低壓EGR冷凝水對(duì)壓氣機(jī)葉輪性能和結(jié)構(gòu)破壞的影響研究

彭文，孫云龍，陳良，吳廣權(quán)，占文鋒，段心林

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

隨著更加嚴(yán)格的排放和油耗法規(guī)的實(shí)施，低壓EGR的應(yīng)用越來越廣泛，它能抑制發(fā)動(dòng)機(jī)低速大負(fù)荷的爆震傾向，降低部分負(fù)荷泵氣損失，降低高速大負(fù)荷工況的排氣溫度，減少噴油加濃，進(jìn)而提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放[1-3]。然而低壓EGR的應(yīng)用也會(huì)帶來一些新的問題，冷凝水就是其中之一。Kuang Yunlong等[4]發(fā)現(xiàn)廢氣與壓氣機(jī)上游的新鮮空氣混合后會(huì)產(chǎn)生大量的冷凝水，凝結(jié)的水滴會(huì)以一定的尺寸(10-5m)以及很高的線速度與壓氣機(jī)葉輪邊緣碰撞，對(duì)壓氣機(jī)葉片造成很大的沖擊。Hua Su等[5]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)前管路后存在冷凝現(xiàn)象，Patrick Recker等[6]通過試驗(yàn)研究也指出廢氣可以在低壓EGR冷卻器中過冷形成冷凝，而對(duì)于低進(jìn)氣溫度，在空氣與已經(jīng)冷卻的廢氣混合之后也會(huì)形成冷凝。這些由低壓EGR應(yīng)用帶來的冷凝水會(huì)對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉輪造成嚴(yán)重的水蝕，而壓氣機(jī)葉輪水蝕將會(huì)造成葉輪高周疲勞降低、葉輪開裂、壓氣機(jī)性能下降和噪聲增大等潛在風(fēng)險(xiǎn)。隨著配置低壓EGR系統(tǒng)的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)越來越多，如何降低其產(chǎn)生的冷凝水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響受到越來越多的關(guān)注。本研究以廣汽傳祺某款配置低壓EGR系統(tǒng)的汽油機(jī)渦輪增壓器為基礎(chǔ)，研究了這些冷凝水形式對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉輪的影響，主要考慮了不同冷凝水形態(tài)的影響、鍍層對(duì)葉輪的保護(hù)作用，分析了壓氣機(jī)葉輪的損壞情況，對(duì)比了壓氣機(jī)葉輪損傷前后的性能變化，指出了壓葉輪受損程度和冷凝水形態(tài)的關(guān)系，并為降低壓葉輪的損傷給出了建議。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

先期在發(fā)動(dòng)機(jī)和整車上使用內(nèi)窺鏡觀察到低壓EGR開啟時(shí)，壓前管路中會(huì)存在兩種模式的冷凝水，其一為隨氣流帶入的很多顆粒狀水珠，其二為沿壁面流動(dòng)的稀疏水膜(見圖1)。此外，由于壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)會(huì)使得壓前存在冷凝水儲(chǔ)水區(qū)，該區(qū)域積聚的冷凝水有結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)(見圖2)。針對(duì)上述三種模式分別設(shè)計(jì)試驗(yàn)以考察各自對(duì)壓氣機(jī)葉輪的影響。

圖1 低壓EGR開啟時(shí)冷凝水狀態(tài)

圖2 壓殼積水區(qū)域

1.1 水珠模式試驗(yàn)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[7]中已表明，水柱形式相較于水珠形式對(duì)材料的損傷明顯加快，本試驗(yàn)以連續(xù)水柱形式進(jìn)行試驗(yàn)。以該發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器為基礎(chǔ)進(jìn)行增壓器測試臺(tái)布置，該增壓器壓前管路彎曲布置，因此將彎曲段改制成直管段，以便于將冷凝水噴射到葉輪上，改制前后對(duì)比如圖3所示。

圖3 壓前彎頭改制前后對(duì)比

測試臺(tái)的設(shè)置如圖4所示，冷凝水產(chǎn)生器位于上游壓氣機(jī)的空氣管路前，冷凝水產(chǎn)生器中的水由水箱提供。

圖4 水珠模式臺(tái)架布置

如圖5所示，冷凝水噴嘴安裝于壓前改制直管入口處，冷凝水噴射目標(biāo)位置為葉片約2/3葉高位置，以達(dá)到相對(duì)較高的葉片線速度和較大的垂直撞擊攻角。

圖5 冷凝水噴射位置

冷凝水噴射器噴嘴如圖6所示，可以產(chǎn)生連續(xù)水柱，噴嘴直徑約為300 μm，供水壓力為0.4 MPa。

圖6 冷凝水噴嘴及噴射位置

1.2 水膜模式試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)壓氣機(jī)入口彎管改制，在壓殼入口下側(cè)壁面開孔，利用水的重力，將水注入壓前管路，在壓前管路下方形成沿下壁面流動(dòng)的水膜，布置如圖7所示。

圖7 水膜模式臺(tái)架布置

1.3 結(jié)冰模式試驗(yàn)設(shè)計(jì)

臺(tái)架整體布置與水膜試驗(yàn)形式一致(見圖8)，試驗(yàn)前將事先冰好的與儲(chǔ)水區(qū)形狀相同的冰塊放入壓殼入口儲(chǔ)水區(qū)。

圖8 結(jié)冰模式臺(tái)架布置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水珠模式測試結(jié)果分析

分別測試了不帶鍍層壓氣機(jī)葉輪和帶鍍層壓氣機(jī)葉輪，并測試了帶鍍層壓氣機(jī)葉輪試驗(yàn)前后的壓氣機(jī)性能。葉輪鍍層為鎳磷鍍層，鍍層中鎳含量達(dá)80%以上，可以顯著增加壓葉輪表面硬度，其硬度可達(dá)500 HV以上。鍍層有更平滑的表面，鍍層合金與鋁合金葉輪之間是金屬鍵結(jié)合，可以承受很大的剪切應(yīng)力，因而鍍層具有增加葉輪抗水蝕性能的潛力。

2.1.1 試驗(yàn)控制參數(shù)

不帶鍍層壓氣機(jī)葉輪1 h后觀察葉輪損傷情況，帶鍍層壓氣機(jī)葉輪每隔1 h觀察葉輪的損傷情況，共計(jì)進(jìn)行7 h。具體參數(shù)如表1所示。其中增壓器轉(zhuǎn)速取發(fā)動(dòng)機(jī)EGR率map中的最高轉(zhuǎn)速，帶鍍層葉輪試驗(yàn)中總水量取仿真計(jì)算得到的整車壽命內(nèi)總冷凝量換算成水柱形式下冷凝量的1.2倍。

表1 水珠模式測試控制參數(shù)

2.1.2 壓氣機(jī)葉輪冷凝水噴射測試結(jié)果

1 h后壓氣機(jī)葉輪帶鍍層和不帶鍍層對(duì)比結(jié)果見圖9。帶鍍層葉輪損傷輕微，而不帶鍍層葉輪損傷嚴(yán)重，帶鍍層葉輪損傷位置均出現(xiàn)在葉片前緣葉頂處，而不帶鍍層葉輪在葉片前緣沿葉高均有不同程度損傷，且在葉片前緣葉頂處損傷最嚴(yán)重，這是因?yàn)槿~頂處線速度最高，達(dá)到385 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁合金材料的門檻速度。

圖9 1 h試驗(yàn)后帶鍍層與不帶鍍層葉輪對(duì)比

帶鍍層壓氣機(jī)葉輪隨時(shí)間增加損傷結(jié)果見圖10。隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，前期葉輪損傷相對(duì)較快，后期損傷越來越緩慢，這也符合水蝕的三個(gè)階段特征，在3 h左右已進(jìn)入了平緩期。

此外，如圖9及圖10所示，對(duì)于帶鍍層葉輪和不帶鍍層葉輪，試驗(yàn)后均可發(fā)現(xiàn)冷凝水僅對(duì)主葉片前緣造成了損傷，而分流葉片未發(fā)現(xiàn)可觀察到的損傷，這是因?yàn)槔淠矒羧~輪進(jìn)入動(dòng)力學(xué)過程的第二個(gè)階段后，水珠已完全破碎，水珠尺寸將極大減小，小尺寸的水珠會(huì)同比例降低水蝕的門檻速度[7]，而分流葉片的線速度也更低，因此表現(xiàn)出分流葉片受冷凝水的影響非常小。

圖10 不同時(shí)刻帶鍍層葉輪損傷情況

除了葉片前緣的損傷外，還能觀察到主葉片表面的損傷，如圖11所示。

圖11 葉片表面損傷情況

帶鍍層葉輪7 h后損傷結(jié)果與不帶鍍層葉輪1 h后損傷結(jié)果對(duì)比見圖12。結(jié)果表明：在7倍于不帶鍍層葉輪冷凝水持續(xù)時(shí)間下，鍍層葉輪前緣損傷仍遠(yuǎn)不及不帶鍍層葉輪嚴(yán)重，由此可見鍍層是一種較好的減小冷凝水對(duì)葉輪侵蝕的途徑。

圖12 1 h后不帶鍍層葉輪與7 h后帶鍍層葉輪損傷對(duì)比

2.1.3 壓氣機(jī)冷凝水噴射前后性能對(duì)比結(jié)果

帶鍍層葉輪試驗(yàn)前后效率及流量特性變化見圖13。最大效率下降約0.6%，最大壓比下降約0.5%，而喘振線和堵塞線則幾乎不受影響。可見，盡管葉輪前緣和葉片表面受到了冷凝水的損傷，但是相較于損傷的程度，葉輪的損傷對(duì)壓氣機(jī)性能的影響是非常小的，這主要是因?yàn)橄噍^于流動(dòng)尺度，其葉輪的損傷尺度較小，不會(huì)引起氣動(dòng)性能的劇烈變化，因而對(duì)性能造成的影響較小。

圖13 帶鍍層壓氣機(jī)葉輪試驗(yàn)前后特性對(duì)比

2.2 水膜模式測試結(jié)果分析

2.2.1 試驗(yàn)控制參數(shù)

為與水柱模式進(jìn)行對(duì)比，增壓器轉(zhuǎn)速、總水量、水流量等參數(shù)與水珠模式控制一樣，總共進(jìn)行7 h，中間持續(xù)觀察葉輪損傷情況，具體參數(shù)如表2所示。

表2 水膜模式測試控制參數(shù)

2.2.2 壓氣機(jī)葉輪水膜測試結(jié)果

7 h試驗(yàn)后，不同于水珠模式結(jié)果，壓葉輪的葉片前緣以及葉片表面均未發(fā)現(xiàn)明顯的損傷(見圖14)。

圖14 水膜模式葉片損傷情況

如圖15所示，在試驗(yàn)中，通過壓前攝像頭可以觀察到在壓氣機(jī)葉輪未旋轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)速非常低時(shí)，水膜保持完整并沿著壁面往壓氣機(jī)葉輪流動(dòng)，但當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速增加后，由于壓氣機(jī)入口氣流的湍流特性以及壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)對(duì)上游流場的影響，會(huì)在壓氣機(jī)入口管路近壁面處形成旋流(見圖16)，水膜將被葉輪此處產(chǎn)生的旋流所霧化，此時(shí)，冷凝水將變成直徑很小的霧化液滴進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪，因而對(duì)葉輪造成的損傷非常小。

圖15 壓前水膜霧化前后對(duì)比

圖16 壓前管路旋流

2.3 結(jié)冰模式測試結(jié)果分析

2.3.1 試驗(yàn)控制參數(shù)

結(jié)冰模式下，邊界控制分別模擬了整車怠速暖機(jī)以及冷車下開車即走時(shí)的極限情況(見表3)。

表3 結(jié)冰模式測試控制參數(shù)

2.3.2 結(jié)冰模式測試結(jié)果

在模擬怠速時(shí)，壓氣機(jī)入口處冰塊并未馬上被吸入葉輪，而是逐漸融化，融化的水會(huì)形成水膜流入壓葉輪，此時(shí)因?yàn)槿~輪轉(zhuǎn)速低，水膜無法被霧化，當(dāng)剩余冰塊融化成較小的顆粒時(shí)整體被葉輪吸入(見圖17)。

圖17 怠速時(shí)冰塊吸入前融化前后對(duì)比

在模擬高速時(shí)，冰塊融化速度加快，且很快就被葉輪吸入，僅為怠速吸入時(shí)間的1/7，冰塊被吸入前仍保持較大的尺寸(見圖18)。

圖18 高速時(shí)冰塊吸入前融化前后對(duì)比

怠速試驗(yàn)冰塊吸入后葉輪損傷結(jié)果如圖19所示，未發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)葉輪前緣及表面有明顯的損傷。這是因?yàn)榈∷俎D(zhuǎn)速低，葉輪最大線速度僅51 m/s，由此造成的葉輪損傷也很小。

圖19 怠速冰塊試驗(yàn)后葉輪損傷情況

兩次高速冰塊吸入后葉輪損傷結(jié)果如圖20所示，也未發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)葉輪前緣及表面有明顯的損傷。這是由于冰塊吸入前仍保持較大的尺寸，冰塊被吸入時(shí)將先撞擊到壓葉輪上鎖緊螺母，被鎖緊螺母打碎反彈并在此過程中迅速融化，因而葉輪上將只受到瞬時(shí)的微小冰渣與水珠的分散撞擊，撞擊次數(shù)有限，所以對(duì)葉輪造成的損傷也很小。

圖20 高速冰塊試驗(yàn)后葉輪損傷情況

3 結(jié)論

a) 低壓EGR系統(tǒng)產(chǎn)生冷凝水的三種狀態(tài)中，對(duì)壓葉輪損傷最嚴(yán)重的是隨氣流飛入的水珠模式，1 h的水量即可對(duì)不帶鍍層葉輪造成嚴(yán)重?fù)p傷，而帶有鍍層的葉輪可較好地抵御水珠模式的損傷， 7 h的水量僅產(chǎn)生輕微損傷，且該損傷對(duì)壓氣機(jī)的性能影響較??；

b) 水珠狀態(tài)的冷凝水對(duì)于壓氣機(jī)葉輪的損傷表現(xiàn)為兩個(gè)方面，分別為葉輪前緣和葉片表面的損傷，并且只發(fā)生在主葉片，而分流葉片則無明顯的損傷；

c) 水膜狀態(tài)的冷凝水在進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪前被再循環(huán)渦流霧化，因而不會(huì)對(duì)帶有鍍層的壓氣機(jī)葉輪造成明顯的損傷。

綜上分析，在三種冷凝水模式中，對(duì)壓葉輪損傷最嚴(yán)重的是隨氣流飛入的冷凝水模式，盡管其對(duì)壓氣機(jī)性能造成的影響較小，但是考慮到這種損傷可能引起的噪聲及葉輪疲勞等問題，設(shè)計(jì)上應(yīng)該從EGR系統(tǒng)布置、系統(tǒng)控制及管路選材等方面著手，盡量減少這種模式下的冷凝水。