基于正交试验的低速机增压器涡轮排气壳性能优化研究

为提升船用低速机涡轮增压器性能,对增压器涡轮排气壳底部流道结构进行参数化,设计并开展了以效率为优化目标的四因素三水平正交试验优化设计和增压器整机性能试验。首先,采用CFD数值模拟方法对不同参数组合的涡轮气动性能进行了计算,然后对涡轮排气壳底部流道结构参数开展了灵敏度分析,同时针对不同参数组结构开展了内部流场对比分析,明确结构因素对流动的影响机理;在此基础上对优化后方案开展了涡轮特性分析,最后在低速双燃料机平台上开展增压器整机试验验证。分析研究表明：在涡轮进气壳、喷嘴环和涡轮叶片等通流部件结构不变的前提下,涡轮排气壳排气方向轴向长度对涡轮整级效率的影响最大,优化后效率明显提升,设计点总压损失系数降低0.3874,静压恢复系数提升0.537,总静效率提升1.85%,其余工况总静效率最大提升2.4%。试验结果表明：优化后涡轮增压器整机效率在主机燃油模式和燃气模式下的全工况范围内效率均有提升,最大提升幅度分别达到1.4%和2.1%,涡轮性能和增压器整机性能改善明显。     

特殊背压下高增压柴油机增压器匹配性能研究

基于GT-power搭建了某高增压柴油机一维仿真模型,并通过试验数据对模型进行标定。利用该模型计算分析了柴油机在不同排气背压下的性能,利用计算结果配合试验,分析了排气背压高且波动范围大工况下的压气机和涡轮的匹配。研究表明:背压升高会导致柴油机性能恶化,通过增压器的合理匹配可以实现高排气背压柴油机功率的恢复,稳态工况下可以恢复至59.8%,背压波动工况可以恢复至66%;高排气背压工况应提高压气机低压比区域的效率和流量,并适当控制高压比区域的压比;涡轮喷嘴环流通面积对性能影响较大,过大或过小均不利于功率恢复,通过选择合适的涡轮,可使功率恢复提升10.9%;柴油机性能参数随排气背压波动做规律波动,但存在一定的延迟,波动的幅值与该性能参数的迟滞时间负相关。     

某发动机改型的性能仿真及试验验证

针对某四缸气道喷射的涡轮增压汽油发动机进行缩小缸径的改型换代,通过仿真软件进行分析计算,提出发动机结构参数设计实施方案,达到发动机目标性能要求;本文基于原发动机进气歧管、正时、增压器等结构进行重新匹配优化分析计算,研究各个参数对发动机的性能影响,提出设计方案,并通过试验开发验证。     

某纵置发动机性能开发

应用GT-Power软件,建立某发动机性能仿真模型,并对进气歧管与排气歧管主要结构参数进行优化计算,分析影响发动机性能的关键因素及影响规律,确定满足布置要求的纵置发动机的进气与排气歧管结构参数,台架试验验证了分析结果,并达到了纵置发动机的开发目标.     

利用动力涡轮回收利用汽车柴油机的排气余热

对在车用增压柴油机增压涡轮后串联动力涡轮以回收利用柴油机排气余热进行了数值仿真研究。计算分析了动力涡轮直径大小对余热回收的影响,以及动力涡轮对柴油机本身性能和增压涡轮的影响。结果表明,动力涡轮的大小对增压柴油机系统影响较大,动力涡轮的选型应使动力涡轮在最大效率点运行时,柴油机和动力涡轮总输出功率最大;动力涡轮转速随动力涡轮直径的增大而降低,选用较大的动力涡轮有利于为其匹配传动装置。串联耦合动力涡轮之后,在柴油机高速时可提高系统总输出功率,降低有效燃油消耗率(BSFC),但在柴油机低速时会使系统性能恶化。建议使用低速旁通装置来限定动力涡轮仅在柴油机的高速区投入运行,以避免低速时柴油机和增压涡轮性能下降,高速时回收利用柴油机排气余热,达到节能的目的。     

电动增压器不同布置方式对涡轮增压器的影响

通过仿真软件对某型废气涡轮增压柴油机进行建模,在原机模型基础上分别在涡轮压气机前端和后端加装电动增压器,分析增压柴油机满负荷和25%负荷工况下,电动增压器前置和后置对于涡轮增压器稳态性能的影响以及增压柴油机1800 r/min时,通过时间3 s,使柴油机负荷从25%提升至满负荷的瞬态工况下,电动增压器对涡轮增压器瞬态响应的影响。通过研究表明:稳态时,涡轮增压器压比和效率随柴油机负荷降低而下降,加装电动增压器能够提升进气流量和涡轮增压器压比以及涡轮增压器效率;瞬态时,设定工况下,电动增压器有助于改善增压柴油机涡轮增压器瞬态进气流量、压比、效率以及涡轮压气机转速响应差的问题。     

基于GT-Power的增压柴油机进排气系统参数敏感性分析

为进一步明确增压柴油机进排气系统优化仿真过程中寻优变量的选择方向,采用一维性能分析软件GT-Power中自带的DOE功能,对影响发动机整机仿真结果 (动力性、燃油经济性和可靠性)的15个进排气系统特征参数进行了敏感性分析,并完成了各参数敏感度的排序和比较。分析结果表明,进排气系统阻力是进排气系统设计中的2个重要控制量。与进气管路结构参数相比,排气管路结构参数对各项指标的影响更敏感,而且其中的涡轮出口连接管直径、排气总管直径和长度是3个主要设计参数。     

高强化两级涡轮增压柴油机匹配性能仿真研究

本文建立了某高性能单级涡轮增压柴油机GT-Power性能仿真模型,结合试验数据对模型进行了校核和验证.根据对原型机仿真模拟计算结果的分析,选取Garrett公司T系列涡轮增压器,为其匹配了两级可控涡轮增压系统,并建立相应的整机性能仿真模型,在此基础上研究分析了废气旁通阀开度变化以及高低压级增压器分别采用可变几何涡轮对整机匹配特性的影响等.计算结果表明：采用两级可控涡轮增压系统后,在兼顾原机高工况性能的同时,能有效改善其低工况的性能,在全工况范围内能实现与柴油机的良好匹配.     

某MPC涡轮增压柴油机排温均匀性分析及优化设计

为提高某8缸直列模件式脉冲转换器(modular pulse converter, MPC)涡轮增压柴油机各缸排温均匀性,采用GT-Power仿真软件,搭建整机热力学仿真模型,对比额定工况下各缸的循环进气量、进气和排气道压力波、扫气压差,分析各缸扫气压差不均的影响因素。提出优化MPC歧管倾角、MPC总管直径、气门叠开角、发火顺序4项优化措施。仿真结果表明：优化MPC总管直径、气门叠开角、发火顺序可显著提高各缸排温均匀性,MPC歧管倾角对各缸排温均匀性影响较小。对不同MPC歧管倾角、不同MPC总管直径的柴油机进行台架试验验证。试验结果表明,歧管倾角对各缸排温均匀性影响甚微;将MPC总管直径缩减至原直径的57%,排温标准差由43℃降至30℃,排温均匀性得到显著提高。     

集成排气歧管对汽油机动力性能影响的研究

以一台国五发动机为基础设计了4-1和4-2-1两款集成排气歧管,通过一维仿真的方式探究两种形式的集成排气歧管对发动机动力性能的影响。结果表明:采用了集成排气歧管后,转速大于1 600r/min时转矩变化不明显,与原机转矩有2%的波动;但转速低于1 600r/min时,转矩下降较多,其中4-1方案低速下转矩下降更加明显,1 200r/min时转矩下降11.1N·m,比原机下降5.9%。继而以1 200r/min为例探究了低速情况下,采用集成排气歧管造成转矩下降的原因。结果表明,采用了4-2-1与4-1集成排气歧管后,涡轮增压器前压力状态产生差异,影响了增压器效率;气门叠开期期间,由于排气背压增大,导致废气回流增加和缸内残余废气量增加,降低了充量系数。最后通过试验验证,采用了4-1集成排气歧管后的低速转矩确实低于原机,验证了仿真的准确性。     

排气压力波对柴油机性能影响的分析

利用GT-Power软件建立了100单缸柴油机、6100非增压柴油机及6100涡轮增压柴油机仿真模型。在此基础上计算分析了排气管内的排气压力波动规律及其对柴油机功率、充气效率以及增压比的影响。研究工作对于柴油机排气系统的设计与优化具有一定的指导意义。     

某汽油机紧耦式排气歧管优化设计

针对某汽油机原铸铁排气歧管结构复杂、重量较重、不能搭载满足国Ⅴ排放法规要求的催化器等情况,通过重新设计一款冲压焊接紧耦式排气歧管来解决上述问题。利用一维仿真软件GT-Power对发动机工作过程进行计算分析,得出排气歧管最佳的结构尺寸和连接走向。建立排气歧管三维模型,通过三维仿真软件Star-ccm+对排气歧管内气流流动分布进行分析优化,得到最优的排气歧管设计方案,并与原排气歧管进行性能对比试验验证。     

增压柴油发动机排气歧管密封系统失效分析及优化

针对某型号增压柴油发动机在台架耐久试验过程中,多次出现缸盖与排气歧管结合面漏气问题,从金属凸筋垫片的密封原理角度对失效件进行结构化分析。在问题排查过程中,借助计算机辅助工程(CAE)仿真方法分析密封部件在装配及工作状态下的接触应力,并与FUJI面压试验测试结果进行对比,确定CAE仿真模型的准确性。通过降低排气歧管垫片的表面摩擦系数,以及增加排气歧管双头螺柱长度的方式,实现了排气歧管密封功能的优化。优化后的方案通过了台架耐久试验考核。     

某涡轮增压发动机排气歧管紧固螺栓断裂的原因分析

某涡轮增压发动机在进行循环耐久试验中,由于不合理的结构设计导致排气歧管紧固螺栓发生断裂的故障。我们通过质量检测、CAE分析的方法确认了排气歧管紧固螺栓断裂的问题是由于排气歧管关键部位的高温蠕变和排气歧管定位孔设计不合理导致。通过实验验证的方法,确认了排气歧管结构优化和定位孔优化可以减小排气歧管关键部位热变形对紧固螺栓的挤压剪切,从而解决紧固螺栓断裂的问题。     

回热旁通增压系统的试验研究和数值模拟

本文首先用等效增压器的概念对回热旁通增压系统的工作原理作了“准”定量的分析,然后在B6135-ZG20涡轮增压柴油机上进行了试验研究,最后用数值模拟方法考察了增压器效率和回热度对该增压系统性能的影响,并对采用回热旁通措施后的整机性能作了预测。研究表明,采用回热旁通增压系统能有效地提高柴油机在低速运转时的增压压力,不同程度地降低柴油机的有效燃油消耗率、排气温度和烟度。     

小排量赛车发动机涡轮增压匹配计算及性能预测

遵照大学生方程式汽车大赛的有关规则,以某款0.6L汽油发动机为原型,经理论计算对涡轮增压器进行了选型.并应用GT-Power软件建立了发动机一维仿真模型,增加了进气限制器、涡轮增压器、中冷器和排气泄压阀等部分,进行了发动机和涡轮增压器的匹配计算与性能预测,结果表明二者匹配良好、达到了性能目标.此外,还针对规则要求加装了进气限制器,分析了该进气限制器对涡轮增压发动机的影响.最后,通过发动机台架试验获得发动机外特性曲线,验证了增压器与发动机匹配良好,仿真结果与台架试验结果基本相符.     

轴流涡轮与排气壳扩压段一维耦合设计研究

为探究轴流涡轮耦合排气壳扩压段的一维设计变量选取规律,提高排气壳扩压段的性能,参考现有NRCC叶栅导叶模型,采用自编程序,结合理论分析构建轴流涡轮与排气扩压段耦合的一维设计模型。详细分析耦合设计中影响扩压段的静压恢复系数以及总体性能的因素。研究结果表明：扩压段面积比、平均倾角、扩张角以及壁面摩擦系数等设计参数不仅影响扩压段的静压恢复系数,也影响涡轮的气动效率;本研究模型在面积比为3.5、平均倾角为30°、扩张角δ为5°时整体性能最优;涡轮出口气流的马赫数、叶顶泄漏流以及出口旋流对扩压段的性能有很大影响,出口半径比的增大会使得静压恢复系数降低,因此在耦合设计时应充分考虑涡轮以上参数的选择。     

涡轮增压器进/排气蜗壳结构优化与性能分析

为了分析涡轮增压器涡轮部件进/排气蜗壳对涡轮级性能的影响及相互作用机理,提高涡轮效率,采用数值模拟的方法对涡轮增压器中的进/排气蜗壳进行优化设计,提出进气蜗壳和排气蜗壳的优化方案,并与涡轮整机联合运算,对比分析涡轮整机的性能。结果表明:进气蜗壳主要对静叶10%叶高的来流攻角产生影响,优化方案可为涡轮提供更好的进口条件,排气蜗壳主要对动叶尾缘的载荷分布产生影响,优化方案可以增加涡轮的做功能力,进/排气蜗壳的优化设计可使整机总静效率提高1.19%。     

增压发动机排气歧管开裂原因分析

研究了某款涡轮增压发动机开发过程中出现的排气歧管开裂问题。通过质量检测、CAE分析、推理演绎的方法找出排气歧管开裂的原因,并针对原因给出整改措施,最后通过试验进行验证。为以后出现类似的问题提供了解决思路。     

排气背压对增压柴油机功率的影响分析及其改进方法

建立了某涡轮增压柴油机一维工作过程模型并经试验验证;用该模型研究了排气背压的升高对涡轮增压柴油机输出功率的影响,并通过增压系统的重新匹配和设计改造,探讨了两种改善发动机环境背压适应性的方案。