对置活塞二冲程柴油机换气过程及增压匹配研究

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1、对置活塞二冲程柴油机换气过程及增压匹配研究董雪飞2015年06月中图分类号：TK4UDC分类号：621对置活塞二冲程柴油机换气过程及增压匹配研究作者姓名董雪飞学院名称机械与车辆学院指导教师赵长禄（教授）答辩委员会主席马朝臣（教授）申请学位级别工学博士学科专业动力机械及工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月ResearchonscavengingprocessandturbochargingmatchingofanOpposed-pistonTwo-strokeDieselEngineCandidateName：Do

2、ngXue-feiSchoolorDepartment：MechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.ZhaoChang-luChair,ThesisCommittee:Prof.MaChao-chenDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:PowerMachineryandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文

3、是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要对置活塞二冲程柴油机（opposed-pistontwo-strokedieselengine，简称OP2S柴油机）以其高效、高功率密度、平衡性好等优势，引起国内外众多学者的广泛关注

4、。本文以折叠曲柄式OP2S柴油机为研究对象，采用数值仿真与实验研究相结合的方法，开展了对置活塞二冲程柴油机换气过程和增压匹配的研究。本文针对OP2S柴油机换气特点和示踪气体法测试原理，基于OP2S柴油机原理样机实验平台，结合换气过程的理论分析，提出了采用“示踪气体法”对换气过程进行实验研究的方法，利用该方法开展了原理样机换气过程的实验研究，分析了运转工况对发动机换气品质的影响规律，实验结果表明：①扫气效率取决于进排气压差，压差越大，扫气效率越高；②排气背压是影响捕获空气量的主要因素，当给气比一定（大于1）时，排气背压越高捕获空气量

5、越大；③以发动机稳定运行并兼顾较小的泵气损失为优化目标，给气比的选取范围应为50%~140%。针对OP2S柴油机增压匹配的需求，在耗气特性理论分析基础上，结合OP2S柴油机原理样机耗气特性实验，通过实验结果与耗气特性理论计算联合获得OP2S柴油机的等效流量系数为0.292，并得到了该柴油机在不同的进排气压比时的耗气特性曲线，为后续的增压匹配提供依据。通过模型等效和假设，建立了带有扫气泵的OP2S柴油机工作过程热力学仿真模型，提出了扫气模型的校核方法，结合换气过程和整机工作过程的实验结果对仿真模型进行了校核验证；开展了换气过程及缸内

6、工作过程的仿真研究，以最大IMEP和燃油经济性为优化目标，确定不同工况最优的排气背压和给气比，结果表明：在转速为1200r/min，当排气背压为0.14MPa时，平均指示压力达到最大1.234MPa，对应给气比为120%，并总结出适用于OP2S柴油机匹配机械增压器的方法和流程。在OP2S柴油机废气能量分析的基础上，提出了以涡轮增压器为主，扫气泵为辅的复合增压方式，并以经济性和可行性为优化目标，对不同复合增压方案进行对比分析，确定采用可调转速复合增压方案：由电机驱动的离心式机械增压器作为高压级和作为低压级的VGT涡轮增压器组成，该方

7、案最大特点在于能够根据工况的变化及兼顾换气品质的需求，柔性调节机械增压器的工作状态。针对可调转速复合增压方案，本文提出了机械增压、复合增压和涡轮增压三种工I北京理工大学博士学位论文作模式以及相应的切换机制，并提出了增压模式切换的设计流程：①通过分析给气比和喷嘴环直径的取值范围确定涡轮增压模式的切换边界；②以燃油经济性最佳为优化目标，对剩余的工作负荷区间，分别采用机械增压模式和复合增压模式进行仿真研究，对该区域进行BSFC求差运算，确定机械增压模式和复合增压模式的切换边界。通过本文的研究，在OP2S柴油机换气和增压的仿真研究与试验研

8、究方面获得了一定的规律，对OP2S柴油机在兼顾换气品质的同时获得高增压的目标具有一定的工程指导意义。关键词：对置活塞；二冲程；直流扫气；换气品质；示踪气体法II北京理工大学博士学位论文AbstractWiththeadvantagessuchash