可變噴嘴增壓器與增壓柴油機(jī)的匹配試驗(yàn)研究

1、2005009可變噴嘴增壓器與增壓柴油機(jī)的匹配試驗(yàn)研究吳君華1, 黃震1, 王天靈2(11上海交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所, 上海200030; 21吉林大學(xué), 長春130025摘要在CA498Z 柴油機(jī)上進(jìn)行了可變噴嘴增壓器(VN T 。,VN T 可以在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和CA498Z 柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)良好的匹配。, 降低了外特性的排氣煙度。擴(kuò)大了該柴油機(jī)低油耗區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍, 關(guān)鍵詞:柴油機(jī), , on the Matching of Variable Nozzlewith Turbocharged Diesel EngineWu Junhua 1, H uang Zhen 1&W ang

2、Tianling 21. Instit ue of Internal Combustion Engi ne , S hanghai Jiaotong U niversity , S hanghai 200030;2. Jili n U niversity , Changchun 130025AbstractThe experiment on the matching between a variable nozzle turbocharger (VN T and CA498Z diesel engine is performed. The results show that the engin

3、e can achieve a good performance with VN T in the whole s peed range. The torque of engine at low speed is raised largely , the smoke of engine is reduced remarkably , and the fuel econ 2omy is improved greatly with the s peed range of low fuel consumption extended.K eyw ords :Dieselengine , VNT, To

4、rque at low speed原稿收到日期為2004年2月9日, 修改稿收到日期為2004年3月22日。1前言發(fā)動(dòng)機(jī)安裝廢氣渦輪增壓器后, 可以增加充氣量, 提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率, 增壓后的車用發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以和比它排量大40%的發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹敵1。此外, 增壓還可以增大發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩, 減少油耗, 降低排氣污染。但是, 平均有效壓力較高的車用渦輪增壓柴油機(jī)普遍存在低速轉(zhuǎn)矩不足、加速性差等缺陷。柴油機(jī)與增壓器的工作方式不同而使二者難以良好地匹配, 來同時(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)低速和高速的全面要求2。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行, 而固定流通截面的高壓比渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí), 其壓比將明顯下降, 不能和

5、發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工況保持良好的匹配?？勺儑娮煸鰤浩?VN T 通過改變渦輪的流通截面來實(shí)現(xiàn)供氣與柴油機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行最佳匹配, 使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能達(dá)到較佳。它配有一可調(diào)節(jié)的噴嘴環(huán), 通過調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)上的可變?nèi)~片位置而改變渦輪的流通截面。從而使它在低速時(shí)像一快速反應(yīng)的小渦輪而在高速時(shí)像一高效率的大渦輪。這樣使發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能夠保持高速時(shí)的渦輪效率, 而且可以提高低速時(shí)的渦輪效率。通過減少渦輪流通截面, 能最大程度地減少渦輪滯后現(xiàn)象。也能在高速流動(dòng)時(shí)減少廢氣的摩擦而使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更大的功率。使用可變噴嘴增壓器, 能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩性能及燃油經(jīng)濟(jì)性, 并大幅度地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣煙度3。2試驗(yàn)設(shè)備及方法

6、試驗(yàn)研究是在CA498Z 柴油機(jī)上進(jìn)行的, 該發(fā)動(dòng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)所用的可變噴嘴增壓器, 在渦輪殼里有一噴嘴環(huán), 環(huán)上套有9個(gè)位置可調(diào)的葉片。環(huán)上拉桿連接到真空氣室, 改變真空氣室的真空度, 可以改變?nèi)~片的相對位置, 從而改變渦輪的流通截面, 相應(yīng)地改變了增壓器的增壓比。在發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)工況下, 通過試驗(yàn)確定該工況下最佳的葉片位置, 制成電控脈譜, 并用控制單元進(jìn)行自動(dòng)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)所有工況下都能實(shí)現(xiàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳匹配。2005年(第27卷 第1期汽車工程Automotive Engineering 2005(Vol. 27 No. 1表1試驗(yàn)用柴油機(jī)主要參數(shù)額

7、定功率/轉(zhuǎn)速/-18115/3400缸數(shù)4排量/L 31168最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速/-1265/2000壓縮比18 渦流比212最低燃油消耗率/(-1225×行程/98×105增壓器TB283試驗(yàn)結(jié)果和分析311VNT 葉片位置對發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況下, 改變不同工況的VN T噴嘴環(huán)的開度(開度位置大, 渦輪流通截面小, 增壓比大 , 研究其對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、PM 排放的影響規(guī)律, 為確定VN T 的最佳匹配奠定基礎(chǔ)。圖1是不同VN T 葉片位置對不同轉(zhuǎn)速下的外特性的轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率及排氣煙度的影響規(guī)律。通過分析不同VN T 位置對發(fā)動(dòng)機(jī)外特性性能, T

8、 圖1不同轉(zhuǎn)速下外特性轉(zhuǎn)矩、油耗率、煙度隨VN T 噴嘴環(huán)開度的變化規(guī)律從圖1可以看出, 發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性轉(zhuǎn)矩隨VN T 噴嘴環(huán)的開度加大先增后減。在3400r/min 時(shí), 轉(zhuǎn)矩有少許下降。轉(zhuǎn)速減小時(shí), 最大轉(zhuǎn)矩值所對應(yīng)的VN T 噴嘴環(huán)開度加大。在2400r/min 時(shí)最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的開度是45%, 在1600r/min 時(shí)最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的開度變?yōu)?3%。隨著VN T 的噴嘴環(huán)開度的增加, 發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性燃油消耗率先減后增。高轉(zhuǎn)速時(shí)變化小, 低轉(zhuǎn)速時(shí)油耗率受噴嘴環(huán)開度影響較大。以2000r/min 為例, 當(dāng)VN T 處于最小開度時(shí)的油耗率為239g/(kW h , 當(dāng)開度為65%時(shí), 它降低到

9、21315g/(kW h , 降低了1017%。當(dāng)開度增加為90%時(shí), 油耗率又增加到22413g/(kW h 。不同轉(zhuǎn)速下油耗率最低時(shí)對應(yīng)的VN T 噴嘴環(huán)開度不同, 轉(zhuǎn)速越低, 最低油耗率對應(yīng)的開度越大。隨著VN T 噴嘴環(huán)開度的增大, 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性下排氣煙度大幅度下降。低速時(shí)下降的幅度更大。以1600r/min 為例, 當(dāng)VN T 處于最小開度時(shí), 排氣煙度為319Rb , 而當(dāng)開度為90%時(shí), 煙度下降到015Rb 。當(dāng)VN T 噴嘴環(huán)開度增大時(shí), 增壓器渦輪流通截面變小, 增壓比加大, 更多新鮮空氣進(jìn)入汽缸內(nèi)參與燃燒, 克服了原發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的供氣量不足, 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增大, 相應(yīng)的油

10、耗率降低。但隨著VN T 開度的進(jìn)一步加大, 此時(shí)的供氣量太大, 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩反而下降。進(jìn)氣越多, 汽缸內(nèi)氧的含量增大, 不完全燃燒的因素減少, 從而排氣煙度大幅度下降。312匹配VNT 的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性與原機(jī)的對比比較外特性下最佳VN T 位置時(shí)柴油機(jī)和原機(jī)的性能和排放會發(fā)現(xiàn)匹配VN T 的CA498Z 柴油機(jī)的綜合性能優(yōu)于原機(jī)4。31211外特性轉(zhuǎn)矩的對比圖2為匹配VN T 的發(fā)動(dòng)機(jī)和原發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性轉(zhuǎn)矩對比曲線, 從圖中可以看出, 在所有的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi), 配VN T 的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩比原機(jī)都要大。特別當(dāng)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2000r/min 時(shí), 有VN T 的轉(zhuǎn)矩有了較大的提高。在1200r/

11、min 時(shí), 有VN T 的外特性轉(zhuǎn)矩是226N m , 比原機(jī)提高了1813%。在1400r/min 時(shí), 提高了1613%。這對車用發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是公交車用的發(fā)動(dòng)機(jī)特別有利, 公交車頻繁的起停需要有好的低速轉(zhuǎn)矩性。圖2外特性轉(zhuǎn)矩對比31212外特性燃油消耗率的對比由圖3可知, 在所有的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),VN T 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率比TB28的都要低。在3400r/min 時(shí), 原機(jī)的油耗率是25815g/(kW h , 而VN T 的為142005年(第27卷 第1期汽車工程24719g/(kW h 。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí), 差距已不大。原機(jī)最低油耗對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比VN T 的低。這是由于原機(jī)是旁通式放氣

12、閥型增壓器, 低速匹配良好, 但在高速時(shí), 經(jīng)濟(jì)性受到影響 。 圖331213圖4, 從圖上可以看出, 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高, 匹配旁通式增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)壓后溫度一直升高, 當(dāng)轉(zhuǎn)速為3400r/min 時(shí)達(dá)最大的101, 而VN T 的發(fā)動(dòng)機(jī)的最高壓后溫度在中等轉(zhuǎn)速下, 最高溫度為112。然而在高轉(zhuǎn)速時(shí), 其壓后溫度卻比原發(fā)動(dòng)機(jī)的低。外特性 下增壓器壓氣機(jī)壓后的壓力變化(圖5, 壓力為相對壓力 和溫度變化呈幾乎相同的規(guī)律。圖4增壓器壓氣機(jī)壓后溫度對比圖5增壓器壓氣機(jī)壓后壓力對比隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大, 原機(jī)壓氣機(jī)壓后的壓力一直升高, 當(dāng)轉(zhuǎn)速高于2200r/min 時(shí)增速變緩, 這由于放氣閥起了作用

13、的緣故。而VN T 的壓后壓力卻先增大后降低, 中等轉(zhuǎn)速下最高。在中低轉(zhuǎn)速時(shí), VN T 壓后壓力比原機(jī)要高得多, 這克服了旁通式增壓低速時(shí)增壓不足的缺陷。而當(dāng)轉(zhuǎn)速高于3000r/min , 原增壓器的增壓過高, 這時(shí)VN T 可以減少進(jìn)氣, 給發(fā)動(dòng)機(jī)提供該工況下最合適的進(jìn)氣量。使用可變噴嘴增壓器, 可以在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和發(fā)動(dòng)機(jī)都有良好的匹配。31214外特性排氣煙度的對比圖6, , 發(fā)動(dòng)機(jī)的排, 中等轉(zhuǎn)速下最低。在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi), 匹配VN T 增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣煙度比原機(jī)都要低。在低轉(zhuǎn)速時(shí), 原機(jī)的排氣煙度很大, 超過了該轉(zhuǎn)速下的冒煙極限。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1400r/min 時(shí),

14、 原機(jī)的煙度為411Rb , 而配VN T 發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度為214Rb , 比原機(jī)降低了4015%。圖7中低轉(zhuǎn)速時(shí)的煙度對比圖7保持原發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的低速轉(zhuǎn)矩不變 , 而VN T 也和TB28取相同的轉(zhuǎn)矩, 從圖上可以看出,VN T 的排氣煙度仍舊比原機(jī)有很大幅度的下降?？梢? 在低速范圍內(nèi), 盡管VN T 的轉(zhuǎn)矩有了大幅增加, 排氣煙度仍然比原發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不變時(shí)要低, 原發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)供氣量不足, 燃燒不完全, 產(chǎn)生大量的黑煙, 而VN T 能在低速時(shí)充分供氣, 汽缸內(nèi)氧濃度增大, 煙度大幅度下降。31215外特性下NOx 排放的對比匹配VN T 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的NOx 排量比原發(fā)動(dòng)機(jī)有所上升(圖8

15、 , 特別是在低速, 這是由燃燒更完全引起的, 可通過其它措施如EGR 系統(tǒng)來降低NOx 排量。圖8發(fā)動(dòng)機(jī)外特性NOx 排放對比24汽車工程2005年(第27卷 第1期313匹配VNT 柴油機(jī)與原機(jī)萬有特性的對比圖9為原機(jī)和配有VN T 的柴油機(jī)的萬有特性曲線。對比可知, 匹配VN T 發(fā)動(dòng)機(jī)的低油耗區(qū)比原發(fā)動(dòng)機(jī)的要寬得多。以油耗率為230g/(kW h 的等油耗線為例, 在原發(fā)動(dòng)機(jī)中, 它對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速為2300r/min , 而在匹配VN T 的發(fā)動(dòng)機(jī)中, 最高轉(zhuǎn)速增大到2800r/min 。原發(fā)動(dòng)機(jī)的低油耗區(qū)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比配有VN T 的發(fā)動(dòng)機(jī)低。 對于旁通式增(a 原機(jī)(配有TB28增壓

16、器(b 匹配VN T 的發(fā)動(dòng)機(jī)圖9萬有特性曲線壓器, 渦輪流通截面固定不變, 在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行匹配時(shí), 往往照顧了低速就不能很好地滿足高速性能。CA498Z 柴油機(jī)在進(jìn)行TB28增壓器匹配時(shí)著重考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能而犧牲了部分高速性能。而VN T 則在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與發(fā)動(dòng)機(jī)都能進(jìn)行很好的匹配, 使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能較原機(jī)都有很大的改善。4, 能夠大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的低速轉(zhuǎn)矩, 這對車用發(fā)動(dòng)機(jī)非常有利。(2 可變噴嘴增壓器能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的燃油經(jīng)濟(jì)性能, 在高轉(zhuǎn)速時(shí)效果更顯著。在萬有特性上,VN T 增大了低油耗區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍, 改善了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。(3 可變噴嘴增壓器根據(jù)需要確定發(fā)動(dòng)機(jī)每

17、個(gè)工況點(diǎn)的增壓比, 進(jìn)氣量比匹配原增壓器更為合理, 很大程度地降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣煙度。在低速時(shí)效果更加明顯。參考文獻(xiàn)1蔣德明1內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓1北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19862李輝1可變幾何渦輪增壓器改善J6110Z 柴油機(jī)低速扭矩性能的研究:學(xué)位論文1北京:北京理工大學(xué),19983馬朝臣, 楊長茂, 朱慶等1可調(diào)渦輪增壓器改善車用柴油機(jī)低速扭矩性的研究1汽車技術(shù),1997, (6 4吳君華1車用增壓柴油機(jī)VN T 和EGR 系統(tǒng)匹配試驗(yàn)研究:學(xué)位論文1長春:吉林大學(xué),2003(上接第85頁由圖4可知, 作者所提出的獨(dú)立參數(shù)化2自由度魯棒控制的控制效果基本與車速無關(guān), 這充分驗(yàn)證了在反饋控制器的

18、設(shè)計(jì)中不考慮車速變化的合理性。與傳統(tǒng)的前饋后輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制相比, 獨(dú)立參數(shù)化2自由度魯棒控制, 在較大的側(cè)向加速度下亦可較好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)質(zhì)心側(cè)偏角的控制, 表現(xiàn)出了良好的魯棒性。8結(jié)論作者提出的控制規(guī)律的突出優(yōu)點(diǎn)在于, 通過車速變化和輪胎側(cè)偏剛度變化的獨(dú)立補(bǔ)償, 既充分發(fā)揮了傳統(tǒng)前饋控制的優(yōu)點(diǎn), 又降低了反饋控制器的階數(shù)。仿真結(jié)果表明,2自由度魯棒控制, 在較大的側(cè)向加速度下亦可較好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)質(zhì)心側(cè)偏角的控制, 表現(xiàn)出了良好的魯棒性。參考文獻(xiàn)1Irie N , Shlbahata Y , et al 1HICAS 2Improvement of Vehicle Stabilityand Controllability by Rear Suspension Steering Characteristics 1SAEPaper 8651142Takaakl Eguchl , Yuzo Saklta ,et al 1Development of “Super Hicas ”,aNew Rear Wheel Steering System with Phasereversal Control 1SAE Paper 8919783Sato H , Hirota A , et al