品开发，是一项国际合作课题，有利于提高我国增压技术革新的研究水平，有利于推动我国新一代增压器产品的开发和应用。

3 涡轮增压中的关键问题

对流动热力学的研究是内燃机涡轮增压关键技术突破创新点。因此“内燃机流动热力学”是内燃机涡轮增压的技术攻关的研究重点。

3.1 增压总能系统与高效热功转换

随着变截面增压、两级增压、高增压技术的出现及涡轮余热技术的研究，对出现的需要解决的新问题，即内燃机流动热力学的研究提出了更高的要求。在研究发动机压气机、气缸、涡轮复杂流动的非线性相互作用时，可以从总能系统联合循环角度来研究，内燃机高效热功之间的转换可以在不同循环的有机结合中得以实现，从而提高总能利用率，推动新一代涡轮技术的研究和产品的开发。

3.2 中冷器及回热器流动与热力循环

目前，对增压中冷器、余热利用回热器等换热器中的非定常、多相流动的基本规律进行了不断地探究和认识，对降低流动阻力和强化传热的基本理论的理解也越来越深刻，尤其是中冷器及回热器的流动与热力循环是内燃机流动热力学研究的新领域和新课题，更需要深刻探究。

3.3 增压器与动力涡轮内部流动

增压器或动力涡轮部件设计的发展方向是高效、高压比、宽流量范围。它是通过不断引进、吸收并不断融合利用国内外航空叶轮机非定常流动基础理论、流动控制关键技术和全三维优化设计方法的最新研究成果，对我国在增压器、动力涡轮的流动控制技术与气动设计方面会有比较大的突破和进展。

4 结语

我国汽车工业起步晚，在内燃机涡轮增压技术的研究上与国际先进水平还有一定的差距，特别是变截面增压、两级增压等技术的研究和产品开发还处于起步阶段。但是只要我们注重科技的攻关和技术的创新，并加强与国际间的合作，相信不久的将来，我国一定能够自主研发出满足国民经济发展需要和节能减排的增压技术，以适应我国经济的飞速发展。

［1］陈红.汽油机废气涡轮增压技术的研究及发展前景［J］.内燃机，2008(1).

［2］周广猛，郝士祥，周平，等.改善涡轮增压内燃机低速扭矩性能的技术措施［J］.内燃机与动力装置，2010(3).

［3］杨建坤.利用EGR 技术降低涡轮增压内燃机排气污染的研究［D］.天津:天津大学，2007.