摘 要

近些年来，环境问题越来越严重，石油资源的开采量越来越大，排放法规也越来越严格。因此，要大力发展减排技术。涡轮增压技术是具有代表性的一种。涡轮增压可以在保证动力性的前提下，有效地减小发动机的尺寸，提高升功率。而且它可以充分利用废气能量，提高经济性，这也是未来发动机发展的趋势。

本文中所研究的主要内容是：将国六排放法规同国四、国五阶段排放法规相关内容进行了比较。分析了汽油机涡轮增压的特点和国内外研究现状。最后，运用NREC、NUMECA、GT-Power软件设计了一款废气涡轮增压器，主要对压气机叶轮部分进行了设计以及分析了相关性能，在GT-Power中进行了建模和发动机性能仿真。结果表明废气涡轮增压可以明显提升缸内压力，增大放热率，降低CO的排放，但因增压后产生高温富氧的环境，NO_x的排放有所增加。

关键词：废气涡轮增压；GT-Power；叶轮设计；仿真；排放

Abstract

In recent years, environmental problems have become more and more serious. the exploitation of oil resources is increasing, and emission regulations are becoming more and more strict. Therefore, emission reduction technology must be developed vigorously. Turbocharging technology is representative. Turbocharging can effectively reduce the size of the engine and increase the power under the premise of ensuring the power. And it can make full use of exhaust energy, improve the economy. It is the future development trend of the engine.

The main contents of this paper are as follows: The six-stage, five-stage and the four-stage emission regulations were compared. The characteristics of gasoline turbocharged were analyzed. The domestic and international research status were analyzed too. Finally, NREC, NUMECA and GT-Power were used to design an exhaust turbocharger. The compressor impeller was designed and analyzed. The simulation of the engine were carried out in GT-Power. The results showed that the turbocharging of exhaust gas can significantly improve the pressure level in the cylinder, increase the heat release rate and reduce the emission of CO. However, the emission of NO_x is increased due to the high temperature and oxygen enriched environment after pressurization.

Key Words：Exhaust turbocharged; GT-Power; impeller design; simulation; emission

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 汽油机涡轮增压 2

1.2.1 基本原理 2

1.2.2 国内外研究现状 3

1.3 排放法规对比 5

1.4 本章小结 8

第2章 压气机叶轮结构及表示方法 9

2.1 叶轮形式及设计方法 9

2.2 自由曲线在压气机设计中的应用 11

2.2.1 Bezier曲线 11

2.2.2 B样条曲线 12

2.2.3 NURBS曲线 12

2.3 本章小结 13

第3章 压气机叶轮设计及计算 14

3.1软件介绍 14

3.2叶轮设计流程及结果分析 14

3.2.1利用COMPAL进行一维设计 14

3.2.2 AXCENT部分 16

3.2.3 NUMECA部分 21

3.3 本章小结 23

第4章 GT-Power建模及仿真分析 24

4.1 理论数学模型 24

4.1.1 气缸内基本方程 24

4.1.2 缸内燃烧及传热模型 24

4.1.3涡轮增压器模拟计算 25

4.2 模型搭建 27

4.3 结果分析 28

4.3.1缸内参数结果分析 28

4.3.2耗气特性分析 31

4.4 本章小结 31

第5章 结论及展望 32

5.1 结论 32

5.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 引言

与外燃机相比，内燃机质量轻、体积小且热效率更高。现代内燃机应用到生活的各个方面。但是，人类对石油的持续开采以及越来越严格的排放法规，汽车担负着改善经济性和降低排放的任务，而汽车发动机小型化是目前最有前途方法之一。但是，人们要求在发动机小型化的同时还要求保证其动力性。

发动机的强化程度可以保证发动机输出高功率。升功率是强化程度的衡量标准，可用下式表示^[1]：

(1.1)

其中：表示发动机的平均有效压力，单位为Pa；表示发动机额定转速，单位是r/s；表示发动机的冲程系数。

在不改变发动机的冲程系数时，提高或可以提高升功率^[2]。使转速增加，增幅不是特别明显，而且燃烧过程的恶化、机械效率和容积效率的骤降、可靠性的降低、寿命的缩短和振动的增大及噪声都会限值转速的增加^[3]。通过提高也可以提高升功率，此为第二个方法。虽然得到提高，但机械负荷以及热负荷并不会成比例地增加，因此的大幅度增加也是可以接受的。

平均有效压力可以表示如下：