论文摘要
气波增压器是利用发动机的排气能量来提高发动机的进气压力,具有低速大扭矩、瞬态响应快、NOx排放量少以及不存在涡轮滞后的优点,特别适用于负荷需经常变化的车用发动机。本文以车用发动机气波增压器为研究对象,对其性能进行了分析、研究,主要从仿真计算与试验研究两个方面进行了较为系统的研究。首先针对已经完成的气波增压柴油机试验结果,分析影响气波增压柴油机性能的主要因素。根据以往的气波增压器匹配柴油机试验结果进行分析总结,运用灰色系统理论对试验数据进行处理和计算,求解各个影响因素对气波增压柴油机性能参数的灰色关联度。灰色关联理论分析结果表明气波增压柴油机性能的主要影响因素是进气流量和排气温度,针对两个关键因素进行控制能有效改善性能。根据灰关联分析结果,加大进气歧管容积,同时对排气歧管加以保温维持高的排气温度,改进后的试验结果表明气波增压发动机性能得以提高。 搭建了独立的气波增压器性能试验台架并进行了性能试验。根据灰色系统理论的分析找到的影响气波增压性能的两个关键影响因素(进气流量、排气温度),这两个关键影响因素均是气波增压器高能量区的参数。搭建气波增压器性能试验台架时重点考虑了对高能量区的入口端、出口端的各参数的测量。台架中设有多个传感器测量各个参数。试验台架中使用电机驱动气波增压器,气波增压器转速的调节通过电机来调控。设计、加工支撑部件以固定气波增压器及传感器。使用电加热器加热空气、空气压缩机压缩空气,为PWS提供高温高压气体。试验中,使用自行开发的数据采集装置及数据采集软件来实时采集、显示各个测量参数。完成试验台架的安装调试后进行了气波增压器性能模拟试验,试验中测量气波增压器的各个端口的参数,一方面作为CFD计算所需的边界条件,另一方面与计算结果进行对比验证气波增压器仿真模型的准确性。试验过程中,进行了气波增压器独立台架性能试验和以车用汽油机为热源的两种方案的试验。结果表明,能量入口端的压力、温度和气波增压器转速对能量出口端的各性能参数均能产生一定的影响;比较而言,能量入口端的温度、气波增压器转速对出口端的参数性能影响较大,而能量出口端的参数随能量入口端的压力的变化基本不变。控制能量入口处参数能有效提高气波增压器性能。 建立了三维非定常流动模型,运用计算流体动力学(CFD)方法对气波增压器内部气体流动进行仿真计算分析,分别针对整体气波增压器结构(包括转子、定子)以及两个对称的转子槽道建立了气波增压器三维非定常流动模型,进行了不同PWS转速工况的数值模拟计算,并将仿真计算结果与试验结果进行比较。整体气波增压器模型的误差较小,在中、高PWS转速范围内计算值与试验值基本一致,能够较准确地描述气波增压器内部流动状况。整体气波增压器三维非定常流动模型计算结果表明,保持较高的新鲜空气入口处流速有利于改善气波增压器流动,提高效率。转子槽道分区模型在PWS转速高速范围计算误差较大,但在低速范围误差小,比较适用于低PWS转速的流动计算。同时,相对于整体气波增压器三维流动模型而言,由于分区模型是分阶段对转子工作各个时期进行了模拟计算,不但可以比较细致地定性分析槽道内气体在各个阶段的流动,同时,还可以根据计算结果得出转子槽道内两种不同能量的气体的交界面,分析高压气体和低压气体两种能量不同气体在槽道内的接触情况。转子槽道分区模型计算结果表明,气波增压器运转在高速时更接近理想工况,性能最优。转子槽道分区模型是整体气波增压器模型的补充。两种模型能够较准确地描述气波增压器内的流场。根据气波增压器结构特点,在建立的气波增压器三维流动模型的基础上,做一些结构上的改动以考察结构的变动对气波增压器性能的影响。结构上的改动主要针对定子与转子间的布置位置以及转子槽道槽节距进行了适当的改动设计。首先改变了定子与转子间的布置角度θ1,计算结果表明,仅仅靠改变θ1并不能够给气波性能带来十分理想的改善,适当减小θ1后,对提高低PWS转速工况的性能有所帮助,但对另一些PWS转速工况气波增压器性能反而恶化。因此,θ1的选取应该考虑与PWS转速匹配计算。转子槽道结构的改变影响更显著。改变槽节距的计算结果显示由于槽节距的改变使得气波在转子槽道中的传播过程偏离了设计值,导致气波增压器性能下降。在气波增压器的设计时应结合气波增压器的流量、转速、增压性能的要求综合考虑,来选取合理的转子和定子的结构参数。