車用發(fā)動機(jī)氣波增壓器性能研究.pdf

1、氣波增壓器是利用發(fā)動機(jī)的排氣能量來提高發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣壓力,具有低速大扭矩、瞬態(tài)響應(yīng)快、NOx排放量少以及不存在渦輪滯后的優(yōu)點(diǎn),特別適用于負(fù)荷需經(jīng)常變化的車用發(fā)動機(jī)。本文以車用發(fā)動機(jī)氣波增壓器為研究對象,對其性能進(jìn)行了分析、研究,主要從仿真計算與試驗研究兩個方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。 首先針對已經(jīng)完成的氣波增壓柴油機(jī)試驗結(jié)果,分析影響氣波增壓柴油機(jī)性能的主要因素。根據(jù)以往的氣波增壓器匹配柴油機(jī)試驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié),運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論對

2、試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算,求解各個影響因素對氣波增壓柴油機(jī)性能參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度?；疑P(guān)聯(lián)理論分析結(jié)果表明氣波增壓柴油機(jī)性能的主要影響因素是進(jìn)氣流量和排氣溫度,針對兩個關(guān)鍵因素進(jìn)行控制能有效改善性能。根據(jù)灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果,加大進(jìn)氣歧管容積,同時對排氣歧管加以保溫維持高的排氣溫度,改進(jìn)后的試驗結(jié)果表明氣波增壓發(fā)動機(jī)性能得以提高。 搭建了獨(dú)立的氣波增壓器性能試驗臺架并進(jìn)行了性能試驗。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論的分析找到的影響氣波增壓性能的兩個關(guān)鍵影

3、響因素(進(jìn)氣流量、排氣溫度),這兩個關(guān)鍵影響因素均是氣波增壓器高能量區(qū)的參數(shù)。搭建氣波增壓器性能試驗臺架時重點(diǎn)考慮了對高能量區(qū)的入口端、出口端的各參數(shù)的測量。臺架中設(shè)有多個傳感器測量各個參數(shù)。試驗臺架中使用電機(jī)驅(qū)動氣波增壓器,氣波增壓器轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)通過電機(jī)來調(diào)控。設(shè)計、加工支撐部件以固定氣波增壓器及傳感器。使用電加熱器加熱空氣、空氣壓縮機(jī)壓縮空氣,為PWS提供高溫高壓氣體。試驗中,使用自行開發(fā)的數(shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)采集軟件來實時采集、顯示各

4、個測量參數(shù)。完成試驗臺架的安裝調(diào)試后進(jìn)行了氣波增壓器性能模擬試驗,試驗中測量氣波增壓器的各個端口的參數(shù),一方面作為CFD計算所需的邊界條件,另一方面與計算結(jié)果進(jìn)行對比驗證氣波增壓器仿真模型的準(zhǔn)確性。試驗過程中,進(jìn)行了氣波增壓器獨(dú)立臺架性能試驗和以車用汽油機(jī)為熱源的兩種方案的試驗。結(jié)果表明,能量入口端的壓力、溫度和氣波增壓器轉(zhuǎn)速對能量出口端的各性能參數(shù)均能產(chǎn)生一定的影響；比較而言,能量入口端的溫度、氣波增壓器轉(zhuǎn)速對出口端的參數(shù)性能影響較大

5、,而能量出口端的參數(shù)隨能量入口端的壓力的變化基本不變?？刂颇芰咳肟谔巺?shù)能有效提高氣波增壓器性能。 建立了三維非定常流動模型,運(yùn)用計算流體動力學(xué)(CFD)方法對氣波增壓器內(nèi)部氣體流動進(jìn)行仿真計算分析,分別針對整體氣波增壓器結(jié)構(gòu)(包括轉(zhuǎn)子、定子)以及兩個對稱的轉(zhuǎn)子槽道建立了氣波增壓器三維非定常流動模型,進(jìn)行了不同PWS轉(zhuǎn)速工況的數(shù)值模擬計算,并將仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較。整體氣波增壓器模型的誤差較小,在中、高PWS轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)

6、計算值與試驗值基本一致,能夠較準(zhǔn)確地描述氣波增壓器內(nèi)部流動狀況。整體氣波增壓器三維非定常流動模型計算結(jié)果表明,保持較高的新鮮空氣入口處流速有利于改善氣波增壓器流動,提高效率。轉(zhuǎn)子槽道分區(qū)模型在PWS轉(zhuǎn)速高速范圍計算誤差較大,但在低速范圍誤差小,比較適用于低PWS轉(zhuǎn)速的流動計算。同時,相對于整體氣波增壓器三維流動模型而言,由于分區(qū)模型是分階段對轉(zhuǎn)子工作各個時期進(jìn)行了模擬計算,不但可以比較細(xì)致地定性分析槽道內(nèi)氣體在各個階段的流動,同時,還可

7、以根據(jù)計算結(jié)果得出轉(zhuǎn)子槽道內(nèi)兩種不同能量的氣體的交界面,分析高壓氣體和低壓氣體兩種能量不同氣體在槽道內(nèi)的接觸情況。轉(zhuǎn)子槽道分區(qū)模型計算結(jié)果表明,氣波增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)在高速時更接近理想工況,性能最優(yōu)。轉(zhuǎn)子槽道分區(qū)模型是整體氣波增壓器模型的補(bǔ)充。兩種模型能夠較準(zhǔn)確地描述氣波增壓器內(nèi)的流場。根據(jù)氣波增壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在建立的氣波增壓器三維流動模型的基礎(chǔ)上,做一些結(jié)構(gòu)上的改動以考察結(jié)構(gòu)的變動對氣波增壓器性能的影響。結(jié)構(gòu)上的改動主要針對定子與轉(zhuǎn)子間的布置

8、位置以及轉(zhuǎn)子槽道槽節(jié)距進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母膭釉O(shè)計。首先改變了定子與轉(zhuǎn)子間的布置角度θ1,計算結(jié)果表明,僅僅靠改變θ1并不能夠給氣波性能帶來十分理想的改善,適當(dāng)減小θ1后,對提高低PWS轉(zhuǎn)速工況的性能有所幫助,但對另一些PWS轉(zhuǎn)速工況氣波增壓器性能反而惡化。因此,θ1的選取應(yīng)該考慮與PWS轉(zhuǎn)速匹配計算。轉(zhuǎn)子槽道結(jié)構(gòu)的改變影響更顯著。改變槽節(jié)距的計算結(jié)果顯示由于槽節(jié)距的改變使得氣波在轉(zhuǎn)子槽道中的傳播過程偏離了設(shè)計值,導(dǎo)致氣波增壓器性能下降。在氣波