涡轮增压柴油机米勒循环分析及优化

米勒循环是降低柴油机NOx排放的有效措施.现建立涡轮增压柴油机米勒循环热力学分析模型.研究了几何压缩比、有效压缩比、空燃比、涡轮增压器效率等对发动机性能的影响规律.考虑到实际发动机的爆发压力和NOx排放限制,对发动机的性能进行了优化设计.研究结果表明,只有进行参数优化匹配且涡轮增压器效率较高时,采用米勒循环才能提高热效...     

高流量高压比新系列涡轮增压器

ABB公司开发了一种新的TPS．.—F33系列涡轮增压器，可以满足目前和未来功率范围为500—3500kW的小型中速柴油机和大型高速柴油机及气体燃料发动机的要求。其开发的目标是：提高高效率工况下的压比和流量，提高可靠性、寿命及可维修性。TPS.．—F33系列涡轮增压器与TPS．．D／E系列涡轮增压器的外形尺寸相同，包括4种涡轮增压器型号。这些增压器具有较高的功率密度，因而可以大大提高发动机的功率。本报告曾在200l年国际内燃机会议(CIMAC)上获奖。文中介绍了新系列涡轮增压器的结构、性能，新压气机叶轮开发的过程，新系列涡轮增压器的试验结果以及与柴油机和气体燃料发动机的匹配情况。     

满足现代柴油机和气体燃料发动机的要求：TPL．．-C新一代涡轮增压器

今天,现代四冲程柴油机和气体燃料发动机的发展动力主要来自环境方面和增加输出功率的目标。发动机制造商和终端用户的要求成为开发TPL..-C新一代涡轮增压器的动力。以经过充分验证的TPL..-A和TPL..-B系列涡轮增压器为基础,进一步发展了TPL涡轮增压器的概念以便满足明天的中速四冲程柴油机和气体燃料发动机的要求。市场和排放法规要求在很大程度上影响了TPL..-C新一代涡轮增压器的开发。现代涡轮增压系统和苛刻的排放法规要求更高的效率、更高的压比和增加体积流量。此外,各种保证高水平的机械可靠性和良好的维修方便性的措施在设计一种新涡轮增压器时同样必须被考虑到。因此,最近的部件开发被引入新的涡轮增压器系列中。采用新的TPL..-C压气机级和涡轮级,用户可以得益于增大的涡轮增压器单位尺寸体积流量、宽广范围的体积流量、增加的增压压力和改善的效率。于是,TPL..-C涡轮增压器部件的特性将不仅有助于达到发动机的环境相容性要求,而且新的涡轮增压器系列亦将可以满足更高发动机功率输出和功率密度的需要。本文着重描述了发动机制造商及终端用户的要求对TPL..-C涡轮增压器设计的影响。除了性能特点外,主要的关键之点还有诸如耐久性、可靠性、就单位尺寸热力学潜力而言的紧凑性以及维修方便性。机械问题的的讨论包括涡轮增压器的高自然频率和封闭安全性。TPL..-C涡轮增压器已经过全面试验,但在其成功地投放市场之前仍必须经历一个苛刻和综合性的内部鉴定过程。     

ABB公司推出Power2涡轮增压技术

ABB Turbocharging公司推出了它的新型Pow-er2二级涡轮增压器和阀控管理技术,以帮助发动机制造商达到NOx排放要求。Power 2二级涡轮增压系统由两台不同调整尺寸的增压器组成,它们的压气机端通过一台中冷器串联在一起(图1)。冷却来自第一台增压器的压     

高速发动机用新型A100-H系列单级涡轮增压器

作为开发单级高效、高压增压系统的一个里程碑,ABB增压器公司推出了高速发动机用新型A100-H系列涡轮增压器。这种新系列增压器,其压气机压比达5．8,采用铝质压气机叶轮,具有高的增压器效率,能满足未来柴油机和气体燃料发动机的运行要求及低排放的要求。     

增压器轴向力测量及止推轴承优化设计研究

针对车用高压比涡轮增压器,压气机和涡轮的气体流量和压力变化范围大、止推轴承承受负载高的特点,易于导致止推轴承出现承载性能不足等问题.研究了增压器轴向力测量的方法,进行了增压器轴向力台架试验测量,对测量结果作了分析.对现有止推轴承进行了计算,并进行了优化设计,对优化前后的两种止推轴承作了对比试验分析.     

基于现代设计手段的某车用增压器离心压气机设计

针对发动机高压比宽流量范围需求,作者采用两区模型性能预测,控制载荷分布叶片造型和提高自振频率等技术,开展某车用增压器跨声速离心压气机设计和试验验证研究.并得出如下结论:①两区模型性能预测技术可快速预测压气机特性,其结果与试验吻合较好.②控制载荷叶片造型技术可快速方便应用于工程研制,设计结果比较理想.③相同大小叶轮,改变叶轮进口直径,在保持压比和效率近似恒定的情况下,可获得不同流量范围的压气机特性.④减小叶轮出口宽度和增大扩压器收敛段长度在某种程度上可推迟发生亚声速流动喘振.⑤压比大于3后(跨声速状态),压气机流量范围会突然变窄,喘振流量会大幅度增大.     

新开发的4B11型涡轮增压发动机

介绍日本三菱汽车公司新开发的、配装于Lancer Evolution X车上的直列4缸涡轮发动机。这款新开发的4811型涡轮发动机（2．0L）经改用铝制压铸机体和直动式配气系统之后，重量减轻12．5kg，并采用进、排气侧均可变正时的三菱可变正时气门机构MIVEC^TM，通过在全部运行区域设定最佳气门正时，实现了提高性能、降低燃油耗及排放的目标。进而，通过降低进、排气系统的压力损失，并重新设定涡轮增压器的规格，大幅度提高了低、中速扭矩及响应性。同时，还考虑到环保要求，采用了高性能金属催化器等，由此达到比2005年排放标准降低50%排放的水平。     

新一代ST27系列高压比径流式涡轮增压器

大中型柴油机（尤其是使用重油的发动机）未来发展的最大挑战将是满足更加严格的环保要求,涡轮增压系统通过提高压比和效率可为这种发展提供最有力的保障。KBB公司的HPR系列涡轮增压器自问世以来,一直是市场上的佼佼者。KBB公司将以其新的ST27系列径流式涡轮增压器继续应对这种挑战。在HPR系列成功的基础上,新的ST27系列涡轮增压器将压比提升到5．5,仍维持很高的总效率。为满足发动机新的需求,ST27系列在HPR系列基础上扩展了两种规格,因而可适用于功率范围为300～4800kW的气体燃料、柴油和重油发动机。然而,ST3-ST6型增压器的外形尺寸与HPR3000--HPR6000型增压器的保持相同。ST2型增压器设计用于较小的体积流量,而S1_7型增压器则针对较大的体积流量设计。ST27系列增压器已经投放市场,其整个系列将于2010年年底前推出。本文将介绍ST27系列涡轮增压器主要部件的开发,诸如轴承和压气机设计,包括为采用新的空冷系统而进行的旋转叶轮的温度测量。在涡轮增压器试验台和发动机试验台上成功地进行了广泛的性能鉴定试验。本文将详细介绍径流式涡轮叶轮的开发过程。高转速和高温,尤其是叶片振动,使得涡轮叶轮成为涡轮增压器中最关键的一个部件。然而,用于开发的时间又很短。有效而又快速的设计和评价工具可最大限度地减少样机制作和试验的工作量,在设计过程中了解可能发生的最大振动应力是非常重要的。因此,通过一种简单的激振模型提供了一种对径流式涡轮叶片振动应力进行估算的方法。在设计过程中,叶片之间的几何差异引起的失谐效应导致了进一步的不确定性。本文介绍这种由几何因素造成的叶片失谐形成的效应以及由此引起的对峰值振动应力影响进行的模拟与分析,并给出相应的叶片振动的测量结果。     

涡轮增压系统优化与发动机开发的整合

车辆动力系统在提高功率、降低燃油耗和排放方面提出了越来越高的要求，使得整机在优化过程中外协件的集成化程度也越来越高。因此，废气涡轮增压器在未来动力系统方案中对降低二氧化碳排放起着重要的作用。原因是，一者能量转换机技术复杂；二者涡轮增压器对提高行驶性能和降低燃油耗具有巨大的影响力，而后者特别能迎合发动机缩缸强化的发展趋势。FEV公司与亚琛工业大学内燃机研究所进行了合作研究，介绍了一种在动力系统研发过程中通过不同工具和方法组合来研发和优化涡轮增压器的方法。     

KBB公司HPR系列径流式涡轮增压器的发展

KBB公司于2001／2002年开始推出用于功率范围为500-3000kW的中速四冲程柴油机和气体燃料发动机的HPR系列径流式涡轮增压器。本文介绍该系列涡轮增压器成功应用的范例。目前共有100多种不同型号的HPR系列涡轮增压器装用于30多种型号的发动机。为了进一步改进涡轮增压器的运用可靠性，KBB公司在最近几年中作了大量的开发工作。开发了一种专门的径向涡轮喷嘴环涂层，优化了涡轮清洁的冲洗方法，这两项措施都是为了延长发动机烧重油运行时涡轮增压器的寿命。为了适应在更高的排气和机油温度下运用，亦对轴承系统进行了改进。这尤其是在气体燃料发动机应用情况下大大加强了耐久性。 现代柴油机的涡轮增压尤其对压气机提出了高的要求。第一代HPR压气机（A系列）被设计成在100％发动机负荷工况压比为4．2。在随后的几年中，与发动机相关的涉及增压空气压力和涡轮增压器效率的要求迅速提高。 为了满足发动机制造商的这些要求，对压气机作了进一步的全面开发。这导致推出了B系列和C系列压气机，从而拓宽了HPR压气机产品范围。在100％发动机负荷工况下，B系列和C系列压气机的压比分别达到4．5和4．8。在有效转速范围内，其效率超过80％，最高达84％。 自2000年以来，由于全球运输和能量需求的增长，KBB公司一直能够不断地扩展其涡轮增压器业务，并不断地赢得新的客户。这不仅要求在压气机设计过程中，而且同样要求在发动机制造过程中有高效的工具。     

道路用中重型增压柴油机动力总成的瞬态行驶循环建模

用传统方法分析行驶循环燃油经济性时,运动学模型无法采集到增压空气处理系统中的瞬态差异。建立一维动力学性能仿真模型预测行驶循环燃油经济性,它包含了发动机和车辆模型的所有瞬态元素。令人感兴趣的瞬态技术是机械增压,其优点在于可改善增压响应,缩短达到最大扭矩的时间。评价了机械增压器离合器带来的好处。当前的美国6～8级商用车市场只采用涡轮增压柴油机。根据对车辆销售和二手卡车市场进行调查的结果,选择了3辆车和基本型动力总成。行驶循环的燃油经济性是仿真工作的主要输出。所有动力总成都符合美国环保署2010年排放法规要求。同时包括2种降低氮氧化物的方法：（1）仅采用高比例废气再循环,（2）采用低比例废气再循环＋选择性催化还原装置的后处理系统。在工作过程中开发了2种采用GT—Suite的新型建模方法。高水准的动力学模型对中央处理器性能强度的要求更高,但提供的输出不能用更快运行的稳态或运动学模型加以解释。机械增压配置对增压响应的改进体现在车辆性能的提高,而又不增加额定的功率／扭矩比。与基本型涡轮增压动力总成相比,机械增压应用不同水平的降速,既可提高车辆性能或燃油经济性,也可使两者同时得以改进。还评价了机械增压器的尺寸和布置方式（在串联增压配置中放在压气机之前或之后）,以及废气再循环回路的布置方式。在3辆车的应用中,均实现了燃油经济性的改善。     

新一代大型涡轮增压器

提高效率和能力始终是用于柴油机的大型涡轮增压器所追求的目标。涡轮增压器的高效率可以降低发动机的热负荷和提高热效率。同样地,涡轮增压器能力的增大可以使涡轮增压器的尺寸达到最小化,而这对于降低发动机的成本和节省空间是有利的。另一方面,涡轮增压器的设计者有时又不情愿改变设计,因为新的设计很可能就是产生技术问题的原因,而传统设计的可靠性已经被许多运用经验所证明。然而,三菱重工业有限公司还是作出决定,对其MET型涡轮增压器进行必要的设计修改,即改变涡轮叶片、涡轮进气壳与出气壳以提高涡轮增压器效率和涡轮能力。对已被理想的运用经验所证明的目前的设计的机械强度进行了核实并与新设计进行了对比。上述新部件的计算分析和试验结果表明,它们的性能要比目前的设计高得多。另外,为了降低进气消声器处的噪声水平和压力降,根据分析结果亦对消声器的设计进行了修改。新设计的优点已由涡轮增压器台架试验所证实。尽管上述设计修改不是很大,但对于改进性能却是有效的,并且对设计相容性或者对已得到证明的涡轮增压器的可靠性只有最小程度的影响。整篇文章勾划出下一代三菱涡轮增压器的概貌。     

计算流体动力学在涡轮增压器设计中的应用：—以NAPIER297型增压器为研究实例（上）

不断提高涡轮增压器的性能是历史性的要求，今天的发动机制造商需要压比为5或大于5而且总效率大于70％的涡轮增压器，本文探讨了如何使用计算流体动力学开发新型涡轮增压器NAPIER297，描述了影响增压器性能的各个方面及各方面典型的效率损失，同时不明了各咱不同的计算流体动力学（CFD）软件包如何用来分析增压器设计中的一些重要的空气动力学元件（包括压气机叶轮、轴流涡轮叶栅和涡轮壳）。文中说明了NAPIER297型增压器如何设计才能满足发动机制造商的不同要求，具体是，是固定式发动机、怎样实现高压器在高压比时具有最高效率，对具有螺旋浆特性的发动机，怎样实现增压器在低压比时具有最高效率。     

车用发动机增压及拓宽涡轮增压器工作范围的技术动向

自2008年秋季以来,汽车行业受全球经济低迷的影响,遭受了极大的打击。同时,涡轮增压发动机的数量也持续减少。另一方面,混合动力车和电动车近年来备受关注。但不管怎样,对于提高功率及降低燃油耗的目标来说,涡轮增压发动机仍是极具吸引力的,因为在未来的数十年内,内燃机仍将是汽车的主要动力装置。因此,柴油机和汽油机都在持续不断地研发各自的涡轮增压新技术,例如可变截面涡轮增压,以及扩大工作范围的压气机等。基于大量的已公开发表的论文,简要介绍了涡轮增压发动机的最新发展趋势,以及车用涡轮增压器的技术发展。     

现代柴油机要求的高比功率涡轮增压器

人们对提高单缸功率和增压压力及降低柴油机价格的要求将日益迫切，这就要求未来增压器的增压压力能提高到４．５。文中阐述了压气机转了叶片数对压气机特性场的影响，以及对一种新开发的涡轮叶片的计算结果和测试工作，介绍了一种新系列涡轮增压器的详细结构及有关振动和流动特性的研究结果。     

涡轮增压器设计系统软件

Concepts NREC公司推出一种旨在填补柴油机和涡轮增压器之间的工程设计空白的新软件产品——TurboMatch。该软件为设计涡轮增压器以及分析涡轮增压器的压气机、涡轮和其他组件与柴油机之间复杂的相互作用提供整套方案。     

增压柴油机加速过程炭烟排放的仿真研究

增压柴油机在加速过程中存在炭烟排放恶化的现象,采用可变截面涡轮增压器,通过改变增压器开度可以有效的改善炭烟排放,本文利用WAVE软件,在稳态计算结果的基础上,对柴油机定扭矩加速过程进行仿真,研究其炭烟排放规律并优化加速过程中VGT控制规律,以改善炭烟排放,降低燃油消耗率.     

减排——对涡轮增压的新挑战

在今天的发动机开发中人们关注的主要焦点是如何满足未来排放法规的要求。这在很大程度上取代了传统的发动机开发的推动因素,诸如功率密度、效率和成本,所有这些因素在整个上世纪90年代已取得重大改进。这个新的焦点自然也对涡轮增压器制造商的开发工作有很大的影响。因为有效压比的积极作用被进气门关闭提前所消化,所以在过去10年中的开发工作已经导致功率密度的提高稍有停滞。在已实施严格的低NOx排放法规的地区,众所周知的发动机效率和低排放之间的折衷,常常需要喷射定时的延迟,这样就会导致发动机效率的损失。预计在不久的将来还将存在进一步降低排放的压力。一个很重要的问题是:这将会阻碍功率密度的进一步提高或针对高增压比水平而开展的开发工作将会充当发动机新一轮发展浪潮的推动力吗?非常高的增压比水平打开了降低循环温度之门,在诸多降低缸内温度的方法中,有一种特别令人感兴趣的方法是采用Miller定时。较低的循环温度不仅可以减少发动机的NOx排放量,而且还可以改善发动机效率和功率密度。对增压空气进行明智的管理也是保证在每种发动机负荷下提供适量空气的需要,并有助于对烟度和颗粒物排放量实行有效控制。ABB涡轮增压器公司在该领域通过与发动机制造商、大学及其他研究机构进行合作,积极开展了各项课题研究。研究结果表明,伴随着Miller方法、废气再循环、共轨或可变喷射压力、长行程等诸多发动机新技术的应用,高压比涡轮增压(单级或多级)的潜力仍然是巨大的。通常,单靠涡轮增压不可能解决所有问题。因此,本文客观地介绍未来实现高压比的多种方案,以满足各种型式和用途发动机的需要。然而,用来评判某个解决方法的适用性的标准在每种情况下都是一样的:低的排放(NOx和颗粒物),增强的工作能力,负荷响应和可靠性。所有这些都会为环境、发动机制造商、终端用户以及涡轮增压器制造商本身带来巨大益处。     

乘用车柴油机用可变两级涡轮增压器的开发

为了满足以欧洲为首的逐年收紧的排放法规要求,配装可变截面涡轮增压器以替代传统涡轮增压器的车辆越来越多。最近,为了提高乘用车柴油机的低速扭矩,并同时加大输出功率,提高发动机瞬态响应性能的要求也越来越高。介绍一种三菱重工公司独立开发的可变两级涡轮增压器,其性能和耐久性优异,已开始被用于乘用车柴油机。