車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣波增壓器性能研究.pdf

1、氣波增壓器是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量來(lái)提高發(fā)動(dòng)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(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)。本文以車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣波增壓器為研究對(duì)象,對(duì)其性能進(jìn)行了分析、研究,主要從仿真計(jì)算與試驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。 首先針對(duì)已經(jīng)完成的氣波增壓柴油機(jī)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié),運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論對(duì)

2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算,求解各個(gè)影響因素對(duì)氣波增壓柴油機(jī)性能參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度。灰色關(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(duì)兩個(gè)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(shí)對(duì)排氣歧管加以保溫維持高的排氣溫度,改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果表明氣波增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能得以提高。 搭建了獨(dú)立的氣波增壓器性能試驗(yàn)臺(tái)架并進(jìn)行了性能試驗(yàn)。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(gè)關(guān)鍵影

3、響因素(進(jìn)氣流量、排氣溫度),這兩個(gè)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(yàn)臺(tái)架時(shí)重點(diǎn)考慮了對(duì)高能量區(qū)的入口端、出口端的各參數(shù)的測(cè)量。臺(tái)架中設(shè)有多個(gè)傳感器測(cè)量各個(gè)參數(shù)。試驗(yàn)臺(tái)架中使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣波增壓器,氣波增壓器轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)通過(guò)電機(jī)來(lái)調(diào)控。設(shè)計(jì)、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(yàn)中,使用自行開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集裝置及數(shù)據(jù)采集軟件來(lái)實(shí)時(shí)采集、顯示各

4、個(gè)測(cè)量參數(shù)。完成試驗(yàn)臺(tái)架的安裝調(diào)試后進(jìn)行了氣波增壓器性能模擬試驗(yàn),試驗(yàn)中測(cè)量氣波增壓器的各個(gè)端口的參數(shù),一方面作為CFD計(jì)算所需的邊界條件,另一方面與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證氣波增壓器仿真模型的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)過(guò)程中,進(jìn)行了氣波增壓器獨(dú)立臺(tái)架性能試驗(yàn)和以車(chē)用汽油機(jī)為熱源的兩種方案的試驗(yàn)。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(duì)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(duì)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(dòng)模型,運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法對(duì)氣波增壓器內(nèi)部氣體流動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算分析,分別針對(duì)整體氣波增壓器結(jié)構(gòu)(包括轉(zhuǎn)子、定子)以及兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的轉(zhuǎn)子槽道建立了氣波增壓器三維非定常流動(dòng)模型,進(jìn)行了不同PWS轉(zhuǎn)速工況的數(shù)值模擬計(jì)算,并將仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(jì)算值與試驗(yàn)值基本一致,能夠較準(zhǔn)確地描述氣波增壓器內(nèi)部流動(dòng)狀況。整體氣波增壓器三維非定常流動(dòng)模型計(jì)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(dòng),提高效率。轉(zhuǎn)子槽道分區(qū)模型在PWS轉(zhuǎn)速高速范圍計(jì)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(dòng)計(jì)算。同時(shí),相對(duì)于整體氣波增壓器三維流動(dòng)模型而言,由于分區(qū)模型是分階段對(duì)轉(zhuǎn)子工作各個(gè)時(shí)期進(jìn)行了模擬計(jì)算,不但可以比較細(xì)致地定性分析槽道內(nèi)氣體在各個(gè)階段的流動(dòng),同時(shí),還可

7、以根據(jù)計(jì)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(jì)算結(jié)果表明,氣波增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)在高速時(shí)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(chǎng)。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(dòng)模型的基礎(chǔ)上,做一些結(jié)構(gòu)上的改動(dòng)以考察結(jié)構(gòu)的變動(dòng)對(duì)氣波增壓器性能的影響。結(jié)構(gòu)上的改動(dòng)主要針對(duì)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?dòng)設(shè)計(jì)。首先改變了定子與轉(zhuǎn)子間的布置角度θ1,計(jì)算結(jié)果表明,僅僅靠改變?chǔ)?并不能夠給氣波性能帶來(lái)十分理想的改善,適當(dāng)減小θ1后,對(duì)提高低PWS轉(zhuǎn)速工況的性能有所幫助,但對(duì)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(jì)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(jì)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(guò)程偏離了設(shè)計(jì)值,導(dǎo)致氣波增壓器性能下降。在氣波