车用废气涡轮对发动机充气效率的改善分析

车用废气涡轮对发动机充气效率的改善分析

                车用废气涡轮对发动机充气效率的改善分析
                                        摘  要

近年来为了满足动力、环境和能源方面的需求,柴油机的设计已经 越来越精细,对于增压中冷四冲程柴油机,特别是高增压的柴油机,为 了保证排气能量的有效利用,同时保证各缸换气过程的顺利进行,对排 气管系统的设计越来越关注。柴油机排气管系统的研究主要有两种方式: 一是通过试验研究的方式,根据试验数据对排气管系统进行改进设计。 二是随着计算机技术的不断进步,可以通过仿真计算来研究排气管系统 的流动以及排气能量的利用情况。与试验相比较,采用数值模拟方法来 研究排气管系统的流动问题不仅可以大大降低研究费用,节省人力、物 力,缩短开发周期,而且还可以获得一些实验不能测量或难以测量的结 果,同时可以得到十分详细的流动信息。
本文以我国自行设计、研制的新型高速柴油机 增压中冷柴油 机为研究对象,为了改善该型柴油机全工况性能,利用发动机性能仿真 软件 GT-POWER 建立了 柴油机的工作模型,排气管系采用脉冲转 换器排气管系统,并根据试验数据对发动机在标况和最大扭矩工况下进行了校核计算;在校核模型的基础上对排气管系统部分进行了重新设计, 建立了 MIXPC 增压排气管系统和优化的排气管系统,分别进行了多方案 分析,结果表明这两种排气管系统都具有较好的全工况性能,特别是解 决了因采用脉冲转换器排气管系统而使柴油机高工况油耗高的问题,且 低工况性能也有较大改善。
在一维性能计算的基础上,为了研究排气管系统的流动情况,本文 建立三维排气管系统模型,包括脉冲转换器排气管系统和 MIXPC 增压排 气管系统,利用 STAR-CD 前处理软件对排气管系统进行网格划分;通过 与 GT-POWER 模型的耦合计算,并对排气管系统内的流场、压力场和耗 散率分布的分析,结果表明 MIXPC 增压排气管系统不仅能解决低工况柴 油机扫气干扰的问题,而且脉冲能量的利用率较高,结构紧凑,动态响 应较好,适用于八缸增压中冷柴油机,同时也为进一步对排气管系统的 优化设计奠定了基础。

 

关键词:柴油机,涡轮增压,排气管系统,耦合仿真,CFD
第一章 绪论

 

 


1.1 前言


柴油机广泛用于海船、内河船舶、常规潜艇、机车、各式货车、坦克、军用车辆、 工程机械、小型电站等等,即使小汽车中,20%~30%也用柴油机作为动力。在石油 危机以来的 30 多年中,各柴油机制造厂及研究机构大力开展提高柴油机热效率及各 种余热利用的研究,把降低油耗率作为主要研究目标之一。与此同时,柴油机的增压 程度不断提高,为适应低工况的性能要求,开发了各式各样的涡轮增压系统。近年来, 为适应愈来愈严格的环境保护要求,广泛开展降低排放物 NOx 及颗粒的研究,提出 了各种措施。
当前,柴油机工作者除积极开展降低油耗率及各种余热利用研究以外,还致力于 开展降低排放、噪声及振动等工作,以满足环境保护的要求;不断改进增压系统和供 油燃烧系统,进行优化设计与优化控制,使在全工况范围内柴油机的运行性能更趋完 善,增加可靠性及使用寿命。提高柴油机的功率,降低油耗是研究与发展的主要方向, 而提高增压压力是提高柴油机功率的最主要方法。
由于增压技术在节能、提高功率及满足排放法规等方面具有无可比拟的优点而被 众多柴油机所采用,发展越来越迅速,增压机型已成为内燃机的基本机型。从发展趋 势来看,现在的最大平均有效压力已超过 3.0MPa[1]。这样高的平均有效压力,使得 高增压柴油机出现了机械负荷和热负荷严重、低工况性能和瞬态特性变差等突出问 题,因此对增压系统提出了越来越高的要求:要具有良好的全工况性能,主要是有利 于改善低工况性能,既具有较高的排气能量利用率;气缸扫气顺利;有害物排放低; 瞬态性能较好;排气管系统结构尽可能简单;易于实现系列化生产;涡轮尽可能采用 单进口等。另外通过对国内外舰艇动力柴油机运行状态的统计,柴油机在 90%以上的 运行时间是处于功率 50% MCR 的状态,并且 80%以上的燃油消耗在此期间[2]。如何 改善高增压柴油机的低工况性能已成为各部门的研究重点之一。
为了满足上述要求,尤其是为了改善高增压柴油机的低工况性能,国内外研究人 员通过各种途径作了大量的工作,研发了多种增压系统,主要采取了如下几种措施: 可变截面涡轮、可变气门正时机构、二次进气及扫气旁通、进排气旁通及高工况放气;
 

 

 

低压缩比补燃、相继增压等。其中,高工况放气、进排气旁通是对经济型和性能的折 中,可用于经济型要求不高和增压比变化不大的场合[3];可变截面涡轮与相继增压虽 然都是改变涡轮的进口面积,但却有很多不同之处;可变截面涡轮只改变涡轮的进口 面积,改变幅度较小,是连续的,但在低工况时的涡轮增压器的综合效率低;相继增 压是同时改变涡轮及压气机的进口面积,涡轮进口面积的改变是不连续的,改变幅度 很大,可保持增压器比较高的综合效率。故可变截面涡轮增压适用于缸数较少,平均 有效压力较低的柴油机,相继增压系统适用于工作范围宽,负荷变化大、增压比较高, 对低速大扭矩要求高,经济性要求好的场合。


1.2 内燃机增压系统的研究和发展现状


为了改善高增压柴油机的低工况性能,国内外研究人员通过各种途径做了大量、 持续的工作,并取得了显著的成绩。主要研究成果归纳起来可以分为四个方向:采用 可控的高性能的涡轮增压器、设计结构新颖的排气管系、可变优化配气供油正时和采 用旁通、相继增压系统等具有控制结构的增压系统。
(1) Miller 系统
Miller 系统进气在上止点前关闭,实现缸内低温循环,增压器与进气管之间装有 高性能中冷器,因此增压空气可以实现外部冷却和气缸内部冷却,可以降低最大爆发 压力和最高燃烧温度,降低 NOx 排放。由于进气关角随负荷的大小自动调节,因此 Miller 系统的实际压缩比是变化的,克服了单纯降低压缩比带来的起动、低负荷性能 差的运行特点,其缺点是进气门的自动调节机构复杂。早期 Miller 系统一直用于中速 柴油机上,如船用发动机,近年 Miller 系统也有在小排量发动机上采用。
(2) 相继涡轮增压系统(STC) 该增压系统的主要优点是采用二个以上涡轮增压器,随柴油机转速和负荷的增
加,相继顺序投入运行,从而保证在低工况时具有较高的增压压力,使得柴油机的燃 油消耗率及热负荷在整个运行区域内较低。该增压系统的主要缺点是控制系统复杂。
(3)  废气旁通涡轮增压系统(Exhaust Waste Gate)
废气旁通系统通常用于车用高增压柴油机,这时柴油机与涡轮增压器在最大扭矩 工况匹配,保证此时的燃烧所需的进气充量,在高转速时放掉涡轮前的部分废气,一 般是总废气流量的 10%左右[4],使涡轮增压器的转速和增压压力不至于迅速提高超过 限值。废气旁通系统实质上是克服柴油机与增压器匹配时柴油机转速范围限制的措 施,与通常涡轮增压系统相比可以采用小一些的涡轮喷嘴当量面积,提高了柴油机的
 

 

 

瞬态响应特性和低工况性能。但对于经常工作于标定转速的柴油机来说,由于废气旁 通造成的能量损失,使高工况的燃油耗率上升,对经济性有影响.
(4)  变截面涡轮系统(VGT)
变截面涡轮增压系统从低速到高速通过分段或连续改变涡轮截面,提高低工况过 量空气系数。废气通过涡轮喷嘴叶片时,根据柴油机外界负荷的变化来改变喷嘴环叶 片的角度,使进入涡轮叶片的气流参数产生变化,通过涡轮焓降的变化实现涡轮功的 变化,让压气机出口的增压压力发生变化,从而达到涡轮增压器与柴油机在各工况下 的良好匹配。变截面涡轮增压系统还可以提高发动机的瞬态特性和降低瞬态排放。该 系统的缺点是涡轮增压器成本高,与普通增压器相比成本要增加 20%以上,比废气旁 通涡轮增压器也要增加 10%左右,而且结构复杂,需要专门的控制机构,对可靠性也 有一定影响[5]。
参 考 文 献

 

 


[1]  杨世友,顾宏中,郭中朝.  柴油机涡轮增压系统研究现状与进展.  柴油机.  2001
(4):1-5 页
[2] 柳祖德. PA6 柴油机 STC 增压系统简介. 陕西省内燃机学会论文. 1999:10-39

[3] 黄建华. TBD620V12 相继增压柴油机工作过程研究. 哈尔滨工程大学硕士学位论 文. 2005:1-2 页
[4] WALSHAM B E, Alternative turbocharging systems for the automotive diesel engine.

Paper C405/036, I MechE Conf. on Turbocharging and Turbochargers, May 1990,

London

[5] Watson N, Marzouk M and Bazari Z. Turbocharger system options for vehicle engines.

Paper C61/78, I MechE Conf. on Turbocharging and Turbochargers, 1978, London
[ 6] 顾宏中,大功率高增压柴油机性能改进研究,《船舶工程》,1999年第3期,第
29- 31页

[7] T.Azuma, Y.Tokunaga and T.Yura. Characteristica of exhaust gas pulsation of constant pressure turbocharged diesel engines. ASME J.Engine Power, 102(Oct 1980)
[8] P S Vaughan. The development of high specific output, four-stroke engines. ASME J.Engine Power, 102(Oct 1990)
[9] E meiler. The application of pulse converter to four-stroke diesel engines with exhaust gas turbocharging. Brown Boveri Rev, 55, No.8(968)
[10]  顾宏中,郭中朝,混合式脉冲转换器系统( MI XPC 系统) ,中国专利•1997 年
[11]  张建华.  直喷式柴油机各类燃烧室湍流流动特性研究.  吉林工业大学博士学位 论文.1996:34-83 页

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