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原文传递非对称双流道涡轮机流动特性及其对发动机性能的影响研究

论文题名：	非对称双流道涡轮机流动特性及其对发动机性能的影响研究
关键词：	非对称双流道涡轮机;流动特性;发动机性能
摘要：	非对称双流道涡轮增压具有两个截面积不同的涡轮流道，大流道可有效改善发动机泵气损失及燃油经济性，小流道有利于驱动废气再循环(EGR)，因此它可有效平衡发动机NOx排放和泵气损失之间的矛盾。这已成为应对不断升级的内燃机排放及燃油经济性法规的有效技术。即使入口气流稳定，其不同涡轮流道的流动特性也存在不对称性和复杂性，在发动机脉冲排气状态下将更为瞬变，因而非对称双流道涡轮机中流动特性及其与发动机的匹配理论方面的研究具有重要的科学意义和实用价值。论文的主要研究工作和创新点如下：　　1.构建了非对称双流道涡轮机的一维匹配模型及排气脉冲解耦模型，并进行了实验验证。该模型包含非对称双流道涡轮机的效率预测方法和EGR发动机的进排气模型。使用一维匹配模型对一台9LEGR国六发动机进行了匹配计算，结果同发动机实验数据吻合，流量参数偏差7%之内，效率偏差3%以内。脉冲解耦模型基于双流道入口的发动机压力脉冲来流，及不同状态的非对称双流道涡轮机流通能力曲线所构建。基于该模型可对双流道入口脉冲排气的压力强度、流量参数、能量等进行分析，并在一台12.5LEGR国六发动机上对其结果进行了验证，质量流量偏差5%以内。　　2.在涡轮性能实验台上进行了多个非对称双流道涡轮机的流动测试实验，获得了非对称双流道涡轮机的流动特性。通过改变非对称度(ASY)、双流道进口压力比(SPR)、双流道进口流量参数比(SMR)等，对涡轮机的流量参数、膨胀比及涡轮效率等进行了分析。结果表明：ASY对等进气状态下的涡轮机性能影响很小，对非等进气状态下的性能影响较大；ASY增大，恒定SPR下的非对称双流道涡轮机流通能力和效率都增大；恒定ASY下的小流道和大流道单进气流量参数比(SSMR)与膨胀比近似呈低斜率线性关系，SSMR均值同ASY近似呈线性关系。恒定SMR下的大小流道涡轮机膨胀比均同lg(SPR)近似成指数函数关系，且SMR是控制非对称双流道涡轮机流动相似性的关键因子。　　3.在涡轮性能实验台上对不同流量控制系统的非对称双流道涡轮机进行了涡轮机流量参数测试，获得了涡轮机流量控制特性。并在发动机性能实验台上对不同流量控制系统进行了对比测试，研究了不同流量控制系统对发动机性能排放的影响规律。结果表明：旁通阀开度和旁通流量参数比近似呈对数函数关系；旁通能力与旁通阀孔径强相关，旁通阀孔径同旁通流量参数比最大值近似为幂函数关系。平衡阀开度增加，非对称双流道涡轮机的流通能力和效率均提高，流动状态可从部分进气状态向等进气状态靠近；平衡阀具有很强的EGR率调节能力，ASY越小，平衡阀开度对发动机EGR率的调节范围越宽泛(ASY=0.36的平衡阀对涡轮流量参数的调节范围比ASY=0.5增加了约167%)。平衡阀式非对称双流道涡轮机在发动机外特性上的运行效率显著高于旁通阀式涡轮机，可高达72~77.5%；同大流道旁通相比，平衡阀方案在发动机中高转速区的空燃比提高了约2~10%，比油耗下降了近1.5~6%。　　4.通过对多个非对称双流道涡轮机在发动机台架上进行实验，研究了排气脉冲和非对称双流道涡轮机的相互影响。发现：发动机转速升高，两流道进口的脉冲强度均降低；两流道涡轮机等熵功率分布趋势同排气压力脉冲趋势一致，高压区的功率高，低压区的功率低。ASY增加，小流道进口的脉冲强度和涡轮循环平均等熵功率都减少，而大流道进口都增加，总的涡轮循环平均等熵功率维持相当；ASY增加，涡轮循环平均效率、发动机空燃比及发动机燃油经济性均改善。平衡阀开度增加，两流道进口的压力和流量参数波动均趋于平衡，且流量参数波动范围均大幅扩展；大、小流道涡轮机的涡轮循环平均等熵功率分别降低和提高，但会削弱两流道进口的排气脉冲强度，抑制涡前排气能量的保持。　　5.提出了一种基于脉冲能量权重点的非对称双流道涡轮机匹配方法。对发动机不同转速下的涡轮效率偏离指数进行了测试，发现：涡轮效率偏离指数随着发动机转速的增加而降低，在发动机中低速转速区域考虑发动机脉冲影响很有必要。基于发动机关键运行工况的脉冲能量权重点的匹配可以更加充分的利用涡前排气脉冲能量。为了使能量匹配点可以运行于涡轮的最佳效率区域，提出了两种优化调节策略：调节流道和涡轮流通面积比，使得能量匹配点的膨胀比同涡轮机最佳效率下的膨胀比接近；调节涡轮运行转速，使发动机关键运行工况下的涡轮机转速参数运行于最佳效率状态。最后，在12.5L国六EGR发动机上对上述两种调节策略进行了对比实验。结果显示：在相同NOx的条件下，可使发动机中低转速区的涡轮运行效率及发动机燃油经济性分别改善4%和1%左右。　　本研究为非对称双流道涡轮机的工程开发及应用提供了理论指导和解决方案，且在本论文中提出的研究方法和得出的结论对其它相关动力系统的开发也有参考价值。
作者：	金建交
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	潘剑锋
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021