内燃机非对称涡轮增压技术研究
发布时间：2021-08-14 22:44
涡轮增压技术是实现内燃机节能减排的重要战略举措。其中,非对称涡轮增压技术是满足内燃机更严油耗和排放法规的关键技术。研究非对称涡轮增压技术,对实现内燃机进一步节能减排和我国下一代车用内燃机的开发具有重要意义。论文结合理论、仿真和实验方法,对内燃机非对称涡轮增压技术的匹配规律、性能特点、技术改进和循环优化进行了深入研究。论文建立了非对称涡轮增压内燃机数值仿真模型并完成实验验证。仿真和实验数据相对误差在2%以内,符合研究要求。基于该模型,研究得到非对称涡轮非对称度、喉口面积和效率等关键参数对内燃机性能的定量影响规律,为实现非对称涡轮增压器与内燃机更优的匹配奠定了基础。论文探明非对称相对于对称涡轮增压技术的性能优势;同时,指明在不同废气再循环（EGR）率需求下非对称、变几何和两级涡轮增压技术策略的选择方向。研究结果表明,在内燃机全负荷工况范围内,非对称涡轮增压技术的性能均优于对称涡轮增压技术。在不同EGR率需求下,涡轮增压策略的选择不同,非对称、变几何和两级涡轮增压内燃机性能相对优势存在一个拐点。本研究中EGR率低于29%时,两级涡轮增压技术性能最优;而EGR率高于29%时,非对称涡轮增压技术...
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
非对称涡轮增压内燃机系统简图[54]
为了满足更严的内燃机油耗和排放法规,戴姆勒-奔驰公司在上世纪90年代提出非对称涡轮增压设计理念。随后,开始对非对称涡轮增压技术展开研究,并逐步应用在实际产品(如图1.9)中。在2008年,Müller等人[60]提出非对称涡轮增压器是奔驰卡车内燃机的重要组成部分,该内燃机使用EGR来满足NOx排放要求,并得出结论:非对称涡轮增压器可以在较少的泵气功下实现更高的EGR率。同时,他们通过三维CFD模拟得到了非对称涡轮的流动特性以及大蜗壳和小蜗壳通道中气体流动的相互关系。大蜗壳通道在脉冲流动下,对叶轮的做功效率更高。在没有完整的非对称涡轮几何的情况下,Fredriksson等人[61]建立了一种非对称涡轮平均线模型,可以在每个入口指定进气总温,从而得到一组真实的建模系数。通过实验验证,该模型具有较好的预测精度。同年,Krüger等人[62]介绍了奔驰公司设计生产的面向全世界应用的OM470型号重型柴油机,其排量为10.7L。该发动机设计有两款,排量均为10.7升,分别针对欧Ⅵ和TIER4排放法规设计,分别装备非对称度为44%和48%的非对称涡轮增压器。涡轮和压气机峰值效率分别达到80%和71%,最大EGR率达到34%。与之前奔驰所设计的OM457(满足欧Ⅴ排放法规,未使用非对称涡轮增压技术)相比,燃油消耗率最大下降约5%。随后,奔驰公司相继开发了14.8L OM472,12.8L OM471,15.6L OM473等一系列重型柴油机,均装备有非对称涡轮增压器,且在燃油经济性和排放性能上取得很大的提高,部分满足欧Ⅵ排放法规[63,64]。其中,几款典型内燃机的参数如表1.1所示。随着非对称涡轮增压器的研究逐步深入,一些研究人员开始对其内部的流动机理进行研究,并发展了相应的仿真预测模型。Brinkert等人[66]研究了对称和非对称涡轮的两个蜗壳通道内部流动的相似性。如图1.9所示,他们对非对称涡轮进行了三次实验:(1)两个蜗壳通道同时均匀进气;(2)堵塞小通道,仅大通道进气;(3)堵塞大通道,仅小通道进气。很显然,由于大通道喉口面积较大,因此其流通性能更好。Müller等人[60]针对非对称度分别为45%,55%和65%的非对称涡轮进行实验,结果表明不同的非对称度对应不同的涡轮堵塞流量。并且,小蜗壳通道做功效率最低,涡轮整体效率最高。通过非对称涡轮与整机的匹配分析,可以得到合适的非对称度。在满足排放所要求的EGR率的前提下,使得涡轮效率最高的非对称度为最佳的非对称度。同时,他们还在脉冲增压工况下对两个蜗壳通道进行优化,特别针对小蜗壳通道,主要通过设计一个带有很大流向变化的轴向涡轮叶轮来提高小蜗壳通道的效率。为了避免涡轮叶轮的机械故障,非对称涡轮叶轮的固有频率需要很高。Hand等人[67]开发了一种面向控制的平均值模型,并将其推广到非对称涡轮涡轮,具有较高的模拟精度。针对非对称涡轮涡轮两个蜗壳通道在方向上的不对称性,Wang等人[68]进行了三维数值模拟,研究了涡轮在进口稳定来流和脉冲来流条件下的效率特性。2018年,Palenschat等人[69]对非对称涡轮平均线模型进行了系统总结,并在原有模型的基础上增加了三种模型:小蜗壳通道模型、进气道模型和间隙模型,并对其进行了实验验证,研究两个蜗壳通道在等压、等质量流量和不等质量流量三种进气工况下的性能。
随着非对称涡轮增压器的研究逐步深入,一些研究人员开始对其内部的流动机理进行研究,并发展了相应的仿真预测模型。Brinkert等人[66]研究了对称和非对称涡轮的两个蜗壳通道内部流动的相似性。如图1.9所示,他们对非对称涡轮进行了三次实验:(1)两个蜗壳通道同时均匀进气;(2)堵塞小通道,仅大通道进气;(3)堵塞大通道,仅小通道进气。很显然,由于大通道喉口面积较大,因此其流通性能更好。Müller等人[60]针对非对称度分别为45%,55%和65%的非对称涡轮进行实验,结果表明不同的非对称度对应不同的涡轮堵塞流量。并且,小蜗壳通道做功效率最低,涡轮整体效率最高。通过非对称涡轮与整机的匹配分析,可以得到合适的非对称度。在满足排放所要求的EGR率的前提下,使得涡轮效率最高的非对称度为最佳的非对称度。同时,他们还在脉冲增压工况下对两个蜗壳通道进行优化,特别针对小蜗壳通道,主要通过设计一个带有很大流向变化的轴向涡轮叶轮来提高小蜗壳通道的效率。为了避免涡轮叶轮的机械故障,非对称涡轮叶轮的固有频率需要很高。Hand等人[67]开发了一种面向控制的平均值模型,并将其推广到非对称涡轮涡轮,具有较高的模拟精度。针对非对称涡轮涡轮两个蜗壳通道在方向上的不对称性,Wang等人[68]进行了三维数值模拟,研究了涡轮在进口稳定来流和脉冲来流条件下的效率特性。2018年,Palenschat等人[69]对非对称涡轮平均线模型进行了系统总结,并在原有模型的基础上增加了三种模型:小蜗壳通道模型、进气道模型和间隙模型,并对其进行了实验验证,研究两个蜗壳通道在等压、等质量流量和不等质量流量三种进气工况下的性能。非对称涡轮增压技术发展较晚,与变几何涡轮增压和两级涡轮增压相比,其结构较简单,成本较低,具有很大的节能减排潜力。但是,非对称涡轮增压技术仍存在一些问题未解决。内燃机的工况变化范围较大,非对称涡轮增压器与内燃机的匹配十分重要且复杂,目前公开的文献中还未对其进行详细的研究[70]。同时,非对称涡轮增压技术相对于其他废气涡轮增压技术的优势和不足还不明确,具有在内燃机高转速和EGR阀部分开度时由于自身结构造成内燃机燃油经济性恶化和废气能量的利用还不充分等问题[71,72]。因此,非对称涡轮增压技术的研究对实现内燃机进一步节能减排和我国下一代车用内燃机的研发具有十分重要的意义。
本文编号：3343312
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
非对称涡轮增压内燃机系统简图[54]
为了满足更严的内燃机油耗和排放法规,戴姆勒-奔驰公司在上世纪90年代提出非对称涡轮增压设计理念。随后,开始对非对称涡轮增压技术展开研究,并逐步应用在实际产品(如图1.9)中。在2008年,Müller等人[60]提出非对称涡轮增压器是奔驰卡车内燃机的重要组成部分,该内燃机使用EGR来满足NOx排放要求,并得出结论:非对称涡轮增压器可以在较少的泵气功下实现更高的EGR率。同时,他们通过三维CFD模拟得到了非对称涡轮的流动特性以及大蜗壳和小蜗壳通道中气体流动的相互关系。大蜗壳通道在脉冲流动下,对叶轮的做功效率更高。在没有完整的非对称涡轮几何的情况下,Fredriksson等人[61]建立了一种非对称涡轮平均线模型,可以在每个入口指定进气总温,从而得到一组真实的建模系数。通过实验验证,该模型具有较好的预测精度。同年,Krüger等人[62]介绍了奔驰公司设计生产的面向全世界应用的OM470型号重型柴油机,其排量为10.7L。该发动机设计有两款,排量均为10.7升,分别针对欧Ⅵ和TIER4排放法规设计,分别装备非对称度为44%和48%的非对称涡轮增压器。涡轮和压气机峰值效率分别达到80%和71%,最大EGR率达到34%。与之前奔驰所设计的OM457(满足欧Ⅴ排放法规,未使用非对称涡轮增压技术)相比,燃油消耗率最大下降约5%。随后,奔驰公司相继开发了14.8L OM472,12.8L OM471,15.6L OM473等一系列重型柴油机,均装备有非对称涡轮增压器,且在燃油经济性和排放性能上取得很大的提高,部分满足欧Ⅵ排放法规[63,64]。其中,几款典型内燃机的参数如表1.1所示。随着非对称涡轮增压器的研究逐步深入,一些研究人员开始对其内部的流动机理进行研究,并发展了相应的仿真预测模型。Brinkert等人[66]研究了对称和非对称涡轮的两个蜗壳通道内部流动的相似性。如图1.9所示,他们对非对称涡轮进行了三次实验:(1)两个蜗壳通道同时均匀进气;(2)堵塞小通道,仅大通道进气;(3)堵塞大通道,仅小通道进气。很显然,由于大通道喉口面积较大,因此其流通性能更好。Müller等人[60]针对非对称度分别为45%,55%和65%的非对称涡轮进行实验,结果表明不同的非对称度对应不同的涡轮堵塞流量。并且,小蜗壳通道做功效率最低,涡轮整体效率最高。通过非对称涡轮与整机的匹配分析,可以得到合适的非对称度。在满足排放所要求的EGR率的前提下,使得涡轮效率最高的非对称度为最佳的非对称度。同时,他们还在脉冲增压工况下对两个蜗壳通道进行优化,特别针对小蜗壳通道,主要通过设计一个带有很大流向变化的轴向涡轮叶轮来提高小蜗壳通道的效率。为了避免涡轮叶轮的机械故障,非对称涡轮叶轮的固有频率需要很高。Hand等人[67]开发了一种面向控制的平均值模型,并将其推广到非对称涡轮涡轮,具有较高的模拟精度。针对非对称涡轮涡轮两个蜗壳通道在方向上的不对称性,Wang等人[68]进行了三维数值模拟,研究了涡轮在进口稳定来流和脉冲来流条件下的效率特性。2018年,Palenschat等人[69]对非对称涡轮平均线模型进行了系统总结,并在原有模型的基础上增加了三种模型:小蜗壳通道模型、进气道模型和间隙模型,并对其进行了实验验证,研究两个蜗壳通道在等压、等质量流量和不等质量流量三种进气工况下的性能。
随着非对称涡轮增压器的研究逐步深入,一些研究人员开始对其内部的流动机理进行研究,并发展了相应的仿真预测模型。Brinkert等人[66]研究了对称和非对称涡轮的两个蜗壳通道内部流动的相似性。如图1.9所示,他们对非对称涡轮进行了三次实验:(1)两个蜗壳通道同时均匀进气;(2)堵塞小通道,仅大通道进气;(3)堵塞大通道,仅小通道进气。很显然,由于大通道喉口面积较大,因此其流通性能更好。Müller等人[60]针对非对称度分别为45%,55%和65%的非对称涡轮进行实验,结果表明不同的非对称度对应不同的涡轮堵塞流量。并且,小蜗壳通道做功效率最低,涡轮整体效率最高。通过非对称涡轮与整机的匹配分析,可以得到合适的非对称度。在满足排放所要求的EGR率的前提下,使得涡轮效率最高的非对称度为最佳的非对称度。同时,他们还在脉冲增压工况下对两个蜗壳通道进行优化,特别针对小蜗壳通道,主要通过设计一个带有很大流向变化的轴向涡轮叶轮来提高小蜗壳通道的效率。为了避免涡轮叶轮的机械故障,非对称涡轮叶轮的固有频率需要很高。Hand等人[67]开发了一种面向控制的平均值模型,并将其推广到非对称涡轮涡轮,具有较高的模拟精度。针对非对称涡轮涡轮两个蜗壳通道在方向上的不对称性,Wang等人[68]进行了三维数值模拟,研究了涡轮在进口稳定来流和脉冲来流条件下的效率特性。2018年,Palenschat等人[69]对非对称涡轮平均线模型进行了系统总结,并在原有模型的基础上增加了三种模型:小蜗壳通道模型、进气道模型和间隙模型,并对其进行了实验验证,研究两个蜗壳通道在等压、等质量流量和不等质量流量三种进气工况下的性能。非对称涡轮增压技术发展较晚,与变几何涡轮增压和两级涡轮增压相比,其结构较简单,成本较低,具有很大的节能减排潜力。但是,非对称涡轮增压技术仍存在一些问题未解决。内燃机的工况变化范围较大,非对称涡轮增压器与内燃机的匹配十分重要且复杂,目前公开的文献中还未对其进行详细的研究[70]。同时,非对称涡轮增压技术相对于其他废气涡轮增压技术的优势和不足还不明确,具有在内燃机高转速和EGR阀部分开度时由于自身结构造成内燃机燃油经济性恶化和废气能量的利用还不充分等问题[71,72]。因此,非对称涡轮增压技术的研究对实现内燃机进一步节能减排和我国下一代车用内燃机的研发具有十分重要的意义。
本文编号：3343312
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