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涡轮膨胀机及其在热泵装置中工作的作用原理
时间: 11:07 | 来源: | 作者:东莞南方泵业
& &涡轮膨胀机也称透平膨胀机，它以{压气体作为动力气源,在它通过工作叶轮时，由于气体的膨胀作用和进、出口间的气压差而推动叶轮旋转对外作功的动力机类叶片式流体机械。分析，从机理上说，它是叶片式压缩机的逆向工作。但是，工程上使用涡轮膨胀机的主要目的往往是为了获得低温,实现制冷工作。流经膨胀机的{压气体，在膨胀过程中一方面对外作功，同时自身温度也降低，由于工程上获取低温的途径要比获取机械动力困难得多，所以膨胀机的制冷功能就成了它的主要功能，而输出动力却成了一个次要功能，它是将流体机械作为一种制冷装置来用的情况。作为膨胀机动力负载的可以采用发电机、泵或气体压缩机。在低温技术中，中、低压的涡轮膨胀机常用发电机作负载，但在气体为{压时，为便于密封气体，防止泄漏，可以把作为负载的压缩机叶轮直接安装到膨胀机的轴上，用来压缩经过膨胀机叶轮膨胀了的工质气体，以实现机械功率的部分回收。
& &与采用容积式(如活塞式）膨胀机相比，工业制冷装置中采用涡轮膨胀机的优点是可以有很大的气体流量，因此制冷速度快，效率{，必要时可采用多级膨胀以达到较大的气体膨胀比，增加冷却深度。但容积式膨胀机可以大幅度的降低气体压力而在一级膨胀中实现深度制冷，这是它的优点。不过小型的制冷机为简化装置结构，一般不用专门的膨胀机而用节流阀替代通过节流减压实现制冷工质的膨胀降温，因而也称为膨胀阀。关于制冷的作用原理，不是南方水泵厂此次的讨论范围，但因为制冷工程是流体机械的一个重要而有特点的应用领域,我们将在此作简要介绍，也有助于使用者从热力工程的视角了解流体机械的作用机理。
& &涡轮膨胀机的工作必须具备{压动力气源这一基本条件，因此在制冷循环中使用都需与气体压缩机配套，但也有少数例外的情况，如在天然气开发中，如果天然气中含有较多的凝析油组分，就可以直接利用气井很高的出口压力，通过涡轮膨胀机的降温处理来快速的分离凝析油，并由作为膨胀机负载的压缩机再将经过处理的天然气压缩送至输气管路中去，以这种方法处理天然气具有很好的经济效益和很{的生产率，是一种先进的天然气开采处理方法。
& &涡轮膨胀机只作为机械动力源使用的情况较少，但也有它的特殊之处，例如如果机械只需短时间工作完成某种特定任务，那么将压缩空气或氮气作为动力气源与膨胀机一起做成移动式车载装置,就具有无需电源支持，机动性好,启动迅速方便，易于功率调节等优点，在某些特殊场合诗能显示它的优越性。
& &涡轮膨胀机也有轴流式和径流式两种，轴流式适用于如上述天然气处理等大流量的气体冷却系统，径流式则应用于食品等气体流量较少的制冷装置中。南方水泵厂现以轴流式为例简单说明涡轮膨胀机工作时的流道中过程情景。在图中，(a)是膨胀机一个级的轴面简图，其中I为喷管环，Iljfr固定的导向f片，DI是旋转叶轮的叶片，IV是旋转叶轮。导叶与旋转叶片组成一个&级&。设气体在导向叶片前的参数以&0&表示，导向叶片与旋转叶片间参数以&1&表示，旋转叶轮后的参数以&5&表示。图中(b)为半径r处的&基元级&图示。膨胀机工作时，气体以速度进入喷管环的叶片间流道，压力由p0降至p1。，速度由c0增加到Cl，温度也随之降低。气流从喷管环中流出后进人旋转叶轮流道，并在流道中继续膨胀，压力由P`1降至P'2,在气流通过旋转叶轮时，绝对速度方向发去了变化。
图1轴流式涡轮膨胀机的工作略图
& &下面南方水泵厂简单分析一下涡轮膨胀机也包括压缩机在制冷装置中工作的作用原理。与热量由高温热源向低温热源的自发流向相反，通过外加作用(机械功或热量输人），可使热量实现由低温热源向高温热源的非自发性转移的装置，称为热泵装置(系统)。&热泵&的称谓，与流体泵对应，具有如像流体泵将流体由低能头位置泵送到高能头位置一样，可将热量由低温位&泵送&到高温位的功能。在热泵装置从一个热源容器向另一个热源容器&泵送&热量的过程中，前者就处于&制冷&工作状奔，而后者则处于&供热&状态。所以，制冷和供热实际上都是以环境温度为相对零点的热泵工作状态，讨论热泵或制冷本质上是一回事，好比流体泵的工况，设以大气压力为零点，在吸人侧就是真空，而在压出侧即形成高压一样，是由压缩机、冷却器和膨胀机等组成的空气压缩制冷循环的装置示意，冷却器将来自压缩机的高温气体在等压条件下冷却，放出热量，当空气进人涡轮膨胀机后，温度不断降低，在空气通过冷室中的热交换器时则从冷室环境中吸收热量，作等压加热，然后回到压缩机开始新的二个循环过程。
& &冷却水采用容积式压缩机和膨胀阀结构的热泵系统如图所示,在这种装置中工质一般采用氨(NH3)(CCIF，CaF2，CCIF3等等）等专门的低沸点制冷剂，它们在循环过程中，可以经过蒸汽冷凝放热和液体汽化吸热两个相变过程,以获得更好的制冷和供热效果。除此以外，工程热泵(制冷）装置还有吸收式和喷射式等。南方水泵厂提供的多种工作方案，并且也采用外加热源作为热泵动力。
& &作为热泵装置工作的一般工作原理及理想热泵循环,可如图所示,其中Q1是热泵吸收的热量,Q2是热泵排放的热量。可见，使用热泵供热，其供热量大于所消耗的压缩功的等价热量，与直接采用电热器供热相比，它要合理和经济得多。从本质上说，这是因为在制冷-供热过程中，南方水泵厂所利用的不只是热-功量间的能量守恒关系，更重要的是制冷介质的一种物理属性，它可以起到完成热量传转功能的载体作用。在这一传转过程中，外功量在于造成一个实现过程的条件，并且为热量由低温热源转向高温热源的非自发过程提供补偿。
& &从南方水泵厂分析的热泵工作的基本原理可知，在这类系统中工作的流体机械，在实现工质流动循环功能的同时，也在实现热力循环的某一&热力过程&。图中包括两个等温和两个等熵过程的理想热泵循环称为逆卡诺循环，它与理想热机工作的卡备循环过程方向恰好相反。
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重钢高线厂已将公司炼钢时产生的转炉煤气进行了全部回收，并将全部的转炉煤气作为加热炉的唯一燃料进行燃烧，并研制出了纯转炉煤气用的平焰烧嘴及可调焰烧嘴。项目主要内容、特点：(1)完善的热工制度：根据转炉煤气的使用特点、轧制钢种的化学成份、加热炉的炉型结构，制定了满足生产工艺要求的加热温度及钢坯温度的均匀性、炉膛压力、保温待轧制度、空燃比的控制等加热制度。(2)可靠的安全制度：由于转炉煤气具有无色、无味、剧毒的特点，高线厂将其列为“A”级危险源，并制定了相应的安全防护措施：在加热炉各段安装了CO报警仪；在操作室配备了空气呼吸器，定期对操作人员进行使用培训；制定了在突发性的停电、停风、停水的紧急操作措施；制定了煤气安全使用规程。(3)良好的环境保护措施：将加热炉的空燃比控制在1.5左右，保证转炉煤气的完全燃烧，减少对大气的污染；将温度最高的均热段的炉内空气系数控制在1.3～1.4左右，保持其燃烧气氛为弱还原性，减少NOX的产生，将助燃风压控制在7KPA的较高压力下，将烧嘴附近的炉气形成一个旋转气流，减少烧嘴处的局部燃烧温度，从而扼制NOX的产生。应用推广情况：高线厂自2000年8月生产以来的生产证明，采用转炉煤气作为加热炉唯一的燃料，无论是在加热质量还是在小时产量方面，都完全可以满足生产工艺的要求。转炉煤气在加热炉上的成功使用，为对转炉煤气的综合利用探索出了一条有效的途径，无论是在节能方面，还是在环境保护方面，都有着极大的推广应用前景。转炉煤气用平焰烧嘴、可调焰烧嘴的成功研制，填补了国内对转炉煤气用烧嘴的空白，为研制低发热值烧嘴提供了经验，同时也为其它使用单位提供了可靠的基础参数及数据。
近来，环境改善和能源问题日益成为世界范围内关注的焦点，天然气因其丰富的资源和清洁燃烧的特性而成为改善这些问题的良好的代用燃料。目前气体燃料发动机主要存在以下两方面的问题：首先燃气供给以混合器供气方式为主，该方式对空燃比的控制精度低，同时由于燃气在混合气中占有相当的体积比，降低了容积效率；其次由于燃气成分的变动以及各缸进气量分配不均，发动机各缸做功能力存在差异。这两方面的原因使得燃气发动机功率下降、燃油消耗率增加。
为了解决这些问题，本文通过对各种燃气供给方式的分析，提出了一种新的基于进气阀喷射方式的燃气供给机构。该机构为由步进电机驱动的气阀机构，通过气阀的开启和关闭，实现燃气供给。该系统能够实现对供给时刻和供给量的调节，而且成本低，技术难度不大，因此具有一定的实用价值。为了实现燃气供给时刻和燃气供给量的调节，同时独立控制各缸燃气供给量，降低各缸做功不均匀性，本文主要进行了以下工作：
（1）针对12v190天然气发动机建立了一维boost模型，为下一步分析其各缸进气量之间的差异和制定控制策略提供条件；
（2）对12v190发动机进气管系统进行了三维数值模拟，通过计算，分析进气管结构型式及进气管压力波动对进气不均匀性的影响；计算结果表明，进气管结构型式对进气不均匀性的影响很小。而由于各缸压力波相互干涉造成的进气不均匀较为严重。
（3）由于各缸进气量存在着差异，采用进气歧管喷射方式供给燃气时，各缸燃气量必须独立控制，否则各缸做功能力就将存在差异。为此本文开发了基于can总线技术的分布式控制系统，实现对燃气供给量的独立控制。
（4）最后，针对燃气供给系统的控制策略进行了研究，并通过模拟实验验证了系统的可行性。
本文对汕头燃机电厂MS6001 B燃机组成的燃气—蒸汽联合循环的性能进行研究.结合燃气轮机、余热锅炉及蒸汽轮机等元件的实际数据,模拟燃气—蒸汽联合循环的进气温度特性,并给出实用拟合式.本文还分析了汕头燃机电厂联合循环装置的负荷分布.典型日负荷曲线表明,1#燃机联合循环9:00~21:00间负荷较高,此段时间环境温度较高,具有进气冷却提高出力的可能.将电厂负荷、GTCC进气温度特性及蒸发冷却潜力分布三者密切结合,本文对GTCC进气蒸发冷却的经济性进行了研究.
该文阐述了谐振进气系统的工作原理及应用,综述了谐振进气系统压力波模拟计算方法的发展,建立了谐振进气系统的数学模型,并结合特征线法和lw2差分法,编制了计算多缸机非等熵不定常进气流动的visual basic程序,得出的计算结果Φ与实测Φ误差小于2﹪.文中还计算分析了谐振进气系统各结构参数对充量系数Φ的影响规律,为lf4108q型柴油机利用谐振进气系统改善其性能,提供一个最佳方案.试验表明：该方案与原机进气系统方案相比,其各项性能指标均有不同程度的改进：在标定点的充量系数和功率提高了将近5﹪,排温下降了50[℃],燃油消耗率减少了4.3[g/kw.h],烟度下降了0.8[rb],效果十分显著.该文为设计谐振进气系统提供了可靠的理论依据,并对如何利用计算机来模拟多缸机的进气过程,实现快速多方案的比较,从而优化多缸机的谐振进气系统,减少台架试验工作量,具有一定的指导意义.
该程序的特点是用特征线法计算内燃机进排气管内的非定常流动，并在此基础上利用质量守恒、能量守恒方程求得废气涡轮增压柴油机的配合运行点。各子程序包括：气缸－气阀边界、分枝－脉冲转换器边界、喷嘴边界、径流涡轮特性计算等。离心压气机的特性以数据表格方式输入，放热规律可用韦伯公式模拟或以数据形式输入。程序除可输出功率、油耗、爆发压力、排温等发动机的常规性能参数外，还可输出发动机的瞬时流量、管内的瞬时流速、瞬时温度等难以测量的参数。对于已有产品，该程序具有分析、诊断功能能指明产品改进方向。对于新产品研制该程序具有论证、预测的功能，可缩短产品的研制、调试周期。
该系统是采用先进的闭磁路干式点火线圈和白金触点保护电路组成。闭磁路干式点火线圈克服了目前使用的开磁路线圈激磁磁势利用率低的缺点，从而提高了能量的转换率，使点火能量达到１２０毫焦耳，与８０年代国际上汽车使用的点火系统点火能量相同。白金保护电路使通过白金触点的电流比我国现使用的系统小十分之九，这就延长了白金触点的寿命，同时也提高了触点的断电效果。该系统能燃烧较稀的混合气，节约燃料４％左右；燃烧完善，排气污染减少；发动机冷起动性能得到改善。
内燃机进气过程对内燃机的整机性能有着重大的影响，进气过程是内流系统的重要组成部分。每循环进入气缸的新鲜工质量愈多，燃烧后才能放出更多的热，从而增大发动机功率和扭矩，这是保证发动机动力性能的前提和关键。除此之外，换气过程还对解决高、低速性能的矛盾，汽油机混合气组成、均匀分配和缸内气体流动等问题，起着重要作用，因此也影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒适性等。本文对495QME汽油机进气系统进行了研究和改进。
本文在充分研究与课题相关的国内外文献基础上，系统地总结了四冲程发动机进气过程的数值模拟的发展现状，研究了涉及到的数学物理模型，对495QME汽油机进气系统做了改进设计，并运用流体分析软件AVL FIRE对495QME汽油机改进前后的进气系统进行了较为详细的模拟与对比分析，综合考虑了进气道结构、燃烧室型式、凸轮形线对进气的影响，使模拟计算过程更贴近实际进气过程。详细的展示了进气过程流场的空间分布情况及随着曲轴转角的变化情况，着重分析了“进气道一气门一缸内”进气系统内流场的演变规律、流动特点及宏观参数情况。
对改进后的495QME汽油机进气系统进行了实验，实测了改进后不同气门升程下的进气流量，并与模拟计算值进行比较，计算和实验结果表明，两者基本吻合，由此验证了三维数值模拟的正确性。可见，计算机模拟具有调整参数方便、运行速度快、成本低的优点，可以在众多的影响因素中找出关键的控制变量，优化实验与设计方案，降低产品的研制周期及费用，是一种有效的研究和设计手段。
该文以cub100发动机进气道-缸内气体流动三维数值模拟计算为例,对计算得到的三维流场进行了可视化技术应用研究.文中分析了当前科学可视化技术的现状和发展趋势.改进了marchingcubes算法中等值面法向量求法及数据组织方式,将算法推广到三维不规则数据场,并分析了marchingcubes算法生成等值面时产生二义性的原因,采用一种简化的渐近线方法消除了这种二义性;利用marchingcubes基本思想生成了剖面云图,并采用网格序列法在剖面上实现了等值线的生成和绘制;采用刺猬图标法对剖面二维矢量场进行了可视化,基于流线生长算法的基本思想,提出了一种简单步进插值方法,在剖面上实现了二维流线绘制;采用光线投射法实现了三维数据场体绘制,改进了光线与多边形求交算法,加快了体绘制速度.运用这些可视化方法对数值模拟计算结果进行了可视化.其中对标量(温度、压力、湍动能)场采用了等值面、剖面云图及体绘制技术,对矢量(速度)场采用了流线绘制技术.文中还采用visualc++6.0和opengl编写了发动机三维流动数值模拟后处理软件.
该文以与城市污水质相近的人工配液对罗固源教授提出的新型间歇法工艺ABIAS(NON-BACKFLOW INTERMITTENT AERATION SYSTEM)进行了实验室研究,内容包括:交替次数N、曝 气比AF、搅拌对COD、TP去除效果的影响;改善配水和停曝期搅拌两情形下去除能力对比;沉淀期进水效应;磷释放试验.研究表明:1.N一定时,η随AF增大而呈直线上 升,η与AF抛物线关系(抛物线顶点对应的AF在0.5ˉ0.6之间)而AF一定时,η 随N增大呈双曲线上升而η随N旨数规律下降;2.搅拌对η的影响较对η的影响大,且对TP而言,在AF=0.5时搅拌的作用最大;3.改善配水的去除效果与停曝期加搅拌相当,即可通过改善配水取消搅拌;4.沉淀期进水对上清液搅动很小,且作用相当于设置生物选择器,故连续进水完全可行,且池容可得到充分利用;5.测得磷的比释放速率为1.21MGP/MGMLSS·H.该文最后探讨了NBIAS的有机物降解的数学模式并确定其参数,运用该模式可预测周期中任一时刻池内有机物平均浓度.
燃烧室形状是决定燃烧速度、防止不正常燃烧的主要因素，各种改善燃烧的措施也大多需要在燃烧室中实施。燃烧室形状的设计，对于排气烟度有重要影响。本次研究针对几种不同燃烧室形状对170柴油机排气烟度的影响，通过配机性能试验，初步探明了燃烧室形状对170柴油机排放烟度的影响机理，新设计的缩口燃烧室对降低170系列柴油机烟度、改善性能效果明显。并借助奥地利avl公司开发的fire软件，建立了170柴油机进气道-气门-气缸内流动区域在进气和压缩过程的动态网格，并在此基础上进行了三维数值模拟计算。
模拟结果表明，在进气过程初期，缸内气流运动是紊乱的；随后，逐渐形成多个小涡流；到进气过程中后期，单一大尺度进气涡流形成并逐步得到发展、稳定和加强。而压缩过程初期，在进气涡流继续保持的同时，压缩涡流形成；到压缩过程后期，挤压涡流出现，气流以螺旋方式从气缸进入燃烧室，同时缸内的滚流逐渐加强。压缩过程中缸内气体的平均湍动能随曲轴转角的增大呈先减小后增大再减小的趋势。压缩上止点附近气缸边缘的湍动能很弱，而气缸中部挤流区域的湍动能则相对很强。水平方向的涡流、轴线方向的滚流以及湍动能的这种分布特性都非常有利于燃油的雾化以及与空气的混合。
该文主要研究发动机的废气涡轮增压及增压系统.根据国内、外的有关文献,阐述了在发动机为了提高功率、扭矩以及适应高原空气稀薄环境进行增压的必要性和可能性.介绍了废气涡轮增压系统中各组成部件的作用及工作原理;介绍了增压器的结构和工作原理;发动机进行废气涡轮增压时对进排气系统要求以及增压器在发动机上的安装方法.通过具体的试验数据和曲线详细介绍了废气涡轮增压的增压器和发动机的匹配过程;详细介绍了以知发动机选配增压器的计算方法、选配过程和发动机增压时进排气系统的改进设计及增压器的改进设计.提出了目前汽油机增压的难点、可能遇到的问题和针对这些问题应采取的措施.
在内燃机工作过程中，气流运动占有十分重要的地位。组织良好的气流运动是改善燃烧过程、提高热效率和降低排放的有效途径。数值模拟方法因具有费用低、周期短、信息量大，能充分反映几何形状的影响程度等特点，被广泛地应用于内燃机气体流动方面的研究。本文针对潍柴动力股份有限公司170系列直喷式船用柴油机，其气道稳流试验时，所测不同气缸盖涡流比随气门升程的变化曲线相差较大的问题，以8170柴油机为例，进行了气道稳流试验数值模拟和缸内气流运动的三维瞬态数值模拟。通过稳态模拟，找出了气道涡流比变化范围大的成因，并通过缸内气体流动的瞬态模拟，确定了该发动机燃烧室形状对燃油雾化和混合气形成的影响。
为使模拟计算同稳流试验具有可比性，两者采用相同的边界条件及评价方法。标准气道模拟结果与试验结果的对比表明，数值模拟所得流量系数和涡流比与试验结果基本吻合，气道数值模拟结果具有一定的可信度。另外，从两者涡流比随气门升程的变化曲线来看，切向气道气门座孔加工出的偏心倒角，对气道形成涡流的能力影响比较大，尤其是在气门开度较小时，能使气道产生相对较大的涡流比。
对切向气道气门座孔无倒角和切向气道倾斜2种方案的模拟计算结果表明，其气道稳流试验所测涡流比变化范围大，是在气缸盖的生产过程中因机加工和铸造等方面的误差较大所致。因此，生产中应设法控制或降低这些误差，提高产品制造精度，以确保获得良好的发动机性能。
应用动网格技术，对8170柴油机在进气和压缩过程中气道—气门一气缸内的瞬态流场进行了数值模拟。模拟结果表明，在进气过程初期，缸内气流运动是紊乱的；随后，逐渐形成多个小涡流；到进气过程中后期，单一大尺度进气涡流形成并逐步得到发展、稳定和加强。而压缩过程初期，在进气涡流继续保持的同时，压缩涡流形成；到压缩过程后期，挤压涡流出现，气流以螺旋方式从气缸进入燃烧室，同时缸内的滚流逐渐加强。压缩过程中缸内气体的平均湍动能随曲轴转角的增大呈先减小后增大再减小的趋势。压缩上止点附近气缸边缘的湍动能很弱，而气缸中部挤流区域的湍动能则相对很强。水平方向的涡流、轴线方向的滚流以及湍动能的这种分布特性都非常有利于燃油的雾化以及与空气的混合。
配气机构是发动机的重要组成部分，发动机的性能是否优越，常常与其配气机构的设计是否合理有关。传统发动机配气相位通常只是基于相对狭小的工况范围内的优化发动机性能，且在发动机的工作过程中固定不变，难以兼顾不同工况对配气性能的要求。为了获得更好的发动机性能，应当使配气相位随着工况的变化而变化。在洛阳北方企业集团LJ377MV发动机基础上，针对原有机型的特点，设计出一套可切换凸轮型线的VVT系统。该机构主要由双进气凸轮、双进气摇臂、双排气凸轮、双排气摇臂及其正时切换机构组成，低速凸轮在发动机低速、低负荷工况时驱动低速摇臂来控制进排气门，高速凸轮在发动机高速、高负荷工况时驱动高速摇臂控制进排气门。　　
针对原发动机的特点，选择合理的缸内燃烧、传热及气体交换模型，基于BOOST建立了发动机性能数值模拟模型。在所建模型基础上，对 VVT发动机在不同工况、不同气门参数条件下进行工作过程模拟，同时对发动机在不同工况下的控制策略进行了研究。同时分析了不同工况下进排气门正时、气门升程及进气系统对发动机性能的影响。讨论了气门正时中排气门打开时刻、进气门关闭时刻、气门重叠角，气门升程和进气系统参数变化对发动机性能的影响。通过数值模拟，得到可切换凸轮VVT机构高低速凸轮下的最优气门正时。　　
进而对可切换凸轮型线VVT系统配气机构的相关零部件进行了设计，包括摇臂、弹簧、气门等。并通过有限元法对其强度和刚度进行了计算和校核。同时利用AVL—TYCON建立配气机构动力学模型，对所设计的凸轮型线进行了动力学分析。　　
该文介绍了叉车对发动机的要求和495G汽油机的结构特点.对495G汽油机进行了热力计算及动力计算,并从理论上分析了提高汽油机动力与经济性能、降低排放的途径.重新设计了活塞组,改进设计了缸盖燃烧室 、进排气歧管、凸轮配气相位及型线.
进排气系统的结构和结构参数影响吸入汽油机的新鲜空气量,从而影响汽油机的动力性、经济性和排放性能.该文以上海大众1.8升2VQS四缸汽油机和在此基础上开发的1.3升三缸汽油机为主要对象,在国内首次较为深入地研究了车用汽油机进排气系统的流动特性,对今后车用汽油机的设计开发具有一定的指导意义.主要内容包括:(1)以四缸机为对象,对三个分别用特征线法、有限差分法和有限体积法体制的一维非定常流动程序对充气效率的计算精度进行了比较,从中选择了比较适合该机型的程序;(2)以三缸机为对象,研究了长支管型进气系统和短支管型进气系统的充气特性,发现长支管型进气系统更适合该发动机;(3)开发了上海大众家用轿车三缸汽油机的进排气系统;(4)用压阻式压力传感器测试了三缸机进气系统压力波和示功图,同时测试了三缸机的综合参数.
随着世界范围石油资源的逐渐贫乏和大气污染的日益加剧,天然气发动机所具有的高效、低污染燃烧的特点使得天然气发动机得到了广泛的发展和应用.在发展和应用天然气(cng)发动机的过程中,最关键技术是天然气供给方式,它在很大程度上影响发动机的动力性、经济性、安全可靠性以及排放性能.该文介绍了天然气发动机及其供气系统的发展概况.该文采用纹影法开展了进气管内天然气—空气混合过程的可视化研究,拍摄了透明进气管内天然气—空气混合过程和天然气喷流的瞬时图像.为改善天然气与空气的混合效果,作者在进气管中设计了一根天然气引气管.首次对比例调节混合器和文丘里管混合器的混合效果进行了比较.发现两种混合器在相同条件下混合均匀度不同.引气管实验发现:喷孔喷气方向与进气管中心轴线平行时会导致混合不良.喷孔数量、喷孔直径和空气的流速是影响天然气混合过程的重要参数.可视化研究发现,作者改进的文丘里管混合器的混合效果优于普通文丘里管混合器,翼形管混合效果要好于圆柱引气管.喷气管实验发现:喷流在管内会形成流动分层,并在管内持续很长一段距离.喷管直径、喷射速度、空气流量和节气门开度对控制天然气喷流的扩散有重要影响.
在内燃机中,进排气系统、燃料供给系统和燃烧室形状三者的相互配合是决定燃烧过程优劣的关键.该文以进排气系统中的进气道为主要研究方向,重点研究了四气门内燃机的两切向进气道进气过程及缸内气体流动状况,具体内容如下:在阅读大量相关文献的基础上,综述国内外内燃机进气道及缸内空气流动计算和实验研究的情况,确定了开展四气门双进气道计算模拟的研究内容.应用反向工程来设计内燃机进气道,介绍了对气道点云获得、处理的方法,及表征进气道特征曲线的获得,最后根据气门、阀座、两进气道的布置图应用pro/engineer软件完成了双进气道—气门—气缸的三维实体造型.应用计算流体力学软件fire对双进气道及分别只开一个进气道进行了不同气门升程下的气道—气门—气缸的三维数值模拟.对气道进行稳流试验,计算结果与试验结果吻合较好.最后,对全文工作进行了总结,并对今后的研究工作进行展望.
本研究是将lj465q汽油机由自然吸气式改装成废气涡轮增压式，以满足研究开发要求，实现小排量废气涡轮增压汽油机的设计目的。　　 主要研究的内容如下：以lj465q汽油机的标定功率点作为增压器的设计点来确定增压参数，选配增压器；完成虚拟样机的搭建，根据增压器厂提供的压气机性能曲线和涡轮机性能曲线，对增压汽油机进行模拟计算，并对多款增压器进行优选；优化点火提前角，以避免爆震、降低排气温度和改善涡轮机的工作条件；对进排气系统的主要结构作参数化模拟研究，确定进排气系统改进方案；优化配气相位，以进一步提高增压汽油机的功率和扭矩。　　 在研究的过程中，首先运用发动机模拟计算技术，在gt-power软件中建立增压汽油机模型；然后运用模糊优选的方法对多款增压器进行优选以及确定进排气系统的改进方案；再次运用优化计算的方法确定最佳点火提前角和配气相位；最后进行台架摸底试验，试验结果为：最大功率是64.5kw/5600r·m-1，最大扭矩是110n·m/5600r·m-1。该试验结果表明增压汽油机达到预期性能指标。
在YC6108Q直喷式柴油机上,进行了2种燃烧室、3种进气道、2种喷油嘴及2种启喷压力
匹配试验研究.对中涡流比缸盖下的2种燃烧室、2种灞油嘴的四种匹配进行了燃烧分析,研究了不同匹配的示功图、放热率曲线的特点.研究结果表明:影响直喷式发动机的主要因素是:燃油喷射质量、进气涡流、燃烧室形状,它们不是孤立而是共同地影响着发动机的性能.其中,燃烧室形状的影响是主要因素.缩口ω燃烧室与中涡流比气道、S529油嘴、及24MPA启喷压力的匹配获得了最佳的性能.
为了促进发动机振动噪声研究水平的提高，特别是为了深化数字化仿真技术在发动机及整车的振动噪声控制方面的应用，推动数字化仿真技术在该领域的应用向更深、更广的层次迈进，本文对发动机振动噪声测试方法、数字化仿真方法、先进的结构优化设计方法进行了深入细致的研究，并研究了具有企业实际意义的应用问题。
系统地进行了发动机噪声源识别方法的研究，发展了表面振动速度法，增加了两类零件声辐射比的理论计算方法，介绍了声强测量法在发动机声功率预测和噪声源识别中的应用。提出了一种既高效又满足一定精度的多体动力学-有限元法-声学分析法相结合的发动机零部件nvh性能预测方法，验证了该方法的准确性，并研究了该方法在发动机机体低噪声设计中的应用。以发动机油底壳为例，对发动机上的罩壳类零部件振动噪声预测中涉及的关键问题进行研究，如密封垫或隔振垫边界条件的处理，结构与流体的流固耦合分析方法等，提出了对复杂非线性边界条件进行处理的“线性简化边界法”，并对比了两种流固耦合法，为此类零件的nvh性能设计提供准确可靠的数字化仿真方法。阐述了进气系统噪声产生的根源及进气系统设计中要考虑的问题，对进气系统气动噪声三维仿真中的边界条件，即进气系统的线性化声源特性的提取方法进行了详细研究，对实验最小二乘法、一维有限体积法、圆形活塞辐射器假设法，这三种线性声源提取方法进行了对比验证及分析，完善了进气系统设计不同阶段的三维仿真边界条件的获取方式。结合实验验证，研究了提高进气系统声学性能预测准确性的方法，另外系统地研究了发动机进气系统设计中进气口气动噪声、结构辐射噪声、空气动力学及结构模态等特性的数字化仿真方法，为进气系统声学和空气动力性能设计提供了整体的数字化解决方案。从现代设计角度出发，研究将结构优化技术应用到发动机机体轻量化设计和油底壳低噪声设计中。在单缸机缸体轻量化设计中引入了拓扑优化和形状优化方法；在低噪声油底壳设计中引入了形貌优化方法，为优化技术在发动机复杂零部件设计上的应用进行了探索。
本文为发动机振动噪声设计水平的提高和发展，进行了开拓性的工作，发展和完善了发动机现代设计理论和方法，取得了一系列具有工程实用价值的成果。
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