HP55混流式水冷增压器研制及在柴油机上的应用

混流技术能有效提高涡轮增压器的效率,本文介绍了HP55增压器混流涡轮的叶片成形和设计,以及该增压器在CYQD32系列柴油机上的应用。试验结果表明:HP55增压器匹配CYQD32系列柴油机性能指标优于原机国外增压器。

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。

高原环境柴油机增压中冷一体化技术研究

针对某重型车辆柴油机高原环境(海拔高于3000m)进气密度下降显著的问题,考虑车辆动力装置结构紧凑、功率密度高等特点,提出增压中冷一体化技术:根据伯努利方程,采用计入摩擦与扩压的"等环量"设计方法对原机压气机蜗壳进行改型优化;采用对流强化传热技术与快速成型技术,设计了三种紧凑型水冷方案;从水散热器后取水,在改进后的压气机蜗壳内部冷却进气,实现增压系统上集成一体化中冷。通过数值仿真与水-汽中冷器传热台架试验,从柴油机高原进气冷却需求、中冷器传热效能、流动阻力特性等方面分析了环形中冷器的热流特性。针对改进前后的柴油机进气方案,进行增压器台架试验,将改进前后压气机特性与发动机的高原匹配进行对比分析,得出了一体化进气方案对发动机性能的影响。试验结果表明:在海拔3700m标定工况下,环形中冷器可使发动机压气机后气体温度降低30℃以上;在海拔4500m外特性工况下,采用一体化装置,取水量为10m3/h,中冷器进水温度90℃,可使柴油机功率最高提升4.5%。

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。

增压器压气机叶轮在高原环境下的失效分析与改进

针对高原环境下增压器超速引起的压气机叶片断裂的问题,介绍了故障定位、故障分析、故障再现以及改进等处理全过程。从增压器工作载荷谱入手,分析了叶轮的应力分布、叶片模态变化,确定了叶片不同部位的失效模式。从降低转速、提高叶片固有频率和提高出口处叶片的抗疲劳强度三方面优化了压气机叶轮,通过故障再现的对比性试验、性能对比试验等验证,结果表明,改进后的增压器最高许用转速提高10%,满足了发动机变海拔的使用要求。

内燃机涡轮增压多工况匹配研究

提出以车用循环工况总油耗最小为目标的内燃机涡轮增压多工况匹配方法,基于NEDC驾驶循环,采用该方法对某车用1.8 L涡轮增压汽油机进行了涡轮增压多工况匹配的仿真研究。结果表明,涡轮增压多工况匹配可使该发动机最大扭矩提高3%,NEDC驾驶循环平均有效燃油消耗率降低2%。

增压器压气机水冷蜗壳设计及其内部流场分析

提出对柴油机涡轮增压器的压气机进行冷却的方法——在原压气机蜗壳外部加装散热片与冷却水道,从冷却系统散热器后取水,实现增压与中冷的集成。建立离心式压气机整级物理模型,根据基于有限元的有限体积法,采用全隐式多网格耦合求解技术对不同冷却程度下的压气机内部非定常流动进行三维CFD模拟,考察了蜗壳内部压力场、速度场与气体密度的分布,为高原进气水冷需求论证提供参考,增压台架试验验证了模拟的准确性。研究结果表明:若冷却水可以使压气机出口温度降低10.3℃,压比最大增加11.8%,效率增加11.1%,气体密度最大增加12.8%;同时,流场沿蜗壳流程分布没有压力集中与显著涡流的出现,说明压气机蜗壳设计合理。

级间中冷压降对二级增压系统性能影响研究

采用一维模拟计算方法,针对不同的级间中冷压降,进行了二级增压系统性能研究。研究结果表明:高压级压气机进口条件一定时,增大级间中冷压降将使系统总压比上升;高压级压气机进口总压和级间中冷压降一定时,采用较低的高压级压气机进口温度可获得较高的总压比;随着中冷器压降的增大,低压级压气机效率上升,而高压级压气机和二级增压系统整体存在最大效率点,且较高的高压级压气机进口总温有利于进一步提高最大效率。

高低温循环对二级增压系统性能影响研究

采用一维模拟计算方法,针对级间中冷高低温循环,进行了二级增压系统性能研究。研究结果表明:二级增压压力一定时,中冷器出口温度越高,中冷器压降越大;高压级压气机进口总压一定时,二级增压总压比随中冷器出口温度的上升而下降;中冷器出口温度并不影响低压级压气机效率,而对高压级压气机效率的影响还与其进口总压有关;二级增压系统总效率同时受中冷器出口温度和高压级压气机进口总压的影响。

增压柴油机排气系统结构参数的仿真优化

运用GT-POWER软件建立了增压柴油机工作过程仿真模型,深入研究了排气系统结构参数(包括排气管直径、长度、截面变化)对柴油机性能的影响。并基于优化理论,以有效功率为优化目标,分别在标定工况和最大扭矩工况对排气管路结构参数进行了优化计算,为排气管的进一步优化设计提供了依据。

高原自适应柴油机涡轮增压技术研究

针对某柴油机面临的变海拔适应性问题,基于可变截面增压器,建立了柴油机变海拔自适应增压系统,利用高原柴油机性能模拟试验台,进行了0-4 000 m高原性能模拟对比试验,研究了高原环境下增压对换气过程及柴油机性能的影响。研究结果表明：通过采用可变截面增压技术,柴油机高海拔性能下降得以改善,并解决了柴油机在高海拔低速工况下不能工作、增压器喘振等问题,使柴油机在4 000 m海拔下最大扭矩点转速恢复到原机平原条件下的转速1 300 r/min,扭矩降幅小于5%。通过初步研究得出可变截面增压技术在柴油机高原恢复功率、降低热负荷方面具有一定的潜力。

二级增压系统不同旁通结构流阻特性仿真分析

建立了Y型和直连型两种典型的二级增压系统旁通结构,利用CFD对其流阻进行了对比。结果表明:当旁通阀全关时,Y型旁通结构流动损失较直连型大,而当旁通阀开启时,Y型旁通结构流动损失较直连型小;对于同种旁通结构,旁通阀的开度越小,损失越大,但是随着开度的增加,由于流过旁通结构的气体质量增加,导致损失相对较大。

基于非线性谐波法的离心压气机确定应力场分析

本文采用非线性谐波法与定常计算方法,对离心压气机的内部流场进行了数值模拟,对比了时均流场与定常流场的差别,研究了离心压气机确定应力分布的特点。结果表明,采用非线性谐波方法所得到的压气机内部流场宏观结构与定常结果基本一致,但流场参数分布细节存在较明显差别,且这种差别与对应的确定应力场的分布特征吻合,验证了确定应力是引起时均流场与定常流场差别的原因。对确定应力的分布特征分析表明,离心压气机内确定应力在流向上呈现为从叶轮出口向上下游逐渐递减的趋势,在叶高方向上表现为从叶根到叶顶逐渐递增趋势;且在整体上,确定应力的空间不均匀特性在叶轮出口处最为强烈,表明离心压气机内部最强非定常效应同样位于叶轮出口。