涡轮复合柴油机工作过程仿真及动力涡轮流场分析

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1、中北大学学位论文涡轮复合柴油机工作过程仿真及动力涡轮流场分析摘要随着车辆节能问题和排放法规的不断严格，废气涡轮增压技术成为了发动机节能减排的重要手段。然而，传统的废气涡轮增压发动机中普遍存在低速工况时扭矩不足，部分负荷时经济性差，以及起动、加速性能差，尾气排放温度高。新型的涡轮复合发动机，将旁通补燃系统与动力涡轮相结合，不但可改善发动机低速时扭矩特性及加速性，而且还能满足不同工况的高低功率要求。这种涡轮复合发动机的动力涡轮能充分地利用排气能量，回收的废气能量作为有效功率输出，从而提高发动机的总功率和总效率。本文将

2、通过数值模拟的方法研究涡轮复合柴油机的性能，主要探讨高功率模式涡轮复合柴油机的串联和并联两种联合循环方案，这两种方案在不改变柴油机的结构参数，满足柴油机原有功率密度需求的前提下，研究流量分配规律和功率分配规律，使动力涡轮输出功率达到最大，为台架实验提供理论指导。本文采用一维仿真软件GT-POWER做整体性能分析和参数匹配计算，关键部件的详细仿真采用三维CFD计算软件，一维仿真得到的进出口参数，作为三维仿真模型的边界条件。首先，利用GT-POWER软件建立增压柴油机原机仿真模型，包括气缸模型、喷油器模型、曲轴箱模型

3、、中冷器模型、进排气管模型和增压器模型。将模拟计算结果与原机试验数据进行对比，校核和验证模型的正确性。在原机的基础上添加旁通补燃系统和动力涡轮，分别建立复合涡轮联合循环柴油机的串联方案模型和并联方案模型，对这两种方案在标定工况（转速2100r/min）进行仿真运算，得到相应的压比、膨胀比、流量、动力涡轮功率、涡轮功率、总输出功率等参数之间的变化规律，并比较两种方案之间的优缺点。在对结果优化分析的基础上，提出最佳方案。结果表明，串联和并联方案都存在最佳动力涡轮输出功率，串联方案从整体上比并联方案有优势，大大提高了总

4、输出功率。但是，本文是在理想的较小排气背压下进行的，实际中串联方案有可能增加排气背压，影响燃烧。串联中动力涡轮进口温度达到中北大学学位论文1085.34K，增压器涡轮进口温度达到1228.45K，对涡轮材料高温性要求高，需要考虑实际中涡轮的温度极限。针对关键部件动力涡轮，利用CFX流体分析软件进行动力涡轮三维稳态流场的仿真模拟分析，进一步对一维模拟结果进行检验和修正。计算结果表明，动力涡轮叶片前缘和尾缘处能量损失较大，叶片造型局部设计不合理，需要进一步优化，才能提高动力涡轮的热效率，进而提高动力涡轮的输出功率。关

5、键词：柴油机，涡轮复合，补燃室，动力涡轮中北大学学位论文Turbo-compoundDieselEngineWorkingProcessSimulationandPowerTurbineFlowFieldAnalysisAbstractTheproblemofvehicleenergysavingandtheemissionregulationarebecomingmoreandmorestrictly.Turbochargertechnologybecomesanimportantmeansofengineen

6、ergysaving.However,theuniversalexistencesofconventionalturbochargedenginearetorqueshortageinlow-speedcondition,poorfueleconomyatpartload,aswellaspoorstart-upandacceleration,highemissiontemperature.Thenewturbo-compoundengine,whichcombinesbypassandcomplementary

7、combustionsystemandthepowerturbine,notonlycanimprovetorquecharacteristicsandaccelerationoftheengineinlow-speedcondition,butalsocanmeetthedifferentrequirementsofhighandlowpowerindifferentconditions.Thepowerturbineoftheturbo-compoundenginecanfullyutilizeexhaust

8、energywhichisrecoveredaseffectivepowertooutput,thusimprovingthetotalpowerandthetotalefficiencyoftheengine.Thispaperstudiestheperformanceoftheturbo-compounddieselenginebynumericalsimulatio