车用发动机混合涡轮增压系统的研究

摘要

增压系统是车用发动机中实现节能和环保目的的重要部件。针对车用发动机与涡轮增压器存在的稳态工况和瞬态工况匹配问题,涌现出越来越多的增压技术,包括旁通放气、涡轮流通面积调节、相继增压和混合涡轮增压等。混合涡轮增压技术是近年来备受发达国家青睐的一种能较好解决传统增压方案固有缺陷的新型技术,其原理是在涡轮增压器转轴上集成一个既能电动又能发电的高速电机,具有重要的研究价值。按照轻型车用增压柴油发动机的匹配要求,对增压发动机废气能量的定性分析可以得到增压系统废气能量分析模型。在废气能量分析模型基础上提出了混合涡轮增压系统控制模型。在这种控制模型中电机通过制动发电或电动驱动来及时调节增压系统的废气能量,从而改善增压发动机的特性。确定控制模型后就需要对混合增压系统的总体布置方案进行探讨,为建模分析与设计打下基础。模拟计算是发动机设计的有效工具,因此需要建立涡轮增压发动机数值模型。根据发动机边界条件和各个部件的热力学模型建立了废气旁通增压发动机计算模型,并通过试验检验数值模型的有效性。通过修改普通增压柴油机模型中的增压系统部分可以得到混合涡轮增压柴油机计算模型,并用于发动机稳态工况的仿真分析。利用模型计算得到了混合涡轮增压系统的能量调整策略,并对增压系统参数优化和排气提前角调整进行了研究。混合涡轮增压系统能量流的分析对合理分配增压系统能量份额和改善增压系统的性能具有重要意义。
　　采用GRNN神经网络映射表明这种方法适合稳态工况下混合增压系统的映射预测控制。瞬态工况是增压发动机的一个重要研究领域,因此本文通过建立混合涡轮增压系统的瞬态模型仿真分析了增压系统关键参数调整对瞬态工况的影响,并采用模糊PID控制技术对混合涡轮增压系统模型进行控制效果仿真。仿真结果证实了本文进行的参数调整以及模糊PID控制都有利于混合增压系统瞬态特性的改善。在仿真计算确定主要结构参数后就可以对混合涡轮增压系统的零部件结构进行设计。把系统分为转子、轴承、密封、冷却水腔以及电机等几个部分,对各个部分分别进行详细设计,并最终设计出虚拟样机。对具体结构参数已经确定的混合涡轮增压系统,可以利用有限元分析方法对转子的临界转速振动情况进行计算。振动计算结果可以检验结构设计的合理性,并为试验台试验和装配发动机提供有用的数据。为了了解样机的性能,采用气动试验台作为试验装置对新研制的混合涡轮增压系统进行了各项试验,包括轴系振动试验、等压气机流量试验、机械效率试验、加速试验、热负荷试验以及烟度排放特性试验。试验初步证实了新设计的增压系统是可行的,为以后的工程推广提供了实践基础。

目录

摘要

Abstract

目录

符号表

1 绪论

1.1 车用发动机采用涡轮增压技术的原因

1.2 车用涡轮增压发动机存在的问题

1.3 车用发动机涡轮增压的现状

1.4 国内外相关研究

1.4.1 旁通放气

1.4.2 涡轮流通面积调节

1.4.3 相继增压

1.4.4 混合涡轮增压

1.5 课题研究的意义及本文工作

2 混合涡轮增压系统总体方案的分析

2.1 轻型车用柴油发动机对增压系统的要求

2.2 涡轮增压系统废气能量的建模与分析

2.3 混合涡轮增压系统的工作原理

2.4 涡轮增压系统布置方案

2.4.1 电机布置方案

2.4.2 轴承布置方案

2.5 本章小结

3 车用增压发动机的建模

3.1 增压发动机的基本参数

3.2 发动机建模方法

3.2.1 建立计算模型的步骤

3.2.2 准稳定计算方法

3.2.3 发动机模型类型

3.3 进排气管内气体流动模型

3.4 边界条件所涉热力学模型

3.4.1 缸内工作过程的基本热力学模型

3.4.2 进排气阀流量模型

3.4.3 代用放热规律模型

3.4.4 气缸周壁的传热模型

3.4.5 气缸瞬时工作容积模型

3.4.6 涡轮增压系统的准稳态模型

3.5 废气旁通增压发动机计算模型

3.6 计算模型的试验验证

3.7 本章小结

4 混合涡轮增压系统与发动机稳态工况匹配的研究

4.1 混合涡轮增压系统的计算模型

4.2 混合涡轮增压系统废气能量调整策略的研究

4.3 混合涡轮增压系统的参数优化

4.3.1 增压系统流通面积和高速电机参数的调整

4.3.2 排气提前角的调整

4.4 混合涡轮增压系统的关键工况能量流分析

4.5 混合涡轮增压系统稳态控制映射的研究

4.5.1 神经网络设计

4.5.2 神经网络映射预测

4.6 本章小结

5 混合涡轮增压系统瞬态特性的研究

5.1 增压系统参数调整对发动机动态性能的影响

5.2 模糊PID控制

5.2.1 模糊PID控制理论

5.2.2 模糊PID控制器设计

5.3 本章小结

6 混合涡轮增压系统的结构设计及临界转速振动计算

6.1 混合增压系统的结构设计

6.1.1 转轴结构设计

6.1.2 轴承设计

6.1.3 密封设计

6.1.4 冷却设计

6.1.5 电机设计

6.2 轴承-转子系统临界转速的计算

6.3 本章小结

7 混合涡轮增压系统的试验研究

7.1 试验装置

7.2 试验内容

7.2.1 轴系振动试验

7.2.2 等压气机流量试验

7.2.3 机械效率试验

7.2.4 加速特性试验

7.2.5 热负荷试验

7.2.6 烟度排放特性试验

7.3 本章小结

8 总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文