重型柴油机二级增压系统匹配仿真研究

为了降低重型柴油机的燃油消耗率,采用GT-POWER软件建立仿真模型,在一台单级可变截面涡轮增压器(variable geometry turbocharger,VGT)柴油机上开展了二级增压匹配与增压系统参数优化工作。仿真结果表明,所提出的二级增压系统在匹配点能够以最高效率运行,在全工况都能提供足够的进气流量;完全关闭低压级废气旁通阀,正交优化高压级废气旁通阀开度和米勒循环度,能够进一步降低二级增压发动机的燃油消耗率;降低级间中冷温度能够降低泵气损失,提高增压压力,温度由100℃降至50℃在标定点能够使燃油消耗率降低约3 g/(kW·h)。对二级增压及参数优化工作的燃油消耗率改善效果进行了试验验证,低速工况燃油消耗率整体有所下降,高效点燃油消耗率下降4.1%。

船用二冲程柴油机二级增压技术应用分析

二级增压和中间冷却技术能减少空气压缩过程中的功耗,节余部分废气供船舶使用,从而提高燃料的使用效率,达到节能减排的目的。从提取废气技术功、提取废气热能和提供气膜减阻气源等3个方面对船用二冲程柴油机二级增压技术的衍生应用进行分析,阐释其对船用二冲程柴油机增压扫气系统和排气处理系统的影响。根据计算分析结果确认并量化该技术的节能减排效果及其产生的经济效益。研究表明:该技术对船用二冲程柴油机的影响可通过对中央冷却器的冷却水量和冷却面积进行计算及系统设计得到解决,将其与其他技术组合使用能取得较好的节能效果。

不同海拔下单级和二级增压柴油机的仿真

普通单级涡轮增压柴油机工作在高原时,会出现发动机进气量不足、功率下降、增压器转速升高和工作点偏向喘振区等不良现象,而二级增压可以有效改善这些状况。针对某6缸柴油机进行了不同海拔下单级增压和二级增压的仿真计算,计算结果表明,采用二级增压可以使柴油机在海拔5.5 km时最大转矩和标定点功率相对单级增压时分别提高15.5%和27.2%,并且低速转矩性得到提高,两级压气机均工作在高效率区且不会超速。

可调二级增压柴油机旁通阀特性和调节规律的试验

对柴油机应用可调二级增压系统进行了全工况的试验研究.结果表明,涡轮旁通阀可以对增压压力进行调节进而影响柴油机的性能.可调二级增压系统可以增大柴油机中低转速的增压压力,改善碳烟排放;当循环供油量增加后还可以提高中低速时的外特性转矩.中低转速中高负荷时,两级增压会提高进气量改善燃烧,明显地提高了燃油经济性.中高速时,进气量的提高没有明显地改善燃烧的效果,反而造成泵气损失增大,基于经济性考虑应开启涡轮旁通阀,与此同时为避免节流效应压气机旁通阀也应开启将高压级增压器完全旁通,旁通后由于复杂的进排气管增加了流动损失使得油耗略有升高.

带有放气阀的二级增压系统的设计与试验

二级增压系统在重型柴油机和高性能轿车柴油机上均有良好的应用前景。为获得结构更为紧凑的二级增压系统,提出了将调节阀集成在高压级涡轮壳内部的二级增压系统结构方案,进行了增压系统与柴油机的匹配计算、两个涡轮壳的设计计算、调节阀计算以及流动分析,并对所设计的二级增压系统进行了试验研究。调节阀流通性能试验结果表明:高压级涡轮膨胀比在1.2到2的变化范围时,调节阀的流量调节范围达30%以上。紧凑型二级增压系统的联合运行性能试验结果表明:系统可以有效工作,且运行在高效率区。

带不同类型调节阀的二级增压系统结构与性能对比

对带外置式蝶阀的二级增压系统和带内置式旁通阀的二级增压系统进行了结构和性能比较。从结构上看,带内置式旁通阀的二级增压系统结构更为紧凑,但2个涡轮箱都需要重新设计。由试验结果可知,带外置式蝶阀的二级增压系统具备更大的流量调节能力,可实现高压级增压器的短路,带内置式旁通阀的二级增压系统旁通废气量可达总流量的30%以上。

可变二级增压柴油机变海拔工作特性数值模拟

以两级增压共轨重型柴油机为研究机型,采用GT-Power构建了其一维热力学仿真模型,对比可变二级增压(RTST)柴油机随高压级可变截面涡轮增压器(VGT)在不同叶片开度(20%~100%,)及不同海拔(0~4,km)下的工作特性.结果表明:不同转速工况下,空燃比和泵气损失随VGT叶片开度和海拔高度增加而降低.不同海拔下,随VGT叶片开度增大,低速时转矩与有效热效率先升高、后降低,高速时显著增大.随叶片开度和海拔增加,NO_x排放降低,soot排放大幅升高.海拔为4,km时,叶片开度从20%,增至100%,,低、高速工况的转矩和有效热效率均分别增加7.5%,和39.2%,,NO_x排放分别降低38%,和24%,;海拔为2,km时,不同转速工况下柴油机匹配RTST均能实现较高的EGR率(超过60%,).VGT叶片开度减小,EGR率快速增大,转矩及有效热效率降低,有效燃油消耗率(BSFC)逐渐增加,NO_x排放快速降低,soot排放先升高后降低.在EGR率约为35%,时,RTST柴油机综合性能达到最佳.

兼顾平原与高原性能的二级增压系统性能试验研究

针对某款需要进行高原适应性改进的发动机,研究了二级非可调和二级可调增压对发动机平原和高原工况的性能影响。通过对二级非可调增压方案的匹配试验分析提出了增压器的优化改进措施,并最终确定了二级可调方案。试验结果表明:在平原工况下,可调二级增压方案可以实现平原工况功率不下降的指标,并且在高原工况下标定点的相对功率达到315kW,相比平原下降了21%;转矩点相对功率达到228kW,比平原下降了10.8%,满足发动机对高原性能的要求。

蝶阀在可调二级增压柴油机中的调节特性计算研究

建立了以蝶阀作为调节阀的可调二级增压柴油机的平均参数模型,包括发动机本体模型、进排气系统模型、涡轮增压器模型和调节阀模型,其中蝶阀模型以工程上常用的流量系数为基础,针对柴油机排气的可压缩性进行了修正。利用该模型对调节阀的调节特性进行了计算研究。研究结果表明：蝶阀用作可调二级增压系统的调节阀在90°~60°开度区间内几乎无调节能力;在60°~0°开度区间内,能够近似地呈线性调节排气流量在阀门和高压级涡轮间的分配,同时也能实现对总增压压力的连续调节。

二级增压重型柴油机排放和燃烧特性的试验研究

在一台电控高压共轨柴油机上进行二级增压优化匹配,并以单级增压作为对比基准,分析了不同工况下二级增压柴油机的性能、排放与燃烧特性,研究了进气温度对其的影响。试验结果表明:相对单级增压,柴油机二级增压后低速外特性扭矩达到1 170N.m,烟度与燃油经济性改善幅度分别为99.3%和13.4%;二级增压能够提高EGR的引入能力,减小进气节流损失,并可显著改善中低转速、高负荷时NOx与烟度和燃油消耗率之间的平衡关系;在压气机特性图中二级增压柴油机的运行线远离喘振边界线;在各个工况下,进气温度升高使NOx比排放快速增加,导致柴油机NOx与烟度之间的平衡关系变差。

可调二级增压柴油机增压压力控制策略计算研究

对可调二级增压柴油机的增压压力控制策略进行了计算研究,建立了可调二级增压柴油机的瞬态平均参数模型,应用模型对可调二级增压柴油机进行了系统辨识,得到了不同工况下增压压力对调节阀开度的频率响应伯德图。针对不同工况设计了增压压力的PI反馈控制模块参数,为了加快瞬态响应能力,为控制器添加了前馈模块。设计了柴油机的瞬态加载工况和稳态干扰工况。模拟计算结果表明:该控制器在增压压力提高了22 kPa的基础上,稳定用时却比单级增压的原机减少了4.6 s。在稳态测量误差的干扰下,控制器使增压压力的变化幅度只有不到2%。

二级增压系统压气机性能试验研究

为研究二级增压系统中高低两级压气机性能与系统的整体性能,匹配了一套二级增压系统.建立了专门的二级增压系统试验台架,针对每一条试验曲线,将高低两级增压器调节到某一稳定转速,进行二级压气机性能试验.试验结果表明,高压级压气机的折合流量与实际流量差别很大,为便于了解二级增压系统的实际增压效果,宜采用实际流量;在大部分工况下压比分配为1∶1时,所匹配的二级增压系统效率较高;两级增压器转速较低时能达到很高的增压压力,保证了系统的安全性与可靠性.

基于调节能力的柴油机可调二级增压系统匹配方法

应用等效增压器概念对柴油机可调二级增压系统进行了理论研究.建立了可调二级增压系统的等效增压器模型,得到了基于旁通流量比的等效涡轮流通面积表达式和基于旁通流量比与涡轮焓降比的等效增压器效率的表达式.等效涡轮流通面积表达式可用来分析可调二级增压系统的调节能力,并根据期望的调节能力匹配合适的高低压级涡轮增压器组合.等效增压器效率表达式从经济性角度给出了可调二级增压系统的匹配准则:排气能量分配与效率的相适应.最后,利用算例分析了可调二级增压系统的特性并介绍等效增压器概念在匹配与优化上的具体应用.

可调二级增压柴油机瞬态加载性能的试验

对柴油机用可调二级增压系统进行了瞬态加载试验研究,建立了可调二级增压系统的柴油机瞬态试验系统,通过全工况范围内的稳态试验进行了可调二级增压旁通阀调节规律分析研究.基于稳态的旁通阀调节规律确定了瞬态加载过程的试验方法,进行了3条转速线上的瞬态定转速加载性能试验.试验结果表明:较低转速高负荷时应关闭涡轮旁通阀来改善燃烧,相应瞬态过程中在低负荷时也应关闭旁通阀来避免增压压力上升缓慢和排放性能差等问题.针对较高转速提出了一种修正调节规律,从而有效地提高了增压系统对柴油机加载过程的响应特性,同时也改善了烟度排放.

车用柴油机的二级增压

阐述了重型车用柴油机及轿车柴油机上采用的二级可变增压系统原理。试验表明,在柴油机上应用二级增压能有效提高升功率、增大低速扭矩、改善加速性、改善低速油耗及排放。指出,二级增压系统存在着较为复杂的系统构成、体积和质量都较大及有关控制难以实现等问题,并探讨了其解决方案。

二级增压对重型高压共轨柴油机燃烧及微粒排放特性的影响

针对某电控高压共轨重型柴油机匹配二级增压系统后的燃烧、排放及微粒粒度分布特征进行了试验研究，分析了二级增压系统对柴油机性能、燃烧及微粒排放的影响规律。研究结果表明：重型高压共轨柴油机微粒更趋于超细化，核态微粒数量浓度峰值在8～15nm，绝大多．数微粒粒径〈200nm；中高负荷工况下核态微粒比例达93％以上。匹配二级增压系统后，进气量和空燃比明显增大，缸内最高燃烧压力及放热率峰值升高，消光烟度及微粒排放大幅度降低；13工况微粒加权平均比排放量比单级增压减少了75．6％；低负荷工况下核态微粒数量及其所占比例高于单级增压，积聚态微粒数量有所降低；中高负荷工况下50nm以下的核态微粒数量及其所占比例降低，且微粒总数及积聚态微粒数量减少，核态微粒平均粒径增大。

车用二级增压系统匹配方法与模拟计算

为某发动机匹配一套二级增压系统,介绍了二级增压系统中高低两级压气机的匹配方法。建立了二级增压发动机计算模型,并进行外特性稳定工况模拟计算,确定发动机各转速下旁通阀的最佳开度。根据模拟结果,分析了旁通阀开度对高低两级增压器转速及压比的影响,确定了高低两级压气机压比和总压比随发动机转速的变化趋势。计算结果表明,匹配的二级增压系统基本满足发动机强化要求。

不同海拔下柴油机可调二级增压系统的经济性调节方法

在6V柴油机原机模型校核的基础上,按照高原匹配策略匹配了可调二级增压系统,并搭建了可调二级增压柴油机性能仿真模型。研究了不同海拔环境下(0 m和4.5 km)高压级涡轮旁通流量率对柴油机性能参数的影响规律,分析了旁通流量率对柴油机燃油经济性的影响机理,以及海拔环境对柴油机二级增压系统调节规律的影响。得到了不同海拔环境下(0 m和4.5 km)高压级涡轮旁通流量率的经济性调节规律和可靠性调节规律。相较于可靠性调节规律,经济性调节规律的调节范围更加宽广,能够显著降低调节区域的燃油消耗率。4.5 km海拔环境下经济性调节规律的调节区域比0 m海拔环境下经济性调节规律的调节区域窄。在低负荷时,4.5 km海拔环境下燃油消耗率比平原时低,中高负荷时比平原时高。

可调二级增压系统涡轮级热力学分析

针对重型车用、带有调节阀的可调二级增压系统的涡轮级进行了热力学分析,推导了涡轮级绝热效率的计算公式,给出了高、低压涡轮流量和膨胀比的计算方法。计算结果显示,当高压级涡轮进口压力和温度保持不变的时候,随着调节阀逐渐关闭,高压级涡轮的流量和膨胀比均逐渐上升,低压级涡轮的流量和膨胀比均逐渐下降。涡轮级绝热效率在调节阀开度为60°时最低,在调节阀完全关闭时最高。

二级增压耦合预喷射对柴油机燃烧特性参数影响的数值模拟

在一台单级废气涡轮增压中冷柴油机的基础上,建立二级增压中冷柴油机仿真模型及调节EGR阀开度,使EGR率保持在45%,在验证了二级增压器匹配的合理性后,研究了标定转速2 200,r/min、50%负荷下柴油机二级增压耦合预喷射对燃烧特性参数的影响,最后在标定转速50%负荷工况、标定工况以及最大转矩工况进行了预喷对发动机机械负荷和热负荷影响的研究.结果表明,二级增压相比一级增压提高增压压力18%左右,但也同时增加最大压升率.预喷能够大幅度降低最大压升率,增加二级增压性能,缩短主喷滞燃期,推迟放热重心,增加燃烧持续期,降低机械负荷;但同时增加柴油机热负荷,小预喷量耦合较小的预喷间隔角,柴油机燃烧特性较好.