Campo de curva característica del compresor del turbocompresor de gases de escape de expansión de sección transversal efectiva variable
1? Motivación
Para cumplir con los estándares de emisiones de escape actuales y futuros, la tecnología existente tiende a lograr la miniaturización del motor, es decir, manteniendo el mismo nivel de potencia, con la ayuda de El turbocompresor de gases de escape (ATL, por sus siglas en alemán) reduce la cilindrada y el desarrollo de motores de gasolina de pequeña cilindrada favorece evidentemente la reducción de costes.
Debido al amplio rango de velocidad de rotación y rango de flujo másico del motor de gasolina, es necesario aumentar el rango de trabajo estable del compresor del turbocompresor de gases de escape, mejorando así la baja velocidad y el par sin reducir la potencia máxima. del motor. Para ampliar y estabilizar el rango de funcionamiento del compresor, primero se estudiaron experimentalmente medidas para ampliar el potencial del campo de la curva característica en el banco de pruebas de gases calientes del turbocompresor de gases de escape según el ciclo de proceso requerido (Fig. 1). de modo que se puedan utilizar medidas extremadamente efectivas en el motor. Validado en banco de pruebas.
2? Desarrollo del programa e investigación preliminar
Cuando la velocidad del turbocompresor de gases de escape permanece sin cambios, el caudal másico del compresor depende de la sección más estrecha del impulsor y de la entrada y salida. secciones La relación de área (ajuste), el caudal másico mínimo es causado por el funcionamiento inestable del compresor cuando el caudal másico es pequeño. Cuando el caudal másico es pequeño, el componente de velocidad axial del borde de ataque del impulsor disminuirá, lo que provocará que aumente el ángulo de ataque, lo que provocará la separación del flujo en el impulsor del compresor y, por lo tanto, provocará una sobretensión del compresor. El flujo de entrada y retorno en las puntas exteriores de las palas afecta la separación del flujo y reduce los procesos de conversión de energía y acumulación de presión en el impulsor del compresor. La reducción del ángulo del flujo de aire de salida del compresor alargará la trayectoria del flujo del gas en el difusor, aumentará la pérdida por fricción y reducirá la energía cinética. Si la energía cinética se reduce mucho, el flujo se separará y se formarán burbujas separadas en el difusor.
Para estabilizar y ampliar el rango de funcionamiento del compresor, existen medidas de guía de entrada correspondientes para aplicaciones de compresor, como paletas guía variables, conmutables o fijas. Estas medidas de guía de entrada pueden ser de tipo estructural con un cuerpo de cubo, deflectores anulares o sin ningún cuerpo de cubo. Las paletas de guía de entrada variables del flujo del compresor pueden formar una pre-rotación, y el borde de ataque de las paletas se puede lograr sin ángulo de ataque mediante ajuste. las condiciones de velocidad del flujo.
Otra medida eficaz que se puede utilizar para ampliar el área de la curva característica del compresor es cambiar la sección transversal de entrada. La reducción del área de entrada ayuda a mejorar la estabilidad del flujo del compresor con un flujo másico bajo, aumentando así el par máximo a bajas velocidades del motor (par en la esquina de la curva de par). Como medida adicional, se puede aumentar el caudal y reducir la presión cambiando completamente el difusor, acortando el recorrido del flujo a través del difusor y, en última instancia, reduciendo las pérdidas por fricción.
La figura 2 muestra esquemáticamente el equipo relevante para probar componentes. El plan de modificación para la boca acampanada de entrada de aire, el deflector de entrada de aire y la rejilla de la paleta guía de entrada de aire debe probarse con o sin deflectores anulares. Mientras se mantiene sin cambios la sección transversal de entrada del impulsor, el esquema de boca de campana de entrada está relacionado con el diámetro de entrada de la carcasa del compresor. Un aumento en el diámetro de entrada moverá el campo de la curva característica hacia un caudal másico más pequeño. A medida que aumentan el caudal másico y la velocidad de rotación, la relación de presión será relativamente menor. Especialmente en el caso de un caudal másico y una velocidad de rotación altos, la eficiencia del compresor disminuirá a medida que aumenta el diámetro de entrada. Para todas las configuraciones estructurales (diferentes ángulos de cascada de guía de entrada), la cascada de guía de entrada con y sin deflectores anulares moverá el campo de la curva característica hacia la dirección de flujo másico más pequeño, pero la comparación de estas configuraciones estructurales muestra que el efecto de cambiar la dirección de el menor flujo másico no es significativo, por lo que los posibles cambios no muestran un potencial técnico significativo, y el uso de álabes guía de entrada genera pérdidas adicionales, lo que resulta en una reducción de la presión.
Las pruebas preliminares del deflector de entrada muestran que debido a la reducción del área de entrada, el límite de sobretensión obviamente se mueve hacia la dirección de un caudal másico más pequeño.
Un aumento en la velocidad axial estabiliza el flujo, pero una disminución en el área de entrada también causa una caída de presión significativa a tasas de flujo másico más altas, y a velocidades más bajas la eficiencia aumenta a medida que disminuye el área de entrada.
3? Investigación del sistema
Basado en lo aprendido en la prueba previa, se probó en el banco de pruebas del motor el potencial técnico de los deflectores de entrada variables con diferentes diámetros de entrada. ¿El motor de prueba utiliza un 1.4 de 4 cilindros? l Motor de gasolina, su esquema de sobrealimentación consiste en un turbocompresor con una válvula de escape y utiliza un método de ventilación de barrido para que la potencia nominal alcance los 110? KW también aumenta el par en el rango de baja velocidad (low-end torque, abreviatura en inglés LET). En las pruebas experimentales se utilizó una geometría de turbina variable (VTG) utilizada en motores diésel y un compresor de prueba previa (Fig. 3). Para ampliar el campo de la curva característica bajo un flujo másico pequeño y aprovechar al máximo la capacidad de trabajo de la turbina, es necesario utilizar una turbina VTG. Debido a que la sección transversal del flujo de entrada del compresor se reduce, el par máximo de los motores producidos en serie a bajas velocidades no se logra mediante barrido. La Figura 4 muestra la sección transversal de entrada del compresor reducida a 50° con respecto a la solución de referencia. ¿O 75? A la izquierda se muestra el campo de la curva característica del compresor medido en el banco de pruebas del motor y a la derecha la curva par-velocidad. Se detecta una sobretensión del compresor en el punto de funcionamiento marcado con un asterisco, lo que indica que durante 75? El límite de sobretensión de esta solución se mueve hacia un flujo másico más pequeño. Esta relación de presión del compresor más alta puede aumentar el par en el rango LET. Cuando la velocidad del motor es de 1?500 rpm, el par se puede aumentar en aproximadamente 20? n·m y llega a 170? n·m .En comparación con el esquema básico, al reducir la sección transversal de entrada del compresor a 50, el límite de sobretensión se moverá de manera más significativa. Con esta solución, la velocidad puede alcanzar las 1.500 rpm y el par alcanza las 250 rpm sin necesidad de utilizar un motor barrido. n·m, que es 67 mayor que la solución base. En este caso, la relación de presión máxima del compresor no está limitada por el límite de sobretensión, sino por la turbina o el motor 250? Limitado por el par máximo n·m.
4? Hacer un modelo
Este tipo de turbina de geometría variable se utiliza a menudo en motores diésel, por lo que para proteger las piezas, la temperatura de escape se limita a 820°C añadiendo mezcla rica a plena carga. Para evaluar exhaustivamente el diafragma de admisión variable cuando el motor está en marcha, se estableció y verificó un modelo 1D del motor de prueba. El campo de la curva característica del compresor se puede obtener combinando los resultados de las mediciones del banco de gas caliente y del banco del motor, y se convierte en la entrada del cálculo de la simulación. El campo de la curva característica medido en el banco del motor cubre el límite de sobretensión del flujo másico pequeño. compresor, y El campo de la curva característica medido en el banco de gas caliente cubre el rango de funcionamiento del compresor de alto flujo másico hasta que está limitado por el límite de obstrucción. La Figura 5 muestra a modo de ejemplo los campos de curvas características simulados de dos esquemas de área de sección transversal de entrada de compresor y sus curvas de punto de operación, en los que el campo de curva característica del compresor del esquema de referencia se muestra en verde, cubriendo aproximadamente 0,15? El rango de flujo másico es kg/s. Para generar presiones más altas en el rango LET, el compresor tiene un caudal másico inferior a 0,05? En el caso de kg/s, la relación de las áreas de la sección transversal de entrada y salida del impulsor del compresor se convierte a una relación más pequeña, como se muestra en azul en la Figura 5. Este enfoque puede aumentar la eficiencia del compresor cambiando la sección transversal de entrada del compresor según sea necesario y renunciando a la evacuación y la ventilación, ofreciendo así el potencial de reducir las emisiones de CO2 y, en consecuencia, mejorar el rendimiento. El rango de flujo másico que se puede lograr usando refuerzo de una sola etapa se puede extender a este valor; de lo contrario, se tendría que usar refuerzo de dos etapas, por lo que se puede usar un diafragma de entrada variable para proporcionar el rango operativo que puede lograr la unidad de refuerzo. Reemplazar la sobrealimentación de dos etapas por un esquema de sobrealimentación de una sola etapa puede reducir los costos y gastos de ajuste y brindar ventajas en apariencia y tamaño.
5? Conclusión
Reducir la sección transversal de entrada del compresor del turbocompresor de gases de escape puede mover el límite de sobretensión a la dirección del flujo másico pequeño, mejorando así el rango de bajas revoluciones del motor. Relación de presión del compresor, aumentando así el par que puede alcanzar el motor. La estrategia de cambiar la sección transversal de entrada del compresor según el punto de funcionamiento puede mejorar significativamente el rendimiento del esquema de sobrealimentación de una sola etapa y puede reducir las emisiones de CO2 al mover continuamente el área de eficiencia óptima del compresor al rango de funcionamiento del motor.
Autor: [Alemania] J. Flint et al.
Organización: ¿Fan Qiangming?
Editor: Worcester
Este artículo es del autor de Autohome, Autohome, y no representa la posición de Autohome.