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排气制动对增压器轴向载荷影响的研究

文档作者：龚金科黄张伟胡辽平李靖余明果陈韬文档来源： 1．湖南大学 2．湖南天雁机械有限责任公司		点击数：	更新时间： 2026年01月25日
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2015年(第37卷)第7期
汽车工程
Automotive Engineering
2015133
排气制动对增压器轴向载荷影响的研究木
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)
[摘要] 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。
关键词：增压器；排气制动；轴向载荷；联动试验
A Research on the Effects of Exhaust Braking on the Axial Thrust of Turbocharger
Gong Jinke ，Huang Zhangwei ，Hu Liaoping 一，Li Jing ，Yu Mingguo &amp;amp; Chen Tao
1．Hunan University，State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturingfor Vehicle Body，Changsha 410082；
2．Hunan Tyen Machinery Co．，Ltd．，Hengyang 421005
[Abstract] 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 com。。
putation determined，and the distribution patterns of axial thrust of turbocharger in different conditions are obtained
by numerical computation．The resuhs 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．
Keywords：turbocharger；exhaust braking；axial thrust；linkage test
日jJ吾
排气制动具有良好的制动陛能，构造简单，在车
辆上的使用日益普遍⋯ ；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 J。基于以上优点，二者通常同时应用在
车辆上。
发动机排气制动根据获得较大制动功和防止发
动机排气门反跳的要求确定其排气背压，未考虑对
增压器的影响 J，以往对增压器的轴向力的研究集
中在正常工况下不同转速和流量对轴向载荷的影
响E3-5]，而对排气制动工况下增压器处于低转速、小
流量和高背压这种特殊工况则没有研究；其次，据以
往研究，增压器在发动机起动和停车等突变工况下，
所承受的轴向突变载荷很大 j，而发动机在正常工
况与排气制动工况间互相切换过程也是一个突变过
程，因此研究此突变过程对增压器产生的突变载荷
非常必要。综合以上因素，研究排气制动对增压器
涡轮轴向载荷的影响，确定合理的排气背压和工况
切换策略，可为提高车辆整体可靠性，延长增压器使
用寿命提供重要参考依据。
国家863计划项目(2008AAIIAI16)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。
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2015(Vo1．37)No．7 龚金科，等：排气制动对增压器轴向载荷影响的研究 ‘767·
进入不良工作状态，影响其使用可靠性。且排气制
1 排气制动工况下增压器涡轮工作状 动在车辆上是一个需要长期频繁使用的制动措施，
况分析 其对增压器可靠性的影响也将是长期的。
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 。
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。
图1 排气蝶阀相对增压器的安装位置
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 为
．
日： 后尺 『1一 1 1 (1)
一1 【 ＼p ／ J
式中：R为摩尔气体常数； 为绝热指数；T ，P 分别
为叶轮进口温度和压力；p 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 ，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
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。
图2 增压器与排气制动联动试验系统
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
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汽车工程 2015年(第37卷)第7期
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⋯ ，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／rain，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人口，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F 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
增压器转速／ 涡轮级进口 涡轮级进口 涡轮级出口 压气机进口 工况 压气机进口 压气机级出口 增压器轴向
(r／min) 流量／(kg／s) 总温／K 背压／kPa 压力／kPa 总温／K 流量／(kg／s) 载荷F ／N
1 100 oo0 0．307 800 105．7 100．6 290 0．287 136．5
2 45 326 0．156 496 365．7 100．6 290 0．146 216．2
3 42 473 0．148 514 415．7 1O0．6 290 0．138 243．6
4 37 331 O．133 532 465．7 100．6 290 O．124 261．2
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F ，的方向为正。
图3 增压器叶轮轴向受力简图
增压器总体轴向载荷F 为
F =F -F (2)
式中：F 。为增压器总体轴向载荷；F 为涡轮级轴向载
荷；F 为压气机级轴向载荷。
压气机级轴向载荷F 为
F =F 1十F。2一F。3 (3)
式中：F。 为压气机叶轮进口气体力；F以为压气机叶
轮进口外径至出口外径处气体力；F。，为压气机叶轮
轮背气体力。
涡轮级轴向载荷F．为
F =F 1+ -Fo (4)
式中：F 为涡轮叶轮进口气体力；F 为涡轮叶轮进
口外径至出口外径处气体力；F ，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 J。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

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