放气阀增压器在柴油机高原环境适应性改进中的应用研究

基于柴油机进排气高原环境模拟试验平台,针对所研制放气阀涡轮增压器,通过配机试验研究,获得结论如下:基于由冷态测量获得的放气阀开启特性,在考虑放气阀几何结构、排气脉冲压力波动等因素影响后得到预测特性,与高原模拟试验结果具有较好的一致性,偏差在7%以内;放气阀涡轮增压器具有较高的扭矩储备系数,可用于高原环境适应性动力改进,海拔4 000m工况可获得1.27扭矩储备系数,与常规增压器平原扭矩储备系数相当;在高原环境发动机进气量需要增加、压后压力需要提高的情况下,放气阀与平原工作状态近似,在最大扭矩点之后处于开启状态;与平原相比,高原4 000m工况压气机压后压力降低约60kPa。通过更换高压比压气机放气阀涡轮增压器,在保持原有配机性能近似不变的情况下,可有效解决高原增压器超速问题,可使增压器转速在平原状态下降低10 000r/min左右,在高原4 000m工况,工作转速与更换前平原工作转速相当。

两级相继增压对柴油机低负荷性能影响的试验研究

为综合提升陆用与船舶柴油机中低转速工况动力性、经济性和排放性能,搭建发动机性能试验台架,分别从增压系统性能、柴油机燃烧和整机性能三个方面,对比研究了低压级增压、高压级增压、两级增压和两级相继增压四种增压方式对某型柴油机的性能影响。研究结果表明:柴油机运行在推进特性中低转速工况下,与其他增压模式相比,两级相继增压模式能显著提高进气流量,而不引起增压压力的大幅度增加,缸内最高燃烧压力远离极限值,因此可适当增加喷油量,实现中低转速工况较高的扭矩输出;在高温富氧燃烧条件下虽然NO_(x)排放略有增加,但两级相继增压模式通过排气能量的合理利用,获得了泵气功的收益和燃油消耗率的降低;在推进特性30%负荷下,与低压级增压相比,两级相继增压泵气平均有效压力提升0.0193 MPa,燃油消耗率降低4.9 g/(kW·h),经分析得出两级相继增压为柴油机在低负荷工况下最优的增压模式方案。

柴油机电动增压稳态与瞬态工况控制策略研究

为了改善涡轮增压柴油机低速工况增压压力不足与瞬态涡轮迟滞问题,开展了车用柴油机电动增压器稳态与瞬态控制策略研究。仿真结果表明,电动增压器可以显著提高增压压力,明显改善低速稳态性能:电动增压器转速为65000r/min时,800r/min满负荷工况燃油消耗率可降低8%;电动增压器转速为55500r/min时,800r/min工况提高喷油量至108.5mg/cycle,扭矩可以提高27.06%。随着发动机转速的提高,电动增压器转速应逐渐减小,1400r/min及以上转速时应将其旁通,且动力性控制策略中的电动增压器转速应比经济性控制策略中的低。探究了定负荷加速过程的控制策略,结果表明,随着负荷的下降,电动增压器阶跃转速维持时间应逐渐减小,100%负荷响应性指标K提高了49.54%。

外部激励下增压器轴系振动规律研究

车辆行驶过程中路谱激励通过车轮和车身传递到发动机,加之发动机本身运作时产生的振动激励,最终传递到涡轮增压器上,统称为外部激励。外部激励作用在涡轮增压器壳体和轴承体上,经由两个浮环轴承传递到轴上,影响增压器轴系运动的稳定性。通过采用有限元的分析方法,建立了涡轮增压器总成多体动力学模型,在此基础上模拟增压器总成受到来自发动机的外部激励时轴系的振动响应。在激振试验台上模拟增压器总成受到外部激励时的响应情况,分别施加原始振动信号和该信号缩小至原来的0.5倍、0.25倍和0.125倍后的振动信号,轴系的振动响应也呈现出对应的线性规律,采用4种振动信号求得的传递函数也基本一致。通过激振台试验验证有限元模型仿真结果的准确性,发现在0~800 Hz频率段轴系振动的试验值与仿真值基本吻合,验证了有限元方法用于计算轴系振动响应的可行性,为解决增压器轴系振动问题提供了新的解决办法。

柴油机可调两级增压系统高原自适应控制策略

为提升某V型柴油机的高海拔性能,通过可调两级增压系统的匹配计算,确定了高低压级涡轮和压气机的特性。基于变海拔稳态工况性能目标,进行了柴油机全工况最佳阀门开度和最佳增压压力的标定计算。建立了柴油机的瞬态响应仿真模型,计算分析了海拔高度对增压压力瞬态响应特性的影响规律。根据最佳增压压力MAP图设计了开环和闭环控制策略,在不同海拔高度下研究其改善增压压力瞬态响应特性的能力。结果表明:与开环控制策略相比,闭环控制策略能更好地改善柴油机变海拔的瞬态响应性能。通过采用增压压力的闭环控制策略,平原工况的增压系统响应时间由2.82 s减少到2.41 s,海拔3 000 m时由3.20 s减少到2.32 s,响应时间减少了27.5%;海拔4 500 m时由3.41 s减少到2.25 s,在很大程度上减弱了海拔高度对发动机瞬态响应特性的影响。

进排气压力对气门式二冲程柴油机扫气过程的影响

为深入理解气门式二冲程发动机的扫气过程,以顶端入口进气道气门式二冲程柴油机为研究对象,在1 500 r/min转速下采用三维仿真研究了扫气过程中进排气压差和排气背压对缸内气体流动的影响机理。结果表明:由左侧进气道流入气缸的新鲜充量形成逆滚流,其前锋面抵达排气门之前经右侧进气道流入气缸的新鲜充量主要影响排气纯度,而在之后排气纯度明显增加;压差从30 kPa增加至210 kPa时左侧排气道排气纯度增加,在中低压差下右侧排气道排气纯度较高,扫气品质系数先从0.61降低至0.52,之后增加至0.56且保持不变;定压差和背压从100 kPa增加至190 kPa时排气纯度接近,而扫气效率增加较慢,扫气品质系数从0.55降低至0.53。

基于连续小波变换的柴油机涡轮增压器振源识别

柴油机涡轮增压器高频振动严重影响到柴油机及整个动力系统的运转可靠性。针对涡轮增压器的主要振源进行识别分析研究,可有效地指导振动控制和本体振动响应优化。针对涡轮增压器本体振动响应具有的高频、宽频带、时变非稳态等特征,利用连续小波变换方法在信号处理中具有的多尺度计算分析频率、精准定位发生时间等时频特性优势,开展瞬态激励下动态振源信号识别分析研究。结合涡轮增压器结构特征及工作原理,对瞬态工况下涡轮增压器振动响应的主要振动源进行识别分析研究,获得气动载荷、转子质量不平衡等激励下的时频特性。通过解析稳态工况(50 513 r/min)下涡轮增压器的振动响应频谱特征信息,结合涡轮增压器结构特征,对涡轮增压器主要振源识别结果进行分析验证。研究结果表明:连续小波变换方法可直观、精准识别涡轮增压器本体振源时频特征。在瞬态工况和稳态工况下,涡轮增压器本体振动受气动载荷激励冲击影响最大,主要表现为叶片通过频率处的空气冲击振动和高频宽频带的结构振动。在稳态工况下,涡轮增压器受转子质量不平衡激励影响明显,主要表现为转频及倍频处发生振动响应峰值现象。

基于应力-强度干涉的车用发动机机械零部件B10寿命计算方法

针对车用发动机机械零部件在设计阶段的B10可靠寿命计算问题,分析车用发动机机械零部件的特点及其寿命建模方法,研究基于应力-强度干涉的车用发动机机械零部件失效行为表达方法;以车辆行驶里程为寿命度量指标,建立车用发动机机械零部件的B10可靠寿命计算模型,推导机械零部件的可靠度函数、失效率函数、寿命累积分布函数和寿命概率密度函数以及平均失效里程(Mean kilometer to failure,MKTF)计算模型。研究表明,运用建立的方法及模型,能够结合车用发动机的工作剖面,利用零部件的应力、强度等参数,计算出车用发动机机械零部件的B10可靠寿命、可靠度与失效率随寿命变化规律、寿命概率分布特征以及平均失效里程,可以更好地指导发动机机械零部件的设计、试验、使用等。

超临界二氧化碳系统用箔片气体动压轴承静特性研究

超临界二氧化碳动力循环系统对实现节能减排的目标有着十分积极的作用。针对一种箔片气体动压轴承结构建立了计算模型,并通过拟合非理想状态气体超临界二氧化碳的密度与压力之间的关系,基于传热学模型和气体润滑能量方程分析了轴承气膜温升,结合实际运行过程中出现的湍流效应修正润滑气体雷诺方程、耦合力学分析模型和能量方程,分析S-CO_(2)介质箔片气体动压轴承的静特性,并与空气作为介质进行对比分析不同系统参数和湍流参数对轴承特性的影响规律。结果表明:相较于空气而言,使用超临界二氧化碳作为润滑介质的箔片气体动压轴承具有较高的承载力,而且在一定范围内随着轴承直径和宽度的增加、偏心率的上升、轴承间隙的减小、转速的提高等,轴承承载力均可以增大;对于湍流影响因素来说,在一定范围内随着局部雷诺数和湍流系数的增加、气体动力黏度和密度的提高、高温环境下环境温度的降低等,轴承承载力将会增大。

机电复合增压技术研究进展综述

传统内燃机近30%的燃油能量被排气带走而浪费,因而高效的余热利用技术是实现内燃机节能减排的核心举措。机电复合增压是基于涡轮增压技术、具有较高潜力的内燃机余热回收技术之一,针对机电复合增压技术的国内外研究进展进行了详细分析。阐述了现有机电复合增压技术的方案布局及其特点、适用范围,讨论分析了该技术与内燃机的匹配方法及控制策略研究进展,介绍了机电复合增压的主要部件(涡轮、压气机和电动机/发电机)研究概况,综述了机电复合增压技术在内燃机节能减排中的优势、发展趋势和须要重点关注的技术难点。

紊流润滑滑动轴承壁面压力脉动效应研究

壁面压力脉动是紊流润滑滑动轴承随机振动的主要激励源之一,建立紊流激励特性和轴承结构动力学响应之间的关联,对高转速、低黏度润滑滑动轴承的状态监测和故障诊断具有重要意义。为研究紊流润滑滑动轴承的壁面压力脉动效应,考虑流体油膜中存在逆压力梯度的影响,选用Rozenberg模型和广义Corcos模型表征壁面压力脉动的自功率谱和互功率谱,采用波数域模态叠加法求解滑动轴承紊流壁面压力脉动模型,分析滑动轴承在不同工况参数下壁面压力脉动的激励特性以及结构的响应特性。结果表明:低波数区域紊流脉动压力是轴承结构高频随机振动的主要因素;随着润滑油黏度的降低,高频范围内的轴承模态响应幅值增大,共振峰值附近产生较宽的频带和较高的振幅;随着轴颈转速和径向载荷的升高,紊流压力梯度增大,高频范围内的轴承模态响应幅值也随之增大。

气动激励下的涡轮增压器整机振动分析与试验

针对气动激励引起的增压器整机高振动响应问题,以某型柴油发动机涡轮增压器为研究对象,采用单向瞬态流固耦合方法,建立涡轮增压器整机流固耦合模型,开展气动激励下关键零部件振动响应研究.讨论并对比了涡轮及压气机叶轮气动激励的时域和频域特性,并定量分析了该激励下的结构振动响应特性,同时通过增压器振动试验验证了模型及方法的精度,各工况下壳体振动加速度量级的绝对误差不超过6 dB,相对误差不超过4%.结果表明:在转子系统中,压气机叶轮压力波动幅值为涡轮机涡轮的4倍,由此导致压气机叶轮的振动幅值平均为涡轮和转轴的3~4倍,最大振动幅值发生在压气机叶轮轮盘外边缘叶顶间隙处,为209.5μm;壳体振动烈度最大的部位发生在压气机出口内壁靠近轴承体一侧,为322.2 m/s^(2).

高原环境增压器离心压气机特性试验研究

针对所研制的高压比涡轮增压器压气机,基于构建的进气高原模拟试验台架,开展高原环境下车用增压器压气机特性试验分析与研究,以探讨高压比压气机高原特性的变化规律,并获得相应的验模试验数据。结果表明：在高原环境下,随着海拔的升高,压气机质量流量减小,同转速下最高压比基本保持不变,效率、雷诺数有所降低。海拔自1 000 m升高至4 500m,质量流量减小26%～44%,效率降低1%～3.5%,压气机进口气体雷诺数降低约30%,近50%以上工况不满足雷诺数处于自模区假设。同时,压气机稳定工作流量范围拓宽,最高可拓宽11%,发生在高压比高转速工况。随海拔的升高,压气机体积流量减小,体积流量特性变化幅度较小,约3%（小于折合质量流量变化特性）;因此,忽略系统效应的喘振线差异,可以采用体积流量特性进行变海拔高原环境离心压气机特性及内部流动对比研究。在高原环境下,以折合参数绘制的通用特性与零海拔特性差别较大,尤其是4 500 m海拔,不具备较好的可比性和参照性;而以相似参数绘制的通用特性同时也存在差异,但与折合流量特性、实际流量特性相比,随海拔变化最小,可用于不同海拔特性对比研究。由于雷诺数变化的影响,离心压气机特性随海拔高度存在差异,以马赫数相似为基础的特性曲线绘制方法存在偏差,不再有效;此时,对压气机在高原特性的研究,需要采用实际流量和实际转速;但在不同海拔特性曲线对比研究方面,采用相似参数为基础绘制的特性曲线具有较好的直观可比性。

车用增压器涡轮的超速可靠性增长研究

针对某型车用增压器涡轮存在的超速可靠性不高的问题,分析涡轮超速破坏应力与失效危险部位,运用涡轮超速破坏可靠度计算模型对原涡轮的超速可靠性进行评价。在此基础上,从结构优化的角度出发,研究涡轮的可靠性增长措施。根据改进后涡轮的超速应力与强度参数,研究改进后涡轮的超速可靠性,分析涡轮的超速可靠性增长效果,并通过涡轮增压器结构耐久性考核试验进行定性试验验证。研究结果表明,改进后的涡轮超速可靠性明显提高,能够满足涡轮增压器的使用要求。

高原环境下增压器压气机叶轮轮毂疲劳可靠性研究

针对涡轮增压器压气机叶轮在高原地区工作时潜在的轮毂疲劳失效模式,研究了高原环境下涡轮增压器转速的变化规律以及压气机叶轮轮毂疲劳失效危险部位的应力。在此基础上,建立了增压器压气机叶轮的轮毂疲劳可靠度计算模型,分析了增压器压气机叶轮轮毂疲劳可靠度随不同海拔高度的变化规律。研究表明,当发动机在高海拔地区工作时,涡轮增压器压气机叶轮发生轮毂疲劳失效的风险在增大,随着海拔高度的增加,压气机叶轮轮毂的疲劳可靠性在降低。

增压器涡轮叶片振动分析及其可靠性评价方法研究

针对增压器涡轮叶片振动失效模式,研究了涡轮叶片振动分析与可靠性评价方法。结合某增压器涡轮,利用共振线图建立了涡轮叶片振动失效判据。考虑涡轮叶片振动固有频率分散性与涡轮工作转速随机性的影响,建立了能够体现叶片振动固有频率、工作转速、叶片数、寿命指标、最小谐振阶数等参数的涡轮叶片振动可靠度与失效率计算模型,研究了涡轮叶片振动可靠度与失效率的变化规律,给出了涡轮叶片振动可靠寿命确定方法。运用所建立的方法及模型,能够科学地计算出增压器涡轮叶片振动的可靠度与失效率变化规律以及可靠寿命。

高压比增压器高原适应性改进配机试验研究

利用进排气系统高原状态模拟试验台架,针对所研制的增压比为4.4的高压比增压器开展高原适应性改进配机试验研究。对原型增压器,减小涡轮箱,更换高压比压气机共3组试验数据进行了详细分析。

顺序增压系统液压转换装置结构设计与评估试验研究

针对某增压柴油机,设计了一种带有液压执行机构转换装置的顺序增压系统,并通过台架试验评估该系统的性能。试验结果表明,带液压执行机构的顺序增压转换装置具备流量调节能力,可实现受控增压器的"寄存",进气阀和排气阀由自编的控制程序根据设定的开闭规律动作,在试验过程中工作稳定。

椭圆转子发动机缸内流场及燃烧过程分析

对以汽油为燃料的椭圆转子发动机换气及燃烧过程进行了研究,明确了缸内流场变化及火焰传播过程,分析了不同当量比混合气下燃烧及污染物生成特性。研究结果表明,椭圆转子发动机进气过程中,燃烧室两侧形成了较大涡团;进气末期时,在球形燃烧室和缸内分别形成两个涡团;燃烧末期,顶点密封位置附近存在未燃区域;排气阶段,气口重叠期内的进气扫气加速了排气过程;随着当量比的增加,缸内压力和温度升高更快,峰值更大,当量比为1.1时,压力、温度均达到最大值;随着当量比的增加,缸内温度升高,造成CO和NO_(x)生成量显著增加;但是当量比过大会造成不完全燃烧,CO生成量显著增高,反而使得缸内压力和温度降低,造成NO_(x)生成量减少。

泵出型螺旋槽油气密封泄漏特性及参数影响研究

以泵出型螺旋槽油气密封为研究对象,基于油相和气相连续性方程推导并建立了油气密封流场求解的双相雷诺模型,采用有限体积法离散和编程求解获得了油气密封介质流场分布,对比分析了商用软件VOF模型、单相雷诺模型和双相雷诺模型在求解油气密封流场中的计算精度和效率,研究了密封间隙、油气比、转速、介质压力等运行参数和密封环尺寸对油气密封流场和稳态性能的影响,重点探讨了油气密封近零泄漏特性及其关键影响因素。结果表明,提出的双相雷诺模型求解方法是一种高精度、高效率的油气密封流场数值模拟方法,具有与商用软件VOF模型近似的精度,但计算时间降低1个数量级;油气密封的介质泄漏特性和近零泄漏压差主要受到密封间隙、转速和端面宽度的影响,通过上述参数的合理取值有望实现油气介质的零泄漏。