渦輪增壓的案例
雙渦輪增壓技術(shù)解析
雙渦輪增壓是渦輪增壓的方式之一。針對(duì)廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現(xiàn)象，串聯(lián)一大一小兩只渦輪或并聯(lián)兩只同樣的渦輪，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的時(shí)候，較少的排氣即可驅(qū)動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，減小渦輪遲滯效應(yīng)。
在雙渦輪增壓的汽車上會(huì)看到2組渦輪通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接。并聯(lián)指每組渦輪負(fù)責(zé)引擎半數(shù)汽缸的工作，每組渦輪都是同規(guī)格的,它的優(yōu)點(diǎn)就是增壓反應(yīng)快并減低管道的復(fù)雜程度。
使用雙渦輪增壓，就是采用2個(gè)相互獨(dú)立的渦輪增壓器的增壓系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在2個(gè)渦輪增壓器的共同作用時(shí)，進(jìn)氣效率大幅提升，增壓效果更加顯著，動(dòng)力性得到很大提升。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，只有一個(gè)低速渦輪工作，這時(shí)較少的排氣即可驅(qū)動(dòng)這只渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣壓力，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升以后，高速渦輪工作繼續(xù)進(jìn)入高增壓值的狀態(tài)，提供一個(gè)連貫的強(qiáng)勁動(dòng)力。
雙渦輪增壓技術(shù)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的同時(shí)，可以改善渦輪增壓的“遲滯現(xiàn)象”。但是，雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)并不能完全消除“渦輪遲滯”現(xiàn)象，畢竟，渦輪增壓器葉輪的慣性作用依然存在。在實(shí)際使用中，雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常都裝備在直列6缸或V型等排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)上。
展開 借助轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析評(píng)估渦輪增壓器設(shè)計(jì)
在生活中，人們經(jīng)常用 turbocharged（渦輪增壓）這個(gè)詞來(lái)形容一種精神百倍的狀態(tài)，比如 turbocharged 咖啡比一杯普通咖啡更加提神。但渦輪增壓器的真正功能不是提升精神，而是提升速度；不是在清晨的咖啡杯中，而是在內(nèi)燃機(jī)中發(fā)揮作用。渦輪增壓器利用渦輪實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制進(jìn)氣，它通常使用流體動(dòng)力軸承作為支撐。然而，軸承會(huì)自然產(chǎn)生可導(dǎo)致負(fù)阻尼和系統(tǒng)故障的交叉耦合軸承力。借助轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模，你可以分析交叉耦合軸承力給渦輪增壓器設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響。
什么是渦輪增壓器？
渦輪增壓器通過迫使額外的空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室來(lái)增加內(nèi)燃機(jī)的效率和功率輸出。這種裝置通常應(yīng)用于基本交通運(yùn)輸方式中，例如汽車（包括燃?xì)鈩?dòng)力和柴油車）和摩托車，也應(yīng)用于大型的交通工具，例如火車、輪船、飛機(jī)和航天器。
航天器推進(jìn)系統(tǒng)中的渦輪增壓器的剖面圖。圖片由 Quentin Schwinn（美國(guó)宇航局）提供，此作品在美國(guó)處于公有領(lǐng)域，通過 Wikimedia Commons 分享。
在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，支撐渦輪增壓器的流體動(dòng)力軸承中存在的交叉耦合力在轉(zhuǎn)子中通常起負(fù)阻尼作用。負(fù)阻尼會(huì)增加軸承失效的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際上整個(gè)系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)增大。如果車輛發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪增壓器發(fā)生故障，汽車可能會(huì)起火。
為了設(shè)計(jì)能夠平穩(wěn)運(yùn)行的渦輪增壓器，你可以使用“轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模塊”進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，此模塊屬于“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”和 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加產(chǎn)品。
COMSOL? 軟件中適用于渦輪增壓器設(shè)計(jì)的 2 種研究
該示例中的簡(jiǎn)單渦輪增壓器模型包含一個(gè)渦輪機(jī)、一個(gè)壓縮機(jī)和兩個(gè)流體動(dòng)力軸承：
“轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模塊”提供了兩個(gè)專用于渦輪增壓器建模的功能，方便用戶創(chuàng)建幾何模型以及物理場(chǎng)和研究設(shè)置。
適用于渦輪增壓器模型的兩種轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究。
展開 應(yīng)用CFD提高增程式電動(dòng)車的渦輪增壓器的效率
另外，使用低排量發(fā)動(dòng)機(jī)造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。在此期間，ACR引入了熱流體分析工具來(lái)幫助他們開發(fā)新的渦輪增壓器。ACR首席執(zhí)行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計(jì)算仿真作為設(shè)計(jì)工具，近年來(lái)人們對(duì)技術(shù)水平大幅提升的仿真工具越來(lái)越有信心。
Kishishita先生和他的團(tuán)隊(duì)最初使用了一家外國(guó)公司開發(fā)的CFD工具，但沒有將該工具應(yīng)用到他們的設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)椴僮髌饋?lái)太困難。松岡先生建議使用具有強(qiáng)大本地支持的軟件，這將使他們能夠快速解決問題，最后他們選擇了Cradle CFD。
設(shè)計(jì)高效的渦輪增壓器
圖3: EREV渦輪增壓器
圖4：渦輪增壓器的渦輪
Kishishita先生的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種渦輪增壓器，它將比日本Kei微型車中的世界上最小的渦輪增壓器更有效率。ACR渦輪增壓器將只使用典型的Kei微型汽車渦輪增壓器的三分之一的流量。(圖3和圖4) 。
圖5：用模擬方法評(píng)估渦輪增壓器葉片的幾何形狀。
ACR的工程師使用Cradle CFD來(lái)確定渦輪增壓器轉(zhuǎn)子葉片的最佳幾何形狀，最佳設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一個(gè)理想的出口角，以獲得高效率。計(jì)算機(jī)模型中使用了大約600萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格元素(圖5) 。分析結(jié)果顯示，渦輪增壓器的效率隨著出口角的減小而增加。通過使出口角達(dá)到最小值，使流出損失最小化，這最大限度地減少了摩擦損失和能量轉(zhuǎn)化為熱量，從而提高了效率(圖6 ) 。
展開 從飛機(jī)坦克到汽車 渦輪增壓以何站穩(wěn)C位
蓋世小結(jié)：
自上世紀(jì)初年瑞士工程師比希發(fā)明渦輪增壓以來(lái)，渦輪增壓技術(shù)從最初應(yīng)用于飛機(jī)和坦克發(fā)動(dòng)機(jī)，到上世紀(jì)60年代美國(guó)通用將渦輪增壓技術(shù)引入汽車，再到70年代裝備渦輪增壓的保時(shí)捷911的誕生，國(guó)外零部件企業(yè)對(duì)渦輪增壓器的開發(fā)比國(guó)內(nèi)要早很多，技術(shù)上也更成熟。而據(jù)了解，國(guó)內(nèi)渦輪增壓應(yīng)用領(lǐng)域，除了上汽和奇瑞起步較早，大多數(shù)自主品牌在2011年后才啟動(dòng)汽油渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)項(xiàng)目。而在當(dāng)前渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，如何準(zhǔn)確把握未來(lái)渦輪增壓發(fā)展趨勢(shì)，通過材料和工藝的創(chuàng)新緊跟市場(chǎng)發(fā)展的步伐，縮小和國(guó)外領(lǐng)先技術(shù)的差距，值得自主零部件供應(yīng)商們深思。
來(lái)源：蓋世汽車
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應(yīng)用CFD提高增程式電動(dòng)車的渦輪增壓器的效率
另外，使用低排量發(fā)動(dòng)機(jī)造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。在此期間，ACR引入了熱流體分析工具來(lái)幫助他們開發(fā)新的渦輪增壓器。ACR首席執(zhí)行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計(jì)算仿真作為設(shè)計(jì)工具，近年來(lái)人們對(duì)技術(shù)水平大幅提升的仿真工具越來(lái)越有信心。
Kishishita先生和他的團(tuán)隊(duì)最初使用了一家外國(guó)公司開發(fā)的CFD工具，但沒有將該工具應(yīng)用到他們的設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)椴僮髌饋?lái)太困難。松岡先生建議使用具有 強(qiáng)大本地支持的軟件，這將使他們能夠快速解決問題，最后他們選擇了Cradle CFD。
設(shè)計(jì)高效的渦輪增壓器
圖3: EREV渦輪增壓器
圖4：渦輪增壓器的渦輪
Kishishita先生的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種渦輪增壓器，它將比日本Kei微型車中的世界上最小的渦輪增壓器更有效率。ACR渦輪增壓器將只使用典型的Kei微型汽車渦輪增壓器的三分之一的流量。(圖3和圖4) 。
展開 ABB副總裁奧利弗：從節(jié)能減排到數(shù)字化，渦輪增壓系統(tǒng)大有可為
ABB集團(tuán)高級(jí)副總裁、ABB渦輪增壓業(yè)務(wù)單元全球負(fù)責(zé)人奧利弗（Oliver Riemenschneider）
日前，在 “ABB 2018電力與自動(dòng)化世界”活動(dòng)期間，ABB集團(tuán)高級(jí)副總裁、ABB渦輪增壓業(yè)務(wù)單元全球負(fù)責(zé)人奧利弗（Oliver Riemenschneider）接受了本報(bào)記者的專訪。他表示，已有百年歷史的渦輪增壓技術(shù)在數(shù)字化時(shí)代仍將得到進(jìn)一步發(fā)展，伴隨著“一帶一路”建設(shè)的不斷推進(jìn)，ABB也將持續(xù)加大對(duì)渦輪增壓在華業(yè)務(wù)的投資力度，以更好地為中國(guó)和全球用戶提供服務(wù)。
奧利弗指出，渦輪增壓系統(tǒng)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。以低速機(jī)為例，渦輪增壓系統(tǒng)的效率每提高1個(gè)點(diǎn)，即可減少油耗0.3克/千瓦時(shí)；采用二級(jí)增壓技術(shù)后，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化物排放量和油耗將明顯降低。他說(shuō)，ABB最新研發(fā)的Power2 800-M 兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)，壓比達(dá)12，增壓系統(tǒng)效率達(dá)75%，可幫助發(fā)動(dòng)機(jī)采用強(qiáng)米勒定時(shí)，以減少氣閥重疊角和提高功率密度，節(jié)省燃油高達(dá)10克/千瓦時(shí)。該增壓系統(tǒng)在國(guó)際海事組織（IMO）規(guī)定的氮氧化物排放控制區(qū)運(yùn)行時(shí)可減少選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)的尿素消耗量，降低60%的氮氧化物排放。奧利弗表示，結(jié)合可變氣門等新技術(shù)的應(yīng)用，渦輪增壓系統(tǒng)可顯著提升船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排效果。長(zhǎng)期以來(lái)，ABB渦輪增壓系統(tǒng)以高于國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2個(gè)點(diǎn)的效率，為廣大終端用戶帶來(lái)了良好的效益。
進(jìn)入數(shù)字化新時(shí)代，奧利弗認(rèn)為，得益于數(shù)字化技術(shù)的支撐，現(xiàn)代的渦輪增壓系統(tǒng)可更全面、更及時(shí)地采集發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)，進(jìn)行更加準(zhǔn)確的診斷分析，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。
展開 你知道，渦輪增壓技術(shù)到底是誰(shuí)發(fā)明的嗎？
在汽車渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)如此流行的今天，很多小伙伴都關(guān)心這項(xiàng)技術(shù)到底是誰(shuí)發(fā)明的，有些人說(shuō)是日本人發(fā)明的，有些人說(shuō)是德國(guó)人發(fā)明的，有些人說(shuō)是來(lái)自瑞典的薩博公司發(fā)明的，今天就來(lái)看看到底渦輪增壓是誰(shuí)發(fā)明的。
渦輪增壓，是一種利用內(nèi)燃機(jī)運(yùn)作轉(zhuǎn)產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)的技術(shù)。渦輪增壓技術(shù)可不是僅僅應(yīng)用在民用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的，最初是應(yīng)用在飛機(jī)和坦克上的。
渦輪增壓的主要作用就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，讓車子更有勁。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝上渦輪增壓器后，其最大功率與未裝增壓器的時(shí)候相比可以增加40%甚至更高。這樣也就意味著同樣一臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)過增壓之后能夠輸出更大的功率。
所以目前比較公認(rèn)的說(shuō)法，蘇爾壽（Sulzer）兄弟研發(fā)公司的總工程師阿爾佛雷德J波西（Alfred J Buchi）博士在瑞士溫特圖爾首次提出了渦輪增壓的概念，并于當(dāng)年的11月16日，被德國(guó)專利局授予了第204630號(hào)專利“內(nèi)燃機(jī)輔助增壓器技術(shù)”，這標(biāo)志著渦輪增壓技術(shù)正式誕生。所以要說(shuō)渦輪增壓這項(xiàng)技術(shù)是誰(shuí)發(fā)明的——瑞士人波西！
雖然渦輪增壓技術(shù)誕生的很早，但直到1961年美國(guó)通用汽車公司才將渦輪增壓器試探性地裝在其生產(chǎn)的雪佛蘭車型上。
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另外，使用低排量發(fā)動(dòng)機(jī)造成的功率限制也促使ACR研究渦輪增壓以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。在此期間，ACR引入了熱流體分析工具來(lái)幫助他們開發(fā)新的渦輪增壓器。ACR首席執(zhí)行官兼總裁Hiroshi Matsuoka先生建議使用計(jì)算仿真作為設(shè)計(jì)工具，近年來(lái)人們對(duì)技術(shù)水平大幅提升的仿真工具越來(lái)越有信心。
Kishishita先生和他的團(tuán)隊(duì)最初使用了一家外國(guó)公司開發(fā)的CFD工具，但沒有將該工具應(yīng)用到他們的設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)椴僮髌饋?lái)太困難。松岡先生建議使用具有 強(qiáng)大本地支持的軟件，這將使他們能夠快速解決問題，最后他們選擇了Cradle CFD。
設(shè)計(jì)高效的渦輪增壓器
圖3: EREV渦輪增壓器
圖4：渦輪增壓器的渦輪
Kishishita先生的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種渦輪增壓器，它將比日本Kei微型車中的世界上最小的渦輪增壓器更有效率。ACR渦輪增壓器將只使用典型的Kei微型汽車渦輪增壓器的三分之一的流量。(圖3和圖4) 。
展開 替代熔模鑄造，3D打印技術(shù)為F1賽車生產(chǎn)渦輪增壓器
以提速的首要裝備——渦輪增壓器為例，賽車領(lǐng)域的渦輪增壓器有極為復(fù)雜的形狀、幾何特征和材質(zhì)。因此，熔模鑄造是曾經(jīng)唯一可用的方法，但它的缺點(diǎn)和局限也同樣明顯：
△傳統(tǒng)熔模鑄造生產(chǎn)的渦輪增壓器
賽車需要提升競(jìng)爭(zhēng)力，必須在遵循簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)的原則下使關(guān)鍵零件達(dá)到更高的性能，并且需要精確的平衡作用力，這就不可避免地需要頻繁變更設(shè)計(jì)，相應(yīng)的也就需要一個(gè)靈活和高效的生產(chǎn)工藝，而這正是工藝繁雜的熔模鑄造是無(wú)法滿足的。工藝環(huán)節(jié)越多，出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)就越高，瑕疵產(chǎn)生機(jī)率越大，生產(chǎn)周期也更長(zhǎng)。要使渦輪增壓器高效率地工作，必須有效隔熱，用雙壁結(jié)構(gòu)形成空氣間隙，避免內(nèi)部的熱量傳遞到外殼，但是，雙壁結(jié)構(gòu)的問題是難以鑄造。
為了保持理想的工作壓力，我們需要通過兩個(gè)廢氣門來(lái)進(jìn)行排氣，鑄造的方法是將主機(jī)殼、兩個(gè)廢氣門分開制造然后再進(jìn)行后續(xù)組裝，顯著增加成本和重量。發(fā)動(dòng)機(jī)的減重是另一個(gè)挑戰(zhàn)，賽車的平均設(shè)計(jì)時(shí)速超過200 km/h，減重可以大幅提升性能。因此所有零件的壁厚都要盡可能薄，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，但是薄壁的鑄件強(qiáng)度又不足。
此外，雖然鑄造工藝也可以成型許多復(fù)雜的內(nèi)部幾何特征或功能面，但是基本上制造周期都比較長(zhǎng)。而且，一些形狀鑄造是無(wú)法成型的，比如封閉式腔體內(nèi)的幾何特征既無(wú)法用鑄造的方法成型，也無(wú)法在后續(xù)加工中成型。因此我們?cè)谇捌谠O(shè)計(jì)渦輪增壓器時(shí)就會(huì)受到鑄造工藝的諸多限制。
熔模鑄造的工藝環(huán)節(jié)繁多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，難以滿足賽車快節(jié)奏的要求。要進(jìn)一步提升性能就需要使用更先進(jìn)的技術(shù)，才能使賽車創(chuàng)造全新的圈速記錄。
增材制造可以最大化的釋放設(shè)計(jì)自由，使之專注于零件的功能性，工程師在零件的設(shè)計(jì)中可以更接近理想的狀態(tài)，并且可以突破工藝的限制將復(fù)雜的組件整合成一個(gè)完整的零件。傳統(tǒng)制造此渦輪增壓器需要使用三個(gè)零件：主機(jī)殼和一側(cè)的兩個(gè)廢氣門。
展開 HyperWorks幫助BorgWarner實(shí)現(xiàn)確定溫度和機(jī)械應(yīng)力對(duì)渦輪增壓器共同作用的流程自動(dòng)化
它在發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、空氣和噪音管理系統(tǒng)、冷卻系 統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的專長(zhǎng)幫助全世界的汽車生產(chǎn)商制造具有更高的燃 油經(jīng)濟(jì)性和排放性能的汽車。BorgWarner的一個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)品是它的渦輪增壓器，由發(fā) 動(dòng)機(jī)的廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪是用尾氣去驅(qū)動(dòng)一臺(tái)壓縮機(jī)，從而提高進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣密 度，結(jié)果是在沒有大幅增加其重量的前提下顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。
挑戰(zhàn)
事實(shí)上渦輪增壓器會(huì)受到廢熱氣體的不利影響，熱氣會(huì)對(duì)渦輪增壓器外殼的材 料強(qiáng)度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其性能下降、潛在蠕動(dòng)或渦輪機(jī)磨損。當(dāng)極端波動(dòng)發(fā)生時(shí)，渦輪增壓器可能產(chǎn)生過早的熱疲勞導(dǎo)致開裂。
因?yàn)?em>渦輪增壓器承受相當(dāng)大的溫度變化，而設(shè)備的耐久性不僅取決于材料組成和它承受的機(jī)械應(yīng)力，而且取決于外界溫度。由于受到機(jī)械應(yīng)力和溫度效應(yīng)相互作用，在確定整個(gè)渦輪增壓器的設(shè)計(jì)時(shí)這兩者都必須考慮。
BorgWarner的工程師們已經(jīng)對(duì)渦輪機(jī)外殼進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析以確定其疲勞壽命。一旦熱廢氣在渦輪增壓器中開始流動(dòng)就要進(jìn)行預(yù)測(cè)溫度分布的計(jì)算。該公司沒有簡(jiǎn)單的方法從應(yīng)力和溫度兩方面整合數(shù)據(jù)來(lái)獲得一個(gè)系統(tǒng)性能的總體預(yù)測(cè)，因此在特 定的位置處熱應(yīng)力可能很小。但如果廢氣的溫度很高，應(yīng)力和溫度的組合會(huì)導(dǎo)致過 早的部件失效。在特定位置處的應(yīng)力必須與在任何給定的溫度下的材料屈服強(qiáng)度進(jìn) 行比較。對(duì)于有非常大的結(jié)果文件的有限元模型來(lái)說(shuō)，對(duì)比應(yīng)力水平與在不同溫度的屈服強(qiáng)度是一項(xiàng)非常繁瑣的任務(wù)。
“大多數(shù)有限元程序只輸出在工程方面的應(yīng)力而指出這些位置的溫度，” BorgWarner高級(jí)CAE分析師ZaneUllman指出，“這些信息都是單獨(dú)的、獨(dú)立的、沒有聯(lián)系的，因此我們被迫需要手動(dòng)耗費(fèi)大量時(shí)間將數(shù)據(jù)逐個(gè)放在一起。”
展開 渦輪增壓器上的排氣旁通閥有什么作用？它的控制方式有哪些？
現(xiàn)在汽車上小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的越來(lái)越多，它最大優(yōu)點(diǎn)是可以在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量的基礎(chǔ)上，大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩。但是渦輪增壓器也有很大的缺點(diǎn)：在低速時(shí)，增壓不足，渦輪遲滯；而在高速時(shí)又會(huì)出現(xiàn)過增壓的現(xiàn)象。為了克服這樣的缺點(diǎn)，人們?cè)?em>增壓器上設(shè)計(jì)了旁通閥，以控制增壓器的增壓壓力。
一、旁通閥式渦輪增壓器的工作原理：
在高速高負(fù)荷時(shí)，渦輪增壓器旁通閥門打開，部分廢氣經(jīng)旁通閥直接進(jìn)入排氣管，放掉一部分廢氣，渦輪轉(zhuǎn)速下降，從而來(lái)控制增壓的壓力。
旁通閥式渦輪增壓器的控制方式有兩種，一種是機(jī)械（真空）控制，通常應(yīng)用在卡車柴油機(jī)上；另一種是電子控制，通常應(yīng)用在轎車上。
二、機(jī)械控制旁通閥式的結(jié)構(gòu)及工作原理
機(jī)械控制旁通閥主要有控制氣室、拉桿、旁通閥門等組成。旁通閥執(zhí)行器中膜片左側(cè)通增壓的氣體。
1、當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓氣機(jī)出口壓力較低，旁通閥在回位彈簧的作用下關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣全部通過增壓器的渦輪端，從而提高了渦輪的轉(zhuǎn)速，能夠產(chǎn)生較大的進(jìn)氣增壓壓力，提高進(jìn)氣量，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能。
2、當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，增壓后的迸氣壓力超過規(guī)定值，增壓氣體將排氣執(zhí)行器中的膜片頂起，帶動(dòng)旁通閥拉桿移動(dòng)，打開排氣旁通閥門，于是一部分廢氣不通過增壓器的渦輪端，從排氣旁通道直接排人大氣，使渦輪進(jìn)口流量減少，壓力降低，增壓器轉(zhuǎn)速下降，減少增壓的壓力。
三、電子控制旁通閥式的結(jié)構(gòu)及工作原理
排氣旁通閥的開閉由電控單元ECU控制的增壓壓力控制電磁閥操控。電控單元ECU監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，與內(nèi)部預(yù)置的參數(shù)進(jìn)行比較，據(jù)此來(lái)控制電磁閥的開啟時(shí)間，從而達(dá)到改變排氣旁通閥的開度，控制排氣旁通量，精確地調(diào)節(jié)增壓壓力的目的。
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Fluent仿真實(shí)例：渦輪增壓機(jī)流場(chǎng)仿真
渦輪增壓機(jī)，葉片的轉(zhuǎn)速是28,000 RPM，空氣進(jìn)口溫度是302.6K，進(jìn)口流量是1500 SCFM，壓力出口總壓是153507 Pa。
渦輪增壓器的網(wǎng)格劃分分成3部分：進(jìn)風(fēng)管道、葉片和蝸殼。分別獨(dú)立劃分網(wǎng)格，需要在交界面處網(wǎng)格加密，有利于交界面的數(shù)據(jù)精確傳遞。
渦輪增壓機(jī)的葉片如下：
1、啟動(dòng)軟件導(dǎo)入網(wǎng)格
1.1 啟動(dòng)Fluent軟件，選擇3D求解器。
1.2 導(dǎo)入網(wǎng)格。
重排網(wǎng)格分區(qū)，操作：Mesh > Reorder > Domain。
2、模型設(shè)置
設(shè)置湍流模型為k-epsilon模型。
3、材料設(shè)置
渦輪增壓機(jī)的轉(zhuǎn)速很快，會(huì)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮并產(chǎn)生熱量，所以這里將空氣設(shè)置為理想氣體。將空氣設(shè)置為理想氣體，軟件會(huì)提示將能量方程啟動(dòng)。
4、計(jì)算域設(shè)置
首先設(shè)置轉(zhuǎn)速的單位，菜單欄Define > Units…
由于葉片區(qū)域是旋轉(zhuǎn)的，需要設(shè)置impeller區(qū)域。
在打開的設(shè)置頁(yè)面設(shè)置如下。
5、邊界設(shè)置
5.1 進(jìn)口inlet邊界，Type設(shè)置為mass-flow-inlet類型。
5.2 出口outlet，Type設(shè)置為pressure-outlet類型。
5.3 葉片旋轉(zhuǎn)邊界impeller_wall，Type設(shè)置為wall類型。
5.4 其他的壁面設(shè)置，shell_wall和windin_wall，即所有與周圍空氣接觸的壁面。由于增壓機(jī)壁面會(huì)和周圍環(huán)境對(duì)流換熱，這里將對(duì)流系數(shù)設(shè)置為10 w/m2-k。
展開 GT-Power建模--汽車機(jī)械、渦輪增壓兩級(jí)增壓仿真分析 ￥300
"GT-Power 專業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛仿真軟件，本文作者根據(jù)客戶要求，利用GT-Power建立機(jī)械增壓+渦輪增壓兩級(jí)增壓的乘用車仿真模型，分析兩種增壓方式及兩級(jí)增壓對(duì)車輛性能的影響"
詳細(xì)分析及模型：QQ315673349
一、不帶渦輪增壓的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)仿真
1、仿真模型
2、仿真結(jié)果
2.1功率：
2.2扭矩：
2.3油耗率
3、簡(jiǎn)要分析
自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率108kW最大扭矩186.8kW。在2000至3000RPM公開燃油消耗率最低為280g/kWh
展開 利用CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）提高渦輪增壓器葉輪的金屬3D打印質(zhì)量
關(guān)于檢測(cè)與算法的結(jié)合如何用到產(chǎn)品的質(zhì)量管理上，本期谷.專欄特別推薦materialise的一篇案例《利用CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）提高渦輪增壓器葉輪的金屬3D打印質(zhì)量》 。
為金屬部件尋找正確的工藝參數(shù)
質(zhì)量是當(dāng)下增材制造行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，企業(yè)正通過大力投資數(shù)字化解決方案來(lái)改進(jìn)質(zhì)量。過去的幾年里，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益方面我們看到了很多的進(jìn)步，但每個(gè)專業(yè)的金屬3D打印工程師都知道，目前還有不少問題需要解決，才能夠?qū)?fù)雜部件的質(zhì)量進(jìn)行認(rèn)證。本期，通過分享Materialise 3D打印葉輪的案例，來(lái)領(lǐng)略復(fù)雜零部件質(zhì)量認(rèn)證與控制的思路與方法。
渦輪增壓器通常用于提高諸如汽車上的內(nèi)燃機(jī)（ICE）的效率和功率輸出。渦輪增壓器通常包含安裝在公共軸上的兩個(gè)葉輪：其中一個(gè)葉輪用作渦輪，而另一個(gè)葉輪用作壓縮。
圖片：渦輪增壓器中的兩個(gè)葉輪，來(lái)源Materialise
在運(yùn)行過程中，葉輪高速旋轉(zhuǎn)并處于高溫下，出現(xiàn)疲勞是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題。采用增材制造設(shè)計(jì)的部件相比鑄造部件質(zhì)量更輕，能實(shí)現(xiàn)葉輪更高的轉(zhuǎn)速和更好的性能。最小化孔隙率并實(shí)現(xiàn)具備嚴(yán)格幾何公差的精準(zhǔn)制造對(duì)于確保部件的長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要。
在用3D打印制造葉輪時(shí)，需要明確兩個(gè)目標(biāo)：
第一個(gè)目標(biāo)是最大限度地減少打印過程中的熱形變，并確保部件的對(duì)稱性。不對(duì)稱的葉輪會(huì)導(dǎo)致效率降低，在最壞的情況下還可能造成災(zāi)難性的損壞。
第二個(gè)目標(biāo)是保持低孔隙率；Materialise的目標(biāo)是讓葉輪的密度高于99.9％。這對(duì)于做過減重優(yōu)化的零件尤為重要，因?yàn)橄鄬?duì)來(lái)說(shuō)孔隙率對(duì)疲勞壽命影響更大。
為了實(shí)現(xiàn)3D打印葉輪的這些質(zhì)量目標(biāo)，Materialise與Volume Graphics合作，該公司提供對(duì)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化的軟件。
展開 Toyota Motorsports 通過 Fidelity 提高渦輪增壓器壓縮機(jī)效率
專門從事賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的高科技開發(fā)，渦輪增壓器組件已經(jīng)是最先進(jìn)的。為了進(jìn)一步提高性能，豐田必須依靠傳統(tǒng)的試錯(cuò)程序和原型之外的東西，因?yàn)檫@些東西的周轉(zhuǎn)時(shí)間太長(zhǎng)了。與手動(dòng)實(shí)現(xiàn)相比，數(shù)值優(yōu)化使工程師能夠探索和評(píng)估更多的設(shè)計(jì)備選方案。
轉(zhuǎn)向數(shù)值優(yōu)化的另一個(gè)原因是，壓縮機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)非常接近它們所用材料的結(jié)構(gòu)-機(jī)械極限。大多數(shù)形狀變化會(huì)立即導(dǎo)致超出可接受的壓力水平。僅考慮空氣動(dòng)力學(xué)行為的優(yōu)化并不能保證最終設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上也是可行的。需要同時(shí)進(jìn)行包括空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力分析在內(nèi)的優(yōu)化。換句話說(shuō)：將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 與計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué) (CSM) 模擬相結(jié)合的多學(xué)科優(yōu)化。
耦合 CFD-CSM 工作流程
本文將介紹用于廢氣渦輪增壓器的離心式壓縮機(jī)的多學(xué)科 CFD-CSM 優(yōu)化。所研究的壓縮機(jī)級(jí)包括一個(gè)帶六個(gè)主葉片和六個(gè)帶無(wú)葉片擴(kuò)散器的分流葉片的徑向葉輪。要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)空氣熱力學(xué)目標(biāo)、一個(gè)結(jié)構(gòu)力學(xué)目標(biāo)和兩個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)目標(biāo)：
增加等熵效率
相同或更高的絕對(duì)總壓比
與原始幾何形狀相同的扼流圈質(zhì)量流量
向失速裕度方向擴(kuò)展操作范圍
最大 von Mises 應(yīng)力低于極限
CFD 和 CSM 模擬被集成到 Cadence 的Fidelity Optimization中的單一優(yōu)化工作流程中。每個(gè)新設(shè)計(jì)首先由 CSM 求解器進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查，只有那些不超過最大 von Mises 應(yīng)力的設(shè)計(jì)才會(huì)被納入更耗時(shí)的 CFD 過程。結(jié)構(gòu)上不可接受的設(shè)計(jì)被輸入到學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)中以驅(qū)動(dòng)優(yōu)化器。
參數(shù)化和網(wǎng)格劃分
共有 154 個(gè)參數(shù)定義了葉輪、經(jīng)向通道和實(shí)體。然而，定義葉輪輪轂殼的參數(shù)與基本設(shè)計(jì)保持不變，以排除許多結(jié)構(gòu)機(jī)械不可行的設(shè)計(jì)。并且為了進(jìn)一步減少自由參數(shù)的數(shù)量，也沒有修改沿弧度曲線的厚度分布。
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