10-可調兩級增壓系統(tǒng)穩(wěn)瞬態(tài)性能研究 2

1、 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 兩級增壓系統(tǒng)柴油機穩(wěn)瞬態(tài)性能兩級增壓系統(tǒng)柴油機穩(wěn)瞬態(tài)性能 優(yōu)化優(yōu)化 鄧康耀鄧康耀 中國中國.天津天津 2014.9 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 主要內容主要內容 p兩級增壓系統(tǒng)匹配 p臺架搭建 p前言與研究目標 p可調兩級增壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調節(jié)規(guī)律 p可調兩級增壓系統(tǒng)瞬態(tài)性能 p總結 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 主要內容主要內容 p兩級增壓系統(tǒng)匹配 p臺架搭建 p前言與研究目標 p可調兩級增壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調節(jié)規(guī)律 p可調兩級增壓系統(tǒng)瞬態(tài)性能 p總結 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 增壓技術發(fā)

2、展趨勢增壓技術發(fā)展趨勢 增壓趨勢： p高增壓； p寬流量范圍； p良好響應性； 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 兩級渦輪增壓兩級渦輪增壓 提高增壓比提高增壓比兩級增壓兩級增壓可調增壓可調增壓 l 降低排放降低排放 EGR、HCCI、 米勒循環(huán)米勒循環(huán) l降低油耗降低油耗 downsizing、 downspeed l 單級增壓器極限單級增壓器極限 壓氣機運行范圍壓氣機運行范圍 渦輪流通能力渦輪流通能力 兩兩 級級 可可 調調 渦渦 輪輪 增增 壓壓 l 匹配矛盾匹配矛盾 提高工況適應性提高工況適應性 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 可調二級渦輪增壓系統(tǒng)介紹可

3、調二級渦輪增壓系統(tǒng)介紹 總結: 高壓比與寬轉速范圍的兼顧 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 可調兩級渦輪增壓技術的發(fā)展可調兩級渦輪增壓技術的發(fā)展 BMW 740DBMW 740D-R2S-VNT-R2S-VNT 1998 2001 2009 MANMAN：應用于游船用：應用于游船用 高速主機高速主機 BMW 535DBMW 535D-R2S-R2S 博格瓦納： 首次提出概念 2004 2013 X550d-R3SR3S 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 兩級增壓系統(tǒng)在車用機的應用兩級增壓系統(tǒng)在車用機的應用 p2009年高壓級采用年高壓級采用VGT的改進版可調二級

4、增壓系統(tǒng)使整機性能比的改進版可調二級增壓系統(tǒng)使整機性能比04年版得年版得 到了提高：功率密度由到了提高：功率密度由67kw/L提高到了提高到了75kw/L；在改善了低速扭矩特性的同；在改善了低速扭矩特性的同 時最高運行轉速由時最高運行轉速由5000rpm提高到了提高到了5600rpm。 p2013年，采用三增壓器系統(tǒng)，可以在年，采用三增壓器系統(tǒng)，可以在4000rpm到到4400rpm范圍內保持最大范圍內保持最大 功率功率280kW；在；在2000rpm到到3000rpm范圍內保持最大扭矩范圍內保持最大扭矩740Nm。 可調二級增壓柴油機與可調二級增壓柴油機與 可變截面渦輪系統(tǒng)柴油機性能對比可變

5、截面渦輪系統(tǒng)柴油機性能對比 不同可調二級增壓方案不同可調二級增壓方案 柴油機性能提升對比柴油機性能提升對比 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 R2S兩級增壓運行模式兩級增壓運行模式 運行 范圍 渦輪旁通閥 壓氣機 旁通閥 廢氣放氣閥 1關關關 2調節(jié)關關 3開開關 4開開調節(jié) 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 兩級增壓控制方式兩級增壓控制方式 1010 1800rpm 以下以下, 以高壓增以高壓增 壓器為主壓器為主 1800-3000 rpm之間之間, 部部 分旁通高壓增壓器分旁通高壓增壓器 3000 rpm以上，以上， 全旁通全旁通 高壓級，低壓增壓器為主高壓

6、級，低壓增壓器為主 exhaust valve closed exhaust valve open air valve closed air valve open air valve fully open exhaust valve fully open 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 R2S-VNT運行模式運行模式 SAE 2012-01-0709 現代汽車研究： p固定渦輪兩級增壓在低速和高速 范圍具有較低的油耗； p采用VNT兩級增壓可以實現全轉 速范圍內油耗降低。 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 R3S兩級增壓運行模式兩級增壓運行模式 運行運行 模式

7、模式 壓氣機旁壓氣機旁 通閥通閥LP 壓氣機回壓氣機回 流閥流閥 HP2 壓氣機閥壓氣機閥 HP2 排氣控制排氣控制 閥閥 放氣閥放氣閥HD-T/C1HD-T/C1 1開開關關關調節(jié)調節(jié) 2關開關關關調節(jié)調節(jié) 3關開關關調節(jié)調節(jié)調節(jié) 4關關開開關調節(jié)調節(jié) 5關關開開調節(jié)調節(jié)調節(jié) 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 主要內容主要內容 p兩級增壓系統(tǒng)匹配 p臺架搭建 p前言與研究目標 p可調兩級增壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調節(jié)規(guī)律 p可調兩級增壓系統(tǒng)瞬態(tài)性能 p總結 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 兩級增壓系統(tǒng)匹配兩級增壓系統(tǒng)匹配-研究方法研究方法 穩(wěn)態(tài)試驗穩(wěn)態(tài)試驗 閉環(huán)閉環(huán) 控制

8、策略控制策略 渦輪旁通閥調節(jié)特性渦輪旁通閥調節(jié)特性 對增壓系統(tǒng)以及發(fā)動機的影對增壓系統(tǒng)以及發(fā)動機的影 響響 調節(jié)規(guī)律調節(jié)規(guī)律 定轉速加載試驗定轉速加載試驗 加速加載模擬起步試驗加速加載模擬起步試驗 瞬態(tài)試驗瞬態(tài)試驗 匹配方法匹配方法樣機樣機 經濟性調節(jié)規(guī)律經濟性調節(jié)規(guī)律 動力性調節(jié)規(guī)律動力性調節(jié)規(guī)律 等效增壓器模型等效增壓器模型 基于調節(jié)能力的匹配方法基于調節(jié)能力的匹配方法 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 兩級增壓系統(tǒng)匹配兩級增壓系統(tǒng)匹配-匹配對象匹配對象 D6114柴油機主要參數柴油機主要參數 發(fā)動機排量8.26L 沖程114 mm 缸徑135 mm 連桿長度255 mm

9、壓縮比17.7:1 氣閥數4 標定功率184kW 標定轉速2200r/min 最大扭矩955 Nm 最大扭矩點轉速1400r/min 渦輪增壓器Garrett TBP4 匹配目標： 提升低速扭矩輸出 維持發(fā)動機高速工況性能 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 兩級增壓系統(tǒng)匹配兩級增壓系統(tǒng)匹配-匹配結果匹配結果 0.000.050.100.150.200.25 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 pressure ratio corrected mass flow rate kg/s calculation result 匹配結果

10、 高壓級：IHI RHF5IHI RHF5渦輪（考慮管路損失）渦輪（考慮管路損失） 低壓級：原機原機TBP4TBP4增壓器增壓器 高壓級壓氣機的選擇高壓級渦輪的選擇 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 主要內容主要內容 p兩級增壓系統(tǒng)匹配 p臺架搭建 p前言與研究目標 p可調兩級增壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調節(jié)規(guī)律 p可調兩級增壓系統(tǒng)瞬態(tài)性能 p總結 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 試驗臺架及兩級增壓系統(tǒng)圖試驗臺架及兩級增壓系統(tǒng)圖 可調閥門 渦輪旁通閥：分配壓比、調節(jié)整個增壓系統(tǒng)。渦輪旁通閥：分配壓比、調節(jié)整個增壓系統(tǒng)。 壓氣機旁通閥：與渦輪旁通閥一起實現高壓級增壓器完全旁通。

11、壓氣機旁通閥：與渦輪旁通閥一起實現高壓級增壓器完全旁通。 廢氣放氣閥：防止低壓級增壓器超速。廢氣放氣閥：防止低壓級增壓器超速。 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 l 高壓級渦輪旁通閥（TBV） 0510152025 0 25 50 75 100 渦輪旁通閥開度 /% 時間 /s 目標開度 實際開度 l 高壓級壓氣機旁通閥（CBV） 兩級增壓系統(tǒng)試驗臺架的建立兩級增壓系統(tǒng)試驗臺架的建立-關鍵部件關鍵部件 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 主要內容主要內容 p兩級增壓系統(tǒng)匹配 p臺架搭建 p前言與研究目標 p可調兩級增壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調節(jié)規(guī)律 p可調兩級增壓系統(tǒng)瞬態(tài)性能

12、p總結 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究-外特性試驗結果外特性試驗結果 閥門調節(jié)規(guī)律 p中高轉速：中高轉速： TBV TBV 完全旁通完全旁通 CBV CBV 完全打開完全打開 （避免節(jié)流損失）（避免節(jié)流損失） p低轉速：低轉速： TBV TBV 關閉關閉 CBV CBV 關閉關閉 壓比與壓比與TBVTBV、CBVCBV開度的關系開度的關系 （外特性）（外特性） 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究-外特性試驗結果外特性試驗結果 滿負荷兩級渦輪增壓系統(tǒng)與原機性能比較滿負荷兩級

13、渦輪增壓系統(tǒng)與原機性能比較 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究-閥門控制策略閥門控制策略 TBV開度對壓力，空燃比和燃油消耗率的影響開度對壓力，空燃比和燃油消耗率的影響 當渦輪旁通閥開度從當渦輪旁通閥開度從0%0%變化到變化到30%30%，渦，渦 前壓力下降較快，進氣壓力下降緩慢。前壓力下降較快，進氣壓力下降緩慢。 當渦輪旁通閥關閉時進氣壓力最高，當渦輪旁通閥關閉時進氣壓力最高， 但同時油耗率也最高。但同時油耗率也最高。 100Nm1000 r/min100Nm1000 r/min 700Nm1000 r/min700Nm1000 r

14、/min 當渦輪旁通閥開度從當渦輪旁通閥開度從0%0%變化到變化到30%30%，進，進 排氣壓比基本不變。渦輪旁通閥關閉可排氣壓比基本不變。渦輪旁通閥關閉可 以降低油耗，最大化空燃比。在以降低油耗，最大化空燃比。在30%30%開度開度 時空燃比較低，油耗較高，表明此時增時空燃比較低，油耗較高，表明此時增 加閥門開度會導致空燃比降低，經濟性加閥門開度會導致空燃比降低，經濟性 惡化。惡化。 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究-閥門控制策略閥門控制策略 TBV開度對壓力、空燃比和燃油消耗率的影響開度對壓力、空燃比和燃油消耗率的影響 當渦輪旁

15、通閥開度從當渦輪旁通閥開度從0%0%變化到變化到30%30%，空燃比逐，空燃比逐 漸減小。閥門開度超過漸減小。閥門開度超過30%30%后，壓氣機旁通閥后，壓氣機旁通閥 打開來保持增壓壓力不變。而渦前壓力逐漸減打開來保持增壓壓力不變。而渦前壓力逐漸減 小，空燃比增加，使得熱效率升高，油耗率相小，空燃比增加，使得熱效率升高，油耗率相 應減小。應減小。 100Nm1400 r/min 100Nm1400 r/min 700Nm1400 r/min 700Nm1400 r/min 當渦輪旁通閥開度從當渦輪旁通閥開度從20%20%變化到變化到50%50%，進氣壓，進氣壓 力、渦前壓力和空燃比都逐漸減小。

16、隨著閥門力、渦前壓力和空燃比都逐漸減小。隨著閥門 開度的增加，油耗率先增大后減小，在開度的增加，油耗率先增大后減小，在40%40%取取 得最大值。閥門開度超過得最大值。閥門開度超過50%50%后，壓氣機旁通后，壓氣機旁通 閥打開來減小渦前壓力并維持增壓壓力不變，閥打開來減小渦前壓力并維持增壓壓力不變， 使得油耗率在使得油耗率在100%100%開度取得最小值。開度取得最小值。 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究-閥門控制策略閥門控制策略 隨著閥門開度的減小，進氣壓力、渦前溫度逐漸增加。渦前溫度表征廢氣能量，廢氣能量的隨著閥門開度的減小，

17、進氣壓力、渦前溫度逐漸增加。渦前溫度表征廢氣能量，廢氣能量的 增加可以提升壓比，較高的進氣壓力可以保證更多的進氣流量。增加可以提升壓比，較高的進氣壓力可以保證更多的進氣流量。 隨著閥門開度的減小，進氣壓力與渦前壓力的差值也逐漸增加，我們這里將隨著閥門開度的減小，進氣壓力與渦前壓力的差值也逐漸增加，我們這里將60kPa60kPa作為壓力作為壓力 差的限值，在此工況點時閥門開度大于差的限值，在此工況點時閥門開度大于15%15%時壓力差在限值范圍內，閥門開度在時壓力差在限值范圍內，閥門開度在15%15%之內時超過之內時超過 限值。限值。 TBV開度對壓力、空燃比和燃油消耗率的影響開度對壓力、空燃比和

18、燃油消耗率的影響 6Nm2000 r/min 6Nm2000 r/min 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究- -經濟性調節(jié)規(guī)律經濟性調節(jié)規(guī)律 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 （a） 原機（b） 經濟性調節(jié)規(guī)律 油耗對比油耗對比 p可調二級渦輪增壓發(fā)動機在中低轉速的最大轉矩有了提高，區(qū)域內的 油耗也較低。 p低油耗區(qū)域相比原機擴大了很多，且向低轉速，高負荷區(qū)域擴展。 pBSFC由198.4 g/kWh降低到了190.4 g/kWh，降低了4%。 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究- -經濟性調節(jié)規(guī)律經濟性調

19、節(jié)規(guī)律 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 （a） 原機 （b） 經濟性調節(jié)規(guī)律 煙度對比 p在中低轉速中高負荷的第一調節(jié)階段，可調二級渦輪增壓柴油機的碳 煙排放相比較原機有了大幅度下降。 p第三調節(jié)階段內，由于渦輪和壓氣機旁通閥門的打開，增壓壓力與原 機相近，碳煙排放變化情況也不明顯。 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究- -經濟性調節(jié)規(guī)律經濟性調節(jié)規(guī)律 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究- -動力性調節(jié)規(guī)律動力性調節(jié)規(guī)律 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 a. 動力性調節(jié)規(guī)律 b. 與經濟型

20、調節(jié)規(guī)律對比 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究- -動力性調節(jié)規(guī)律動力性調節(jié)規(guī)律 油耗對比 p增壓系統(tǒng)工作模式相同的增壓系統(tǒng)工作模式相同的A，D和和E區(qū)油耗特性相同區(qū)油耗特性相同 pB區(qū)由于泵氣損失增加油耗升高，且隨轉速變大，負荷降低而差距變大區(qū)由于泵氣損失增加油耗升高，且隨轉速變大，負荷降低而差距變大 pC區(qū)由于泵氣損失增加油耗升高，隨旁通閥開度變大，差距變小區(qū)由于泵氣損失增加油耗升高，隨旁通閥開度變大，差距變小 p穩(wěn)態(tài)油耗方面：經濟調節(jié)規(guī)律優(yōu)于動力性調節(jié)規(guī)律穩(wěn)態(tài)油耗方面：經濟調節(jié)規(guī)律優(yōu)于動力性調節(jié)規(guī)律 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 a. 動力性調節(jié)規(guī)律b.

21、與經濟型調節(jié)規(guī)律對比 煙度對比 p動力性調節(jié)規(guī)律在第一調節(jié)階段和第二調節(jié)階段的中間 負荷區(qū)域內一定程度上改善了煙度排放， p油耗性能卻在更大的區(qū)域內變差，尤其是在低負荷的第 一調節(jié)階段與第二調節(jié)階段交界處。 穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究穩(wěn)態(tài)試驗及調節(jié)規(guī)律研究- -動力性調節(jié)規(guī)律動力性調節(jié)規(guī)律 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 主要內容主要內容 p兩級增壓系統(tǒng)匹配 p臺架搭建 p前言與研究目標 p可調兩級增壓系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調節(jié)規(guī)律 p可調兩級增壓系統(tǒng)瞬態(tài)性能 p總結 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 瞬態(tài)加載性能優(yōu)化瞬態(tài)加載性能優(yōu)化-瞬態(tài)試驗工況瞬態(tài)試驗工況 定轉速加載試驗（

22、兩種調節(jié)方式） 8001000120014001600180020002200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 加 載 工 況 加 載 工 況 1100r/min1400r/min 加 載 工 況 900r/min 渦輪旁通閥：開 壓氣機旁通閥：開 低壓級渦輪放氣閥：調節(jié)渦輪旁通閥：調節(jié) 壓氣機旁通閥：關 渦輪旁通閥：開 壓氣機旁通閥：開 轉矩 Ttq /Nm 轉速 n /r/min 渦輪旁通閥：關 壓氣機旁通閥：關 8001000120014001600180020002200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 9

23、00 900r/min1100r/min 1400r/min 加 載 工 況 加 載 工 況 加 載 工 況 渦輪旁通閥：開 壓氣機旁通閥：開 低壓級渦輪放氣閥：調節(jié) 渦輪旁通閥：開 壓氣機旁通閥：開 渦輪旁通閥：調節(jié) 壓氣機旁通閥：關 渦輪旁通閥：關 壓氣機旁通閥：關 30% 20% 10% 100% 轉矩 Ttq /Nm 轉速 n /r/min 0% 高壓壓氣機開關切換點高壓壓氣機開關切換點 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 瞬態(tài)加載性能優(yōu)化瞬態(tài)加載性能優(yōu)化-瞬態(tài)試驗結果瞬態(tài)試驗結果 增壓壓力瞬態(tài)特性增壓壓力瞬態(tài)特性 048121620 95 100 105 110 115

24、 120 125 130 135 140 0.9s 1.68s 2.22s 3.92s 原機-90%P2 R2S-90%P2 時間 /s 原機 R2S-動力性調節(jié)規(guī)律 R2S-經濟性調節(jié)規(guī)律 增壓壓力 P2 /X103Pa 增壓壓力小于原機 048121620 100 110 120 130 140 150 160 170 原機 R2S-動力性調節(jié)規(guī)律 R2S-經濟性調節(jié)規(guī)律 0.88s 4.24s 3.42s 5.52s 原機-90%P2 R2S-90%P2 時間 /s 增壓壓力 P2 /X103Pa 900 r/min 加載 1100 r/min 加載 高壓壓氣機的切換對瞬態(tài)性能有不利影響

25、高壓壓氣機的切換對瞬態(tài)性能有不利影響 動力性調節(jié)規(guī)律瞬態(tài)性能最優(yōu)動力性調節(jié)規(guī)律瞬態(tài)性能最優(yōu) 在中低速下加載，由于存在高壓壓氣機的切換，經濟性調節(jié)規(guī)律初在中低速下加載，由于存在高壓壓氣機的切換，經濟性調節(jié)規(guī)律初 始響應慢始響應慢 上海交通大學內燃機研究所上海交通大學內燃機研究所 瞬態(tài)加載性能優(yōu)化瞬態(tài)加載性能優(yōu)化-瞬態(tài)試驗結果瞬態(tài)試驗結果 煙度排放瞬態(tài)特性煙度排放瞬態(tài)特性 高壓壓氣機的切換對煙度排放不利高壓壓氣機的切換對煙度排放不利 動力性調節(jié)規(guī)律的煙度排放較低動力性調節(jié)規(guī)律的煙度排放較低 在中低速下加載，由于存在高壓壓氣機的切換，經濟性調節(jié)規(guī)律煙度排放在中低速下加載，由于存在高壓壓氣機的切換，經濟性調節(jié)規(guī)律煙度排放 存在兩個峰值存在兩個峰值 048121620 0 3 6 9 12 15 18 第一個煙度波峰 原機 R2S-動力性調節(jié)規(guī)律 R2S-經濟性調節(jié)規(guī)律 煙度 N /% 時間 /s 第二個煙度波峰 0