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可变几何排气管增压系统的计算与试验研究

王绍明  
【摘要】:定压增压系统和脉冲增压系统是涡轮增压系统的两种先期基本型式。定压增压系统在高速工况时,泵气损失较小,涡轮效率较高,性能较优;但是在低速工况时,不能充分利用排气脉冲能量。脉冲增压系统既能避免扫气干扰,又能较好地利用排气脉冲能量,低速工况和瞬态工况性能较优;但是在高速工况时,泵气损失较大。可变几何排气管增压系统通过排气管中的可控阀门来实现增压方式的转换,当发动机处于低速工况或加速加载工况时,关闭可控阀门,增压方式转换为脉冲增压;当发动机处于高速工况时,打开可控阀门,增压方式转换为准定压增压。可变几何排气管增压系统同时具有定压增压系统和脉冲增压系统的优点,可以较好的改善发动机高低转速工况的协调性,是一种具有潜在应用价值的增压系统,为此本文对该增压系统开展了计算与试验研究。 首先以船用Z8170型柴油机原机仿真计算模型为基础,对船用五缸机、六缸机、七缸机、八缸机、九缸机,分别进行了单阀和双阀可变几何排气管增压系统的方案计算研究。通过各种方案计算结果的对比分析,找到了各机型较优的设计方案,并提出了通用的单阀和双阀可变几何排气管增压系统设计方法。 排气管系三通接头计算模型对可变几何排气管增压系统的排气管系设计具有至关重要的影响。为了提高三通接头计算模型总压损失系数的计算精度,对增压系统排气管系常用的两个斜三角“T”型三通接头进行了较高马赫数的冷态吹风试验研究。根据两个三通接头的试验结果,以及已有的三通接头总压损失系数理论计算公式,得到了总压损失系数的修正计算公式。修正计算公式考虑了马赫数的影响,提高了三通接头计算模型总压损失系数的计算精度。 为了研究单阀可变几何排气增压系统的综合性能,在利用得到的修正计算公式对排气管系三通接头模型进行修正的基础上,分别对车用六缸机和船用八缸机各自的一种单阀可变几何排气管增压系统进行了详细的计算分析。针对车用六缸机的单阀可变几何排气管增压系统,确定了其外特性阀门开关切换点。结果表明,在额定工况点阀门打开以后,油耗比原机降低3%。针对额定转速分别为1200r/min和1000r/min的船用八缸机单阀可变几何排气管增压系统,确定了它们的推进特性阀门开关切换点。和四脉冲增压系统、PC增压系统、MPC增压系统相比较,新设计的船用八缸机单阀可变几何排气管增压系统性能较优。在推进特性的瞬态工况,可变几何排气管增压系统的阀门关闭以后,能明显改善瞬态性能;其中进气压力上升到90%稳定压力所需要的时间比阀门打开时减少27%,比MIXPC增压系统减少32%。 为了进一步验证计算分析的相关结果,对车用六缸机和船用八缸机的单阀可变几何排气管增压系统分别进行了模拟试验研究,得到了这两种机型以燃油经济性为最优原则的阀门开关切换规律。对于车用六缸机的单阀可变几何排气管增压系统,在额定工况点,当阀门处于打开状态时,油耗降低4.7g/kW.h。在突加油门的瞬态工况,当阀门处于关闭状态时,瞬态性能较好,其中增压器转速稳定所需的时间减少30%,进气压力上升到90%稳定压力所需要的时间减少16%,烟度峰值减小15.3%。对于船用八缸机的单阀可变几何排气管增压系统,它能较好地改善发动机的低负荷性能:在推进特性的25%负荷,当阀门处于关闭状态时,油耗比原机降低7.5%,涡轮前平均排温比原机降低32%。试验结果证明了计算分析结果的合理性,也表明可变几何排气管增压系统性能优于其他常规增压系统。


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