渦輪增壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的重要戰(zhàn)略舉措。其中,非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)是滿足內(nèi)燃機(jī)更嚴(yán)油耗和排放法規(guī)的關(guān)鍵技術(shù)。研究非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù),對(duì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)一步節(jié)能減排和我國下一代車用內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)具有重要意義。論文結(jié)合理論、仿真和實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)內(nèi)燃機(jī)非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)的匹配規(guī)律、性能特點(diǎn)、技術(shù)改進(jìn)和循環(huán)優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。論文建立了非對(duì)稱渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)數(shù)值仿真模型并完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在2%以內(nèi),符合研究要求�；谠撃Ｐ�,研究得到非對(duì)稱渦輪非對(duì)稱度、喉口面積和效率等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的定量影響規(guī)律,為實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)更優(yōu)的匹配奠定了基礎(chǔ)。論文探明非對(duì)稱相對(duì)于對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)的性能優(yōu)勢;同時(shí),指明在不同廢氣再循環(huán)（EGR）率需求下非對(duì)稱、變幾何和兩級(jí)渦輪增壓技術(shù)策略的選擇方向。研究結(jié)果表明,在內(nèi)燃機(jī)全負(fù)荷工況范圍內(nèi),非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)的性能均優(yōu)于對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)。在不同EGR率需求下,渦輪增壓策略的選擇不同,非對(duì)稱、變幾何和兩級(jí)渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)性能相對(duì)優(yōu)勢存在一個(gè)拐點(diǎn)。本研究中EGR率低于29%時(shí),兩級(jí)渦輪增壓技術(shù)性能最優(yōu);而EGR率高于29%時(shí),非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)... 

【文章來源】：清華大學(xué)北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：127 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

非對(duì)稱渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)簡圖[54]

為了滿足更嚴(yán)的內(nèi)燃機(jī)油耗和排放法規(guī),戴姆勒-奔馳公司在上世紀(jì)90年代提出非對(duì)稱渦輪增壓設(shè)計(jì)理念。隨后,開始對(duì)非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)展開研究,并逐步應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)品(如圖1.9)中。在2008年,Müller等人[60]提出非對(duì)稱渦輪增壓器是奔馳卡車內(nèi)燃機(jī)的重要組成部分,該內(nèi)燃機(jī)使用EGR來滿足NOx排放要求,并得出結(jié)論:非對(duì)稱渦輪增壓器可以在較少的泵氣功下實(shí)現(xiàn)更高的EGR率。同時(shí),他們通過三維CFD模擬得到了非對(duì)稱渦輪的流動(dòng)特性以及大蝸殼和小蝸殼通道中氣體流動(dòng)的相互關(guān)系。大蝸殼通道在脈沖流動(dòng)下,對(duì)葉輪的做功效率更高。在沒有完整的非對(duì)稱渦輪幾何的情況下,Fredriksson等人[61]建立了一種非對(duì)稱渦輪平均線模型,可以在每個(gè)入口指定進(jìn)氣總溫,從而得到一組真實(shí)的建模系數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該模型具有較好的預(yù)測精度。同年,Krüger等人[62]介紹了奔馳公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的面向全世界應(yīng)用的OM470型號(hào)重型柴油機(jī),其排量為10.7L。該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)有兩款,排量均為10.7升,分別針對(duì)歐Ⅵ和TIER4排放法規(guī)設(shè)計(jì),分別裝備非對(duì)稱度為44%和48%的非對(duì)稱渦輪增壓器。渦輪和壓氣機(jī)峰值效率分別達(dá)到80%和71%,最大EGR率達(dá)到34%。與之前奔馳所設(shè)計(jì)的OM457(滿足歐Ⅴ排放法規(guī),未使用非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù))相比,燃油消耗率最大下降約5%。隨后,奔馳公司相繼開發(fā)了14.8L OM472,12.8L OM471,15.6L OM473等一系列重型柴油機(jī),均裝備有非對(duì)稱渦輪增壓器,且在燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能上取得很大的提高,部分滿足歐Ⅵ排放法規(guī)[63,64]。其中,幾款典型內(nèi)燃機(jī)的參數(shù)如表1.1所示。隨著非對(duì)稱渦輪增壓器的研究逐步深入,一些研究人員開始對(duì)其內(nèi)部的流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究,并發(fā)展了相應(yīng)的仿真預(yù)測模型。Brinkert等人[66]研究了對(duì)稱和非對(duì)稱渦輪的兩個(gè)蝸殼通道內(nèi)部流動(dòng)的相似性。如圖1.9所示,他們對(duì)非對(duì)稱渦輪進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn):(1)兩個(gè)蝸殼通道同時(shí)均勻進(jìn)氣;(2)堵塞小通道,僅大通道進(jìn)氣;(3)堵塞大通道,僅小通道進(jìn)氣。很顯然,由于大通道喉口面積較大,因此其流通性能更好。Müller等人[60]針對(duì)非對(duì)稱度分別為45%,55%和65%的非對(duì)稱渦輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明不同的非對(duì)稱度對(duì)應(yīng)不同的渦輪堵塞流量。并且,小蝸殼通道做功效率最低,渦輪整體效率最高。通過非對(duì)稱渦輪與整機(jī)的匹配分析,可以得到合適的非對(duì)稱度。在滿足排放所要求的EGR率的前提下,使得渦輪效率最高的非對(duì)稱度為最佳的非對(duì)稱度。同時(shí),他們還在脈沖增壓工況下對(duì)兩個(gè)蝸殼通道進(jìn)行優(yōu)化,特別針對(duì)小蝸殼通道,主要通過設(shè)計(jì)一個(gè)帶有很大流向變化的軸向渦輪葉輪來提高小蝸殼通道的效率。為了避免渦輪葉輪的機(jī)械故障,非對(duì)稱渦輪葉輪的固有頻率需要很高。Hand等人[67]開發(fā)了一種面向控制的平均值模型,并將其推廣到非對(duì)稱渦輪渦輪,具有較高的模擬精度。針對(duì)非對(duì)稱渦輪渦輪兩個(gè)蝸殼通道在方向上的不對(duì)稱性,Wang等人[68]進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,研究了渦輪在進(jìn)口穩(wěn)定來流和脈沖來流條件下的效率特性。2018年,Palenschat等人[69]對(duì)非對(duì)稱渦輪平均線模型進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),并在原有模型的基礎(chǔ)上增加了三種模型:小蝸殼通道模型、進(jìn)氣道模型和間隙模型,并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研究兩個(gè)蝸殼通道在等壓、等質(zhì)量流量和不等質(zhì)量流量三種進(jìn)氣工況下的性能。

隨著非對(duì)稱渦輪增壓器的研究逐步深入,一些研究人員開始對(duì)其內(nèi)部的流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究,并發(fā)展了相應(yīng)的仿真預(yù)測模型。Brinkert等人[66]研究了對(duì)稱和非對(duì)稱渦輪的兩個(gè)蝸殼通道內(nèi)部流動(dòng)的相似性。如圖1.9所示,他們對(duì)非對(duì)稱渦輪進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn):(1)兩個(gè)蝸殼通道同時(shí)均勻進(jìn)氣;(2)堵塞小通道,僅大通道進(jìn)氣;(3)堵塞大通道,僅小通道進(jìn)氣。很顯然,由于大通道喉口面積較大,因此其流通性能更好。Müller等人[60]針對(duì)非對(duì)稱度分別為45%,55%和65%的非對(duì)稱渦輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明不同的非對(duì)稱度對(duì)應(yīng)不同的渦輪堵塞流量。并且,小蝸殼通道做功效率最低,渦輪整體效率最高。通過非對(duì)稱渦輪與整機(jī)的匹配分析,可以得到合適的非對(duì)稱度。在滿足排放所要求的EGR率的前提下,使得渦輪效率最高的非對(duì)稱度為最佳的非對(duì)稱度。同時(shí),他們還在脈沖增壓工況下對(duì)兩個(gè)蝸殼通道進(jìn)行優(yōu)化,特別針對(duì)小蝸殼通道,主要通過設(shè)計(jì)一個(gè)帶有很大流向變化的軸向渦輪葉輪來提高小蝸殼通道的效率。為了避免渦輪葉輪的機(jī)械故障,非對(duì)稱渦輪葉輪的固有頻率需要很高。Hand等人[67]開發(fā)了一種面向控制的平均值模型,并將其推廣到非對(duì)稱渦輪渦輪,具有較高的模擬精度。針對(duì)非對(duì)稱渦輪渦輪兩個(gè)蝸殼通道在方向上的不對(duì)稱性,Wang等人[68]進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,研究了渦輪在進(jìn)口穩(wěn)定來流和脈沖來流條件下的效率特性。2018年,Palenschat等人[69]對(duì)非對(duì)稱渦輪平均線模型進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),并在原有模型的基礎(chǔ)上增加了三種模型:小蝸殼通道模型、進(jìn)氣道模型和間隙模型,并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研究兩個(gè)蝸殼通道在等壓、等質(zhì)量流量和不等質(zhì)量流量三種進(jìn)氣工況下的性能。非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)發(fā)展較晚,與變幾何渦輪增壓和兩級(jí)渦輪增壓相比,其結(jié)構(gòu)較簡單,成本較低,具有很大的節(jié)能減排潛力。但是,非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)仍存在一些問題未解決。內(nèi)燃機(jī)的工況變化范圍較大,非對(duì)稱渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)的匹配十分重要且復(fù)雜,目前公開的文獻(xiàn)中還未對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的研究[70]。同時(shí),非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)相對(duì)于其他廢氣渦輪增壓技術(shù)的優(yōu)勢和不足還不明確,具有在內(nèi)燃機(jī)高轉(zhuǎn)速和EGR閥部分開度時(shí)由于自身結(jié)構(gòu)造成內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性惡化和廢氣能量的利用還不充分等問題[71,72]。因此,非對(duì)稱渦輪增壓技術(shù)的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)一步節(jié)能減排和我國下一代車用內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)具有十分重要的意義。


本文編號(hào)：3343312