船用电辅助涡轮增压器转子动力学设计及稳定性研究

电辅助涡轮增压技术(EAT)是能够有效解决传统涡轮增压发动机启动或加速时进气不足、瞬态响应差等问题,实现内燃机动力系统电气化的重要技术手段。基于流体动压轴承润滑理论结合转子运动控制方程,建立由浮环轴承支承的某型涡轮增压器转子系统动力学有限元模型并进行轴心轨迹试验,采用数值计算方法对不同轴承支撑形式的EAT正常转子和不平衡转子的非线性转子动力学特性进行深入研究。结果表明,在EAT运行较宽的转速范围内,其转子具有广泛的次同步振动,转子动力学行为复杂且浮环轴承支撑的转子明显具有更高的次同步振动振幅;半浮环轴承支撑的转子油膜涡动振动的能量远小于基频振动的能量,表现出更良好的减振作用,可以很好地抑制油膜的涡动/振荡。本文研究内容可以有效地辅助EAT的研究工作,提高其整机的NVH性能。

满足未来排放法规的车用增压技术

增压技术是内燃机节能减排的关键技术,排放法规的日益严格和燃油经济性指标的不断提升,对增压系统提出了更高的要求.针对满足未来排放法规的车用增压技术,如可变几何截面涡轮增压、二级涡轮增压、复合增压、电辅助涡轮增压以及压气机技术进行了简单概述.所介绍的几种增压技术,都能在一定程度上提高低速转矩、改善瞬态响应以及降低污染物排放,但都不可避免带来成本增加、结构复杂、控制难度大、安装空间受限等问题,没有一种标准的增压方式可以很好地解决上述问题.因此,选择合适的增压方式以满足未来的排放法规需权衡上述利弊.可变几何截面涡轮增压、二级增压、电辅助增压、先进的压气机技术等的相互组合将是未来增压技术的发展方向之一.

柴油机增压技术在高原环境下的应用

总结了高原环境对发动机各方面性能的影响,以及研究人员针对功率下降提出的解决措施。增压系统的改进成为目前主要研究方向,介绍了两类改进措施:高原增压匹配和可调增压技术。以带放气阀的增压器、可调截面涡轮、二级增压、相继增压、电辅助增压和复合增压这几种典型的可调增压为重点,介绍了各种技术的原理、发展、应用现状,并讨论了这些技术在高原环境下的应用前景。通过研究成果的总结和方案之间的对比可知,可变截面涡轮、二级增压、转速可控复合增压方案不仅能够使柴油机获得较好的高原功率恢复效果,而且具有较强的实用价值。

EAT技术发展前瞻

本文介绍了电辅助涡轮增压器(E lectrically-Assisted Turbocharger-EAT)的发展前景及技术优势。列举一些EAT方案并对其进行了分类,分析了优缺点,归纳了研发过程中需要解决的问题。

电辅助涡轮增压技术的发展综述

综述了柴油机电辅助涡轮增压技术在国内外的发展,讨论了存在的问题和今后的发展趋势。

电辅助涡轮增压柴油机进气氧气质量分数的主动抗扰控制

为提高电辅助涡轮增压柴油机对进气氧气质量分数控制的响应速度,设计了一种主动抗扰控制算法。建立了面向控制的进排气氧气质量分数观测算法,作为虚拟氧传感器使用。利用GT-Power柴油机模型,对控制算法进行仿真测试。进行了台架实验平台的测试。结果表明:在目标进气氧气质量分数仿真变化中,相较于传统比例-积分-微分(PID)控制,该主动抗扰控制算法的平均响应时间降低了0.86 s;在发动机瞬态实验中,进气氧气质量分数控制响应迅速,与目标值的最大相对误差为2.33%。因而,该主动抗扰控制算法,可获得柴油机进气氧气质量分数的快速响应。

电辅助涡轮增压器对柴油机热效率调控规律的研究

针对一台配备有电辅助涡轮增压器(electrically assisted turbocharger,eTurbo)的6.7L柴油机,建立并试验校准了其GT-SUITE/Simulink联合仿真平台。通过调节eTurbo的电功率,在保持发动机动力性不变的前提下,改变发动机的运行状态,以获得发动机系统的电能平衡和最大热效率。基于该平台,首先在稳态工况下,研究了eTurbo的电功率与发动机热效率之间的相互影响关系,并在全工况内量化评估了发动机等效热效率的改善潜力。其次开展了US06城市工况及FTP-75市郊驾驶循环工况下的仿真分析,循环平均结果显示:随电辅助能量的增加,发动机热效率提高但回收的电能不断减小;在FTP-75循环下,要实现发动机节油就必须使用额外的发电手段,比如回收整车刹车能量;与FTP-75循环相比,US06循环发动机负荷更高,故可回收更多的电能,电能可以实现自平衡。

电机外置式电辅助增压器设计与试验研究

电机外置式电辅助增压器几乎不改变传统涡轮增压器结构,具有电动化改造简单、电机热负荷小等优点,是电辅助增压的重要技术路线之一。针对电机外置式电辅助增压器,开展了基于加速性能的高速永磁电机与涡轮增压器匹配方法研究,设计了超越离合器结构以实现高速电机与涡轮增压器之间的连接与断开,建立了电辅助增压器转子轴承系统动力学模型并进行了转动稳定性分析,完成了电机外置式电辅助增压器的集成设计与样机试制。基于电辅助增压器样机开展了加速响应性研究,试验结果表明,在电机辅助下增压器加速响应时间缩短25.9%。

基于模型预测的电辅助涡轮增压柴油机空气系统优化控制研究

针对配备电辅助涡轮增压器(electrically assisted turbocharger,eTurbo)和高压废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)的发动机的油耗和电耗最低、进气氧浓度跟踪误差最小等多目标优化问题,提出了一种eTurbo在线优化控制算法:根据目标进气氧浓度和增压压力,采用自抗扰方法调节EGR阀的开度和压气机需求功率;然后采用模型预测控制(model predictive control,MPC)算法,在线将压气机的需求功率分配给涡轮机和电机,以实现发动机油耗、电能消耗和进气氧浓度跟踪误差的最佳折中。在GT-SUITE/Simulink平台上的仿真结果表明:在FTP-75驾驶循环下,相比于传统增压柴油机,eTurbo柴油机在该优化算法控制下,增压压力的跟踪误差减小87.20%,进气氧浓度的跟踪误差增加1.93%,发动机等效比油耗改善0.82%,验证了该方法的有效性。

车用电辅助涡轮增压技术发展

分析了电辅助涡轮增压系统的组成、主要结构和特点.综述了电辅助增压技术国内外研究现状.比较了EATS系统和EU-ATL系统的优缺点.讨论了电辅助增压技术存在的主要问题和今后的发展趋势.

柴油机电辅助增压系统性能研究

为了消除涡轮滞后效应并增强柴油机低速性能,在涡轮增压柴油机系统的基础上进行改进,设计了一套电辅助增压柴油机系统。利用GT-Power建模,研究电辅助增压系统与涡轮增压系统对柴油机性能的影响。研究表明:在中低转速时,电辅助增压柴油机系统的转矩获得了大幅增加,在1200RPM转速下发动机转矩可由172N*m增加至368N*m。几乎在全转速下,压气机平均效率可获得提升,在1200RPM转速下由53%增涨至64%。当发动机转速超过2000RPM时,受电动机最大额定功率限制,电辅助增压系统输出转矩略有下降。在2000RPM转速下,电辅助增压系统输出转矩由140N*m增加至430N*m所需的响应时间减少了3.84s。在3000RPM转速下,对两系统中压气机实施相同的压比,在牺牲少量的输出功率情况下,电辅助增压系统的经济性得到大幅改善,最多可在增压比为1.8时实现发电机回收净功率11.3kW,此时有效燃油消耗率最多可由260g/kWh下降至241g/kWh。

高背压环境船用柴油机电辅助增压功率恢复

针对柴油机在水下高排气背压环境工作时功率下降问题,开展基于电辅助增压(electrically-assisted turbocharger,EAT)的功率恢复方法研究。构建高背压柴油机的性能预测模型并进行试验验证。对多种拓扑结构的电辅助增压方案进行对比研究,结果表明:电辅助增压拓扑结构选型和匹配优化主要受主增压器运行范围的制约。串联低压级电辅助方案能够优化柴油机高背压适应性,实现高背压工况较高的功率恢复水平。在0.135 MPa背压工况下可恢复至原机功率的90.9%,0.165 MPa工况恢复至88.1%,0.185 MPa工况恢复至84.9%。

高海拔先进二级增压系统研究现状及展望

总结了高原柴油机先进增压系统的研究现状,分别介绍了高原环境下可变截面增压(VGT)、机械-涡轮增压、电辅助-涡轮增压、并联式顺序增压、普通涡轮二级增压、单VGT二级可调增压、双VGT二级可调增压研究现状。最后分析比较了不同增压系统优缺点,展望了未来高原车用增压系统的发展趋势。

高负荷轴流式电辅助增压器的初步设计与性能研究

为解决增压发动机涡轮迟滞效应所带来的环境和操纵性问题,从实际使用角度出发,参考国内外的设计技术标准,采用轴流压气机的形式,为大功率发动机设计了一款在设计工况点流量为0.53 kg/s、总压比为1.3、等熵效率为86.95%的电辅助增压器.通过全三维数值模拟方法,对电辅助增压器的性能进行计算,得到流场细节和设计转速下的性能曲线,并对设计工况点和近失速工况点的流动状态和造成流动损失的原因进行分析.