发动机废气循环电辅助复合涡轮增压进气系统新构型和设计方法研究

A new engine exhaust gas recycle electric assisted compound turbocharger air intake system design is investigated in this project. The engine pulse exhaust gas energy in all operation conditions is full used in this air system. The low pressure (LP) electric assisted turbocharger is driven by high pressure (HP) turbocharger turbine exhaust energy. In a vehicle application, the electric motor can be used transiently to accelerate the turbocharger more quickly in response to an acceleration requirement. Using appropriate electrical controls, the motor can be run as a generator at certain engine conditions, providing electrical energy. Additional the compound turbocharger can benefit range and surge margin without compromising efficiency. It can improve the engine low torque and acceleration performance and utilize the exhaust gas energy fully. In this project, the available energy of engine exhaust gas is analyzed, and a thermodynamic model for intake air system is built. The expansion ratio and pressure ratio split relationship between the two stages is discussed. The integrated system design scheme and entirety system coordination control method are studied. The internal flow characteristic of compressor and turbine is computed and analyzed for detail design. Also the dynamics behavior of higher load bearing system is explored for reliability. As the results, the basic theory and design method of exhaust-gas recirculation with electric assisted turbocharger system is established. The research conclusion can be verified by experiment. The project results will be benefit for the exhaust energy recirculation utilizes. It is significant in the application and design theory of new system development in electric drive turbocharger field.

本项目提出了一种发动机废气循环电辅助复合涡轮增压进气系统的新构型设计方案。该进气系统充分利用发动机全工况脉冲废气能量，通过高压级涡轮增压器涡轮排气的能量驱动低压级的电辅助涡轮增压器，既可起到电动辅助涡轮增压反应迅速，发电储能的作用，又能起到两级涡轮增压宽流量高压比的作用，具有改善发动机低速扭矩性能、提高瞬态响应性等优点，对于提高车用动力性能以及节能环保有很大意义。通过对发动机废气可用能量理论分析，建立进气系统的热力学模型；探讨发动机全工况条件下两级增压能量分配关系；研究系统部件设计理论和协调控制方法；得到压气机和涡轮内部流动与性能匹配规律；探究脉冲多惯性质量高承载轴承系统的转子动力学行为机理；建立新型废气循环电辅助复合涡轮增压进气系统的原理和设计方法，利用试验验证结果。问题的研究为废气能量循环利用的方式方法、能量的梯级利用机理、新型电辅助涡轮增压技术的设计方法和和应用提供理论依据和基础。

本研究设计了一种新型的发动机废气循环电辅助复合涡轮增压进气系统，进气系统由低压级电辅助涡轮增压系统和高压级废气涡轮增压系统联合组成，充分利用电机的快速响应性和废气涡轮增压器的工作特点，发动机排出的脉冲废气能量经高压级涡轮膨胀做功以后，涡轮排出的气体能量进一步驱动低压级的电辅助涡轮增压器，低压级电辅助涡轮增压系统电机与增压控制系统连接，包括进排气管路和电磁三通阀切换系统，通过控制系统判别发动机工况和涡轮增压器运行参数为依据，在增压进气的同时可驱动增压器也可对蓄电池充电。.该新型高效的涡轮增压进气系统充分利用发动机全工况脉冲废气能量，通过高压级涡轮增压器涡轮排气的能量驱动低压级的电辅助涡轮增压器，既起到电辅助涡轮增压反应迅速，发电储能的作用，又由于两级复合涡轮增压宽流量高压比，可以改善发动机低速扭矩性能、提高瞬态响应性，对于提高车用动力性能以及节能环保有很大意义。项目通过对发动机废气可用能量的计算和分析，建立进气系统的热力学模型；探讨了发动机全工况条件下两级增压能量利用的分配关系；研究系统集成设计方案和协调控制方法，得到两级增压器压气机和涡轮内部流动与性能匹配规律；进行涡轮增压器压气机等关键零部件的气动设计和性能分析，探究高承载轴承系统的转子动力学行为机理；建立新型废气再利用电辅助复合涡轮增压进气系统的基础理论和设计方法，通过试验来验证结果。通过本项目的研究建立了电辅助复合涡轮增压系统的模型，得到了电辅助复合涡轮增压系统关键零部件件的设计方法，掌握了系统转子动力学和关键零部件可靠性计算和分析方法，建立了电辅助涡轮增压器性能测试实验步骤和性能评估方法。同时获得了零部件设计，选型，匹配和测试的相关数据和研究结论。问题的研究为发动机废气能量循环利用的方式方法、能量的梯级利用、新型电辅助涡轮增压技术的设计、开发和实施应用提供理论依据和基础。