涡轮增压器喷嘴环冲蚀磨损后气动特性研究

船用柴油机排放尾气中的固体颗粒会对可变混流涡轮造成冲蚀磨损,导致喷嘴环表面材质剥落,表面粗糙度增加,降低喷嘴环使用寿命。该研究利用ANSYS CFX软件,基于气固两相流的欧拉-拉格朗日法和Finnie磨损模型,研究不同开度下,磨损产生的表面粗糙度对喷嘴环流场、静压和涡轮性能的影响。研究表明:喷嘴环吸力面和压力面两侧的流动边界层厚度、静熵、湍流动能和表面摩擦因数均随粗糙度的增大而增大,导致边界层附近的流动损失增大、气体内能增加、能量耗散增大;喷嘴环两侧的静压差随粗糙度的增大而增大,使喷嘴环结构载荷增大,可能会降低喷嘴环使用寿命;随着表面粗糙度增大,涡轮效率随之降低,但降低速率却有所减小,对不同开度的影响程度也不同。

可变喷嘴涡轮增压及废气再循环系统改善柴油机排放性能

针对一台废气旁通阀式（wastegate,WG）增压柴油机,提出可变喷嘴涡轮增压器（variable nozzle turbine,VNT）＋文丘里管废气再循环系统（venturi exhaust gas recirculation,v EGR）的VNT-v EGR系统设计,并进行匹配优化。搭建了发动机台架试验系统,在保证原机经济性与颗粒物（particulate matter,PM）排放性能基本不变的前提下,对氮氧化物（NOx）排放进行重点优化。研究结果表明：优化后的VNT＋v EGR柴油机的欧洲稳态测试循环（European steady state cycle,ESC）试验加权的有效燃油消耗率、NOx排放和PM排放分别为229.4、3.53和0.055 g/（k W·h）,相比于原WG柴油机的变化率分别为0.04%、-48.2%和14.6%,油耗和PM排放略有升高,而NOx排放大幅降低,且动力性整体提高约5%～10%。匹配新系统的柴油机能够满足现行的排放法规并具有满足未来排放法规的潜力。该研究为改善柴油机的排放性能提供了参考。

可变喷嘴涡轮增压器喷嘴环叶片位置对柴油机性能的影响

针对普通废气涡轮增压器低速响应和高速功率不能同时兼顾的特点,对可变喷嘴涡轮增压器(VNT)进行了试验研究。通过试验分析了喷嘴环叶片位置对柴油机性能的影响,并得到了VNT的优化脉谱。同时进行了VNT的瞬态响应研究。研究结果表明:VNT通过改变涡轮喷嘴环面积可与柴油机各工况实现最佳匹配,燃油消耗率在全工况范围内明显改善,在高速低负荷时燃油消耗率降低最多,达到了10%;通过增加低速的进气量,VNT对柴油机低速高负荷工况性能有明显改善,扭矩约增加15N·m,油耗率降低2%,烟度从原机4.5 BSU降低到2.5 BSU;通过与原机外特性的对比,在中高速的NO_x和烟度排放与原机相差不大,在低速区NO_x增加约100×10^(-6),烟度降低2 BSU,在整个转速范围内油耗率降低2%～3%。

可变喷嘴涡轮增压器对车用柴油机瞬态性能的影响

应用自行开发的柴油机瞬态工况测控系统和VNT电控系统,试验研究了可变喷嘴涡轮增压器对车用增压中冷柴油机瞬态工况下烟度、增压压力、燃油消耗量及空燃比等性能参数的影响规律。研究结果表明,在典型瞬态工况下适当减小VNT的开度可以改善进气响应、增加进气充量,选取合理的VNT开度可以降低排气烟度,低速增负荷工况排气烟度可降低34%,但喷嘴环开度过小,将导致增压器效率下降,进气量降低,排气烟度增加。

可变喷嘴涡轮增压器与柴油机匹配的数值模拟

利用GT-Power一维仿真软件,建立了J90S固定截面涡轮增压柴油机WD615.50的仿真计算模型,并与试验数据进行对比,验证模型的准确性。在此基础上,将原机的J90S固定截面涡轮增压器改为JK90S可变喷嘴涡轮增压器,建立可变喷嘴涡轮增压柴油机的仿真计算模型,对JK90S与WD615.50柴油机的匹配规律进行数值模拟。数值模拟结果表明:与固定截面涡轮增压器相比,在柴油机低速工况下,通过关小可变喷嘴涡轮增压器喷嘴环叶片的开度,柴油机进气更加充足,功率及转矩稍有增加,经济性有所改善。根据数值模拟结果,确定了最佳喷嘴环叶片开度随柴油机转速及负荷的变化规律。

可变喷嘴涡轮增压器控制策略研究

设计了可变喷嘴涡轮增压器控制策略。以潍柴蓝擎共轨柴油机为平台进行了可变喷嘴涡轮增压器性能匹配试验,台架试验显示,所设计的控制策略可实现可变喷嘴涡轮增压器的精确控制,对提高发动机低速扭矩,改善发动机低速和部分负荷时的经济性效果显著。

可变喷嘴涡轮增压器与发动机的匹配分析

通过可变喷嘴涡轮增压器与发动机的匹配试验测得增压压力和排气压力值,结合发动机的结构参数,计算了发动机的流通特性,建立了可变喷嘴增压器与发动机的联合工作曲线。对联合工作曲线的分析表明设计的可变喷嘴涡轮增压器与发动机匹配良好,不会出现喘振和阻塞。

可变喷嘴涡轮增压器电控系统的设计与匹配

为研究可变喷嘴涡轮增压对车用发动机性能的影响,针对国内研发的车用可变喷嘴涡轮增压器开发了电控系统。该电控系统采用MC68HC11E9单片机为微控制器,以进气歧管内的增压压力为控制目标,控制算法采用数字PID控制。在发动机台架上进行了装有国内研发的可变喷嘴涡轮增压器电控系统的6缸发动机的匹配和稳态试验,试验结果表明采用国产可变喷嘴涡轮增压器对发动机性能有较大的改善。

脉冲涡轮可调喷嘴尾迹及间隙泄漏流

通过数值模拟的方法研究了脉冲进气条件下可变喷嘴涡轮喷嘴尾迹传播规律和喷嘴间隙泄漏流的影响.结果表明:低脉冲压力时喷嘴尾迹摆动剧烈,喷嘴转子叶片间的势流干涉作用强烈;高脉冲压力时转子叶片受到两道喷嘴尾迹影响,作用深度达到50%弦长;不同涡轮进口脉冲压力对应的喷嘴间隙的泄漏形态不一样,并且轮缘侧和轮毂侧的泄漏流形态也存在不一致,从而对喷嘴出口气流角和转子进口攻角都造成了不同影响;当涡轮进口压力较低时,脉冲压力变化对喷嘴出口气流角影响大,而当进口压力较高时,转子进口主流沿叶高方向的攻角趋向一致.

JK90S可变喷嘴涡轮增压器试验研究

将所设计的JK90S转叶式可变喷嘴涡轮增压器进行了涡轮性能试验。试验结果表明,它能够有效地调节涡轮特性。进行了可变喷嘴涡轮增压器与WD615柴油机的匹配试验,并将匹配结果与原机进行了试验比较;结果表明,柴油机低速动力性和部分负荷低速燃油消耗都得到了改善。

可变喷嘴涡轮增压器(VNT)对高原地区车用柴油机性能与排放的影响研究

目的系统研究可变喷嘴涡轮增压器(VNT)对运行在高原地区的车用柴油机动力性、经济性以及排放性能的影响关系,为高原地区电控柴油机与VNT的匹配控制以及降低其污染物排放提供一定的理论指导。方法在海拔高度约为1960 m的高原地区,选取柴油机的典型运行工况,即低速1400 r/min全负荷、2200 r/min全负荷(最大转矩工况)以及4000 r/min全负荷(额定功率工况),通过试验研究VNT对柴油机性能与排放的影响。结果在低速工况,随着VNT喷嘴环开度的增大,动力性降低,经济性恶化;在最大转矩与额定功率工况,均存在一个最佳的VNT喷嘴环开度使得转矩最大,同时油耗最低。随着VNT喷嘴环开度的增大,进气流量、空燃比、中冷前压力、中冷前温度以及涡前压力均降低,而涡前温度升高。在三个典型运行工况下,随着VNT喷嘴环开度的增大,氮氧化物(NO_x)比排放逐渐降低,而烟度、一氧化碳(CO)以及碳氢(HC)比排放逐渐升高,VNT对HC排放的影响较小。结论在高原地区,通过减小VNT喷嘴环开度可以降低涡前温度,进而降低柴油机的热负荷,提高其可靠性,合理调节VNT喷嘴环开度可以获得较为满意的NO_x比排放与烟度排放。

可变喷嘴涡轮增压器试验研究

可变喷嘴涡轮调节技术是改善增压柴油机低速性能、降低柴油机排放的有效措施。将所设计的转叶式可变喷嘴涡轮增压器进行了涡轮性能试验,试验结果表明它能够有效地调节涡轮特性。进行了可变喷嘴涡轮增压器与CA6106柴油机的匹配试验,并将其结果与带放气阀增压器的试验结果进行了比较,结果表明CA6106柴油机高速油耗和整个外特性烟度都得到明显的改善。

天然气发动机可变喷嘴涡轮增压器匹配研究

针对488天然气发动机匹配了可变喷嘴涡轮增压器(VNT),设计了电子控制系统,并通过发动机试验研究了VNT匹配规律。天然气发动机VNT调节规律不仅与节气门开度(负荷)有关,也与发动机的转速有关。匹配试验结果表明:采用VNT增压技术后天然气发动机的功率和转矩显著提高,最大功率从58 kW提高到73 kW,最大转矩从156 N.m提高到212 N.m,且最大转矩点转速降低,大幅度改善了天然气发动机的动力性与经济性。

带有可变喷嘴涡轮增压系统的天然气发动机试验研究

在CA4G22E发动机的基础上开发出了一台多点顺序喷射的天然气发动机。该发动机采用了增压中冷技术及可变喷嘴涡轮增压技术。试验结果表明,采用增压中冷技术和可变喷嘴涡轮技术可以提高发动机的进气量,优化发动机在全工况范围内与增压器的匹配,大幅度提高发动机的动力性与经济性。

JK90S可调喷嘴涡轮配机特性的研究

以JK90S可调喷嘴涡轮与WD615.50型柴油机配机试验数据为基础,对采用GT-POWER建立的配机仿真模型进行了校验,使仿真的发动机参数和涡轮的进出口参数与试验值误差小于5%。采用校正后的GT-POWER配机仿真模型,对经过调节喷油量后的WD615.50型柴油机与JK90S增压器的配机运行工况进行仿真计算,确定了可调喷嘴涡轮随发动机工况变化时的最优开度脉谱图。

可变喷嘴涡轮增压器电控系统设计

针对GT35V可变喷嘴涡轮增压器开发了一套涡轮开度电控系统。该系统以步进电机为核心元件,以MCS-51系列单片机及其扩展为电控单元,采用模块化的设计结构完成了控制软件的编制。通过电控系统调试及其在CA6DE1-21K柴油机上的标定试验,表明该系统具有结构简单、可靠性好、精度较高等特点。

脉动调节式可变喷嘴涡轮特性计算

为了更有效地利用发动机排气脉冲波的能量,提出了一种新型脉动调节式可变喷嘴涡轮(VNT).以JK90S可变喷嘴涡轮为研究对象,利用叶轮机械CFD软件NUMECA,对常规VNT和脉动调节式VNT进行了数值计算研究.计算结果表明,与常规VNT相比,脉动调节式VNT在脉冲波能量利用方面具有明显优势,在相同的工况条件下,脉动调节式VNT的实际功率和膨胀比与常规VNT相比分别增加了36.8%和24.8%.

可变喷嘴涡轮增压器电液控制阀仿真与实验

根据AVNT控制系统组成及工作原理,建立凸轮位置反馈式AVNT阀的数学模型,分析了控制系统的稳定性和电流-转角特性。仿真结果表明,由幅值裕量、相位裕量和响应时间可知控制系统稳定且具有较好的动态性能。AVNT阀安装到涡轮增压器上,通过曲柄轴转角随输入电流变化的实验,验证了仿真模型的可行性。

2.0L柴油机用JK48可调喷嘴涡轮增压器的设计研究

根据2.0L增压柴油机参数要求,设计了JK48可调喷嘴涡轮增压器,利用Numeca软件对设计的JK48可调喷嘴涡轮增压器进行了计算分析,进行了JK48可调喷嘴涡轮增压器与发动机的性能匹配试验,将其结果与原机的试验结果进行了比较,研究结果表明,JK48可调涡轮增压器可以满足发动机的性能要求。

脉动调节式可变喷嘴涡轮非定常特性试验

为了更有效地利用发动机排气脉冲波能量,以JK90S可变喷嘴涡轮为基础,开发了喷嘴叶片脉动调节和控制系统,使喷嘴叶片角度随涡轮进口脉冲波按照一定规律高频变化。在涡轮非稳态特性试验台上,进行了涡轮进口来流脉冲频率为20Hz条件下,喷嘴叶片角度固定不变和喷嘴叶片脉动调节两种情况下的涡轮非定常特性试验。试验结果表明,相对于常规可调涡轮,随涡轮进口脉冲来流采用适当幅值的喷嘴叶片脉动调节,涡轮瞬态输出功率有了一定程度提高。