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车用涡轮增压器瞬态性能实验装置设计与试验研究

张海路  
【摘要】:为了提高涡轮增压器的性能,改善与发动机之间的匹配,进一步优化发动机,需要对涡轮增压器的性能有准确的了解。目前对涡轮增压器性能的研究多集中在稳态特性,而发动机的排气是脉冲波动的,实际工作中涡轮增压器的特性是瞬时变化的,因此对涡轮增压器瞬态特性的研究至关重要。对涡轮增压器瞬态特性研究可以采用涡轮增压器与发动机排气管直接连接或通过瞬态性能实验装置模拟发动机排气波形的方法对涡轮增压器进行瞬态特性试验。其中第二种方法不仅简化了试验,而且降低了试验成本。本文采用瞬态性能实验装置模拟发动机排气波形研究脉冲进气条件下的涡轮瞬态特性,分析涡轮瞬态参数与稳态参数差异,以及各因素对涡轮特性影响,为涡轮的设计和涡轮增压器与发动机匹配提供一定的参考。首先,完成了瞬态性能实验装置结构设计。在总结传统的装置结构设计基础上,提出一种新的“齿轮转子”结构设计方案,完成装置整体结构设计,建立装置三维模型,绘制二维工程图,并完成装置加工试制。新设计的齿轮转子式瞬态性能实验装置不仅可以满足发动机排气初期压力急剧上升的要求,还可以精确控制两个通道间的啮合角度,实现不同相位进气。为了验证设计的瞬态性能实验装置的合理性,基于Fluent和GT-power软件从仿真角度对装置的出口压力波形进行模拟。仿真结果得到的装置出口压力波形与设计目标波形之间具有良好的吻合性,设计的瞬态性能实验装置可以满足涡轮增压器瞬态特性试验研究要求。在搭建的涡轮增压器特性试验台上,安装瞬态性能实验装置,对HE351W型涡轮增压器在不同频率、膨胀比、废气旁通阀开度等条件下进行了试验研究。试验结果显示瞬态特性曲线呈环状包围着稳态特性曲线,两者之间存在很大的偏离,这种偏离主要是由涡轮内的容积效应造成的,同时试验结果证明了计算时采用“准稳态”假设的不足。在不同脉冲频率的试验中,随着频率的增大,流量下降幅度增大,而效率下降的幅度减小;在不同旁通阀开度试验中,随着阀门开度增大,流量上升幅度增大,而效率下降的幅度增大。基于瞬态性能实验装置的增压器台架瞬态特性试验,可以获得比较全面的涡轮瞬态特性变化规律,可以为涡轮的设计、计算和涡轮增压器与发动机匹配研究提供指导和借鉴。


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