羅杰.布什博世馬勒渦輪增壓系統(tǒng)先進汽油機渦輪增壓技術(shù)(中文)

1、 Bosch Mahle Turbo Systems浮動式可變截面渦輪增壓：適用于大規(guī)模量產(chǎn)的先進汽油機渦輪增壓技術(shù)浮動式可變截面渦輪增壓 (FNT) 第三屆中國國際汽車動力總成峰會羅杰.布什 博士 Bosch Mahle Turbo Systems217.06.2016汽車業(yè)關(guān)于實現(xiàn)以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)之一汽車業(yè)關(guān)于實現(xiàn)以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)之一 Dr. Roger Busch2- 15 % 減少燃油消耗 減少二氧化碳排放 提升駕乘樂趣發(fā)動機小型化( 體積, 重量)相比自然吸氣式發(fā)動機，更高的低速扭矩 （LET），使駕駛性得以提高TurbomotorSaugmotor渦輪增壓式發(fā)動機自然吸

2、氣式發(fā)動機介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)渦輪增壓的優(yōu)勢渦輪增壓的優(yōu)勢 Bosch Mahle Turbo Systems 3201520162017201820192020202220232021未來的法規(guī)提出更高要求未來的法規(guī)提出更高要求基于基于NEDC測試循環(huán)的百公里二氧化碳排放測試循環(huán)的百公里二氧化碳排放量量【克克/百公里百公里】 國五 第2階段 6.9 升/100公里 5 升/100公里 下一步? 京六 第1階段油耗北京17.06.2016220200180160140120100201520102005200020202025 京六 第1階段 下一步?年份年份 國五 第1階段國五 第2階段

3、國六 第1階段 下一步?中國Dr. Roger Busch030252015105車輛總數(shù)車輛總數(shù)* 106 (僅汽油車僅汽油車)35%61%8%19%63%68%20%39%20172022201720222017202220172022 搭載渦輪增壓器的汽車搭載渦輪增壓器的汽車汽車汽車 China Japan EU US介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)法規(guī)與市場法規(guī)與市場中國日本歐洲美國 Bosch Mahle Turbo Systems5010015020025030035010002000300040005000600050100150200250300350100020003000400050

4、0060004NEFZ1.6升渦輪增壓直噴升渦輪增壓直噴17.06.2016275230235240250300350245250200150100501000 2000 3000 4000 5000發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)動機轉(zhuǎn)速每分鐘每分鐘扭矩扭矩牛米牛米發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)動機轉(zhuǎn)速每分鐘每分鐘-扭矩扭矩 牛米牛米自然吸氣 全負(fù)荷275240245250300發(fā)動機小型化顯著減少二氧化碳排放發(fā)動機小型化顯著減少二氧化碳排放3003502502001501005030035060001000 2000 3000 4000 5000 6000渦輪增壓器通過提高進氣密度彌補減小的排量渦輪增壓器通過提高進氣密度彌補減

5、小的排量3.2L升自然吸氣式發(fā)動機多點噴射升自然吸氣式發(fā)動機多點噴射NEFZWLTCNEFZNEFZWLTC小型化Dr. Roger Busch介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)汽油發(fā)動機的發(fā)展趨勢汽油發(fā)動機的發(fā)展趨勢發(fā)動機小型化的優(yōu)點發(fā)動機小型化的優(yōu)點減少發(fā)動機摩擦損失減少發(fā)動機摩擦損失(尤其當(dāng)汽缸數(shù)減少的時候尤其當(dāng)汽缸數(shù)減少的時候)將主要運行區(qū)間移至發(fā)動機高效率區(qū)域?qū)⒅饕\行區(qū)間移至發(fā)動機高效率區(qū)域改善低速扭矩，從而提高改善低速扭矩，從而提高“降速降速“的潛力的潛力 Bosch Mahle Turbo Systems汽油機用廢氣旁通式渦輪增壓器(乘用車) 限制限制數(shù)值數(shù)值限制于限制于渦輪增壓器轉(zhuǎn)速渦輪

6、增壓器轉(zhuǎn)速最高每分鐘最高每分鐘35萬轉(zhuǎn)萬轉(zhuǎn)渦輪增壓器渦輪增壓器渦輪機進口溫度渦輪機進口溫度最高最高1050攝氏度攝氏度渦輪增壓器渦輪增壓器渦輪機出口壓力渦輪機出口壓力最高最高4巴巴發(fā)動機發(fā)動機介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)汽油發(fā)動機用渦輪增壓器汽油發(fā)動機用渦輪增壓器5渦殼渦輪中間體轉(zhuǎn)子廢氣旁通閥電子執(zhí)行器壓殼壓輪Dr. Roger Busch17.06.2016 Bosch Mahle Turbo Systems廢氣旁通式渦輪增壓器的設(shè)計廢氣旁通式渦輪增壓器示意圖廢氣旁通閥 成本成本 高溫魯棒性的解決方案高溫魯棒性的解決方案 催化劑加熱催化劑加熱 排放排放 冷啟動冷啟動 廢氣旁通式渦輪增壓器通常會配備

7、較小的渦輪，來獲廢氣旁通式渦輪增壓器通常會配備較小的渦輪，來獲得較好的低速扭矩和瞬態(tài)性能。得較好的低速扭矩和瞬態(tài)性能。 高負(fù)荷運轉(zhuǎn)時的高排氣背壓會增加油耗高排氣背壓會限制額定功率（以及米勒循環(huán)的潛能）增壓壓力控制 當(dāng)增壓壓力超過期望值，需要限制渦輪功率。 當(dāng)廢氣旁通閥打開，部分排氣被旁通導(dǎo)致增壓壓力降低 因此排氣中蘊含的能量“被浪費”。+-介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)廢氣旁通式廢氣渦輪增壓器廢氣旁通式廢氣渦輪增壓器6Dr. Roger Busch17.06.2016 Bosch Mahle Turbo Systems可變截面渦輪增壓器的設(shè)計可變截面渦輪增壓器示意圖可變截面渦輪 在所有工況下都能利用完

8、整的排氣能量，增壓器效率在所有工況下都能利用完整的排氣能量，增壓器效率高高增加額定功率，降低油耗 高增壓壓力減輕了增壓器遲滯減輕了增壓器遲滯低排氣能量 成本成本增壓壓力控制 當(dāng)增壓壓力超過期望值，需要限制渦輪功率。 低負(fù)荷運行時，排氣中蘊含的能量降低，可變截面渦輪導(dǎo)流葉片關(guān)閉，增加氣體流速，提高渦輪功率，從而增加增壓壓力。 高負(fù)荷運行時，排氣中蘊含的能量上升，可變截面渦輪導(dǎo)流葉片打開，利用所有的排氣能量，沒有排氣能量被浪費。+-可變截面打開可變截面關(guān)閉介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)可變截面廢氣可變截面廢氣渦輪增壓器渦輪增壓器7Dr. Roger Busch17.06.2016 Bosch Mahle

9、Turbo Systems8介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)汽油發(fā)動機的廢氣渦輪增壓器匹配汽油發(fā)動機的廢氣渦輪增壓器匹配要求要求低速扭矩低速扭矩/動態(tài)性能動態(tài)性能要求要求額定功率額定功率 高增壓壓力 (低速扭矩) 低轉(zhuǎn)動慣量 (動態(tài)性能) 低排氣背壓121.6L 渦輪增壓直噴渦輪增壓直噴發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)動機轉(zhuǎn)速 每分鐘每分鐘10002000300040005000 6000扭矩扭矩 牛米牛米20010030012可變截面廢氣渦輪增壓器可以同時改善低速扭矩可變截面廢氣渦輪增壓器可以同時改善低速扭矩/動態(tài)性能和額定功率動態(tài)性能和額定功率17.06.20161.41.61.82.2Dr. Roger Busch匹

10、配低流量渦輪機匹配低流量渦輪機匹配高流量渦輪機匹配高流量渦輪機 小渦輪 低流量輪型 小流道 大渦輪 高流量輪型 大流道廢氣旁通式渦輪增壓器匹配廢氣旁通式渦輪增壓器匹配流量特性由幾何尺寸確定流量特性由幾何尺寸確定: 必須在低速扭矩/動態(tài)性能和額定功率中的取得折衷 小渦輪可以獲得好的瞬態(tài)特性 優(yōu)化流道尺寸來滿足排氣背壓限值可變截面廢氣渦輪增壓器匹配可變截面廢氣渦輪增壓器匹配流量特性由可變截面渦輪確定流量特性由可變截面渦輪確定: 大流道和高流量渦輪來減少額定功率點的排氣背壓 小渦輪可以獲得好的瞬態(tài)特性 低速扭矩由最小流量設(shè)定值和渦輪機效率決定 Bosch Mahle Turbo Systems 發(fā)動

11、機爆震發(fā)動機爆震 發(fā)動機加濃保護發(fā)動機加濃保護 油耗油耗 顆粒物濃度顆粒物濃度9 NEFZ123對增壓系統(tǒng)提出更多要求對增壓系統(tǒng)提出更多要求417.06.2016Dr. Roger Busch可能的系統(tǒng)解決方案可能的系統(tǒng)解決方案501001502002503003501000200030004000500060001.6L 渦輪增壓直噴渦輪增壓直噴275240245250Knocking limit1234300WLTC轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 每分鐘每分鐘1000 2000 3000 4000 5000 6000扭矩扭矩 牛米牛米25020015010030035050汽油機可變截面增壓器米勒循環(huán)米勒循環(huán)冷

12、卻冷卻 EGR顆粒捕捉器顆粒捕捉器對增壓系統(tǒng)提出對增壓系統(tǒng)提出了非常高的要求了非常高的要求自然吸氣 全負(fù)荷介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)渦輪增壓汽油發(fā)動機的挑戰(zhàn)渦輪增壓汽油發(fā)動機的挑戰(zhàn) Bosch Mahle Turbo Systems比油耗比油耗排氣溫度排氣溫度排氣背壓排氣背壓廢氣旁通式基準(zhǔn)可變截面最多-4%-20C-0.95bar可變截面+米勒循環(huán)最多 -6%-25C-0.35barpKrmmer bar1.52.02.53.03.5nMot RPM20003000400050006000beff g/kWh220240260280300Drehzahl min-11000200030004000

13、50006000TKrmmer C85090095010001050Druckverhltnis -1.01.52.02.53.03.54.0korrigierter Massenstrom kg/s0.050.100.150.20pKrmmer bar1.52.02.53.03.5nMot RPM20003000400050006000beff g/kWh220240260280300Drehzahl min-1100020003000400050006000TKrmmer C85090095010001050Druckverhltnis -1.01.52.02.53.03.54.0korr

14、igierter Massenstrom kg/s0.050.100.150.20pKrmmer bar1.52.02.53.03.5nMot RPM20003000400050006000beff g/kWh220240260280300Drehzahl min-1100020003000400050006000TKrmmer C85090095010001050Druckverhltnis -1.01.52.02.53.03.54.0korrigierter Massenstrom kg/s0.050.100.150.2010可變截面廢氣渦輪增壓器配合米勒循環(huán)可以顯著降低油耗可變截面廢氣渦

15、輪增壓器配合米勒循環(huán)可以顯著降低油耗廢氣旁通式可變截面可變截面 + 米勒循環(huán) 17.06.2016980C2000 3000 4000 5000 6000發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)動機轉(zhuǎn)速每分鐘每分鐘2000 3000 4000 5000 6000發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)動機轉(zhuǎn)速 每分鐘每分鐘扭矩扭矩 牛米牛米3.02.52.01.53.54.01.0比油耗比油耗 克克/千瓦每小時千瓦每小時280260240300220排氣溫度排氣溫度 攝氏度攝氏度10009509001050850排氣背壓排氣背壓 巴巴3.02.52.03.51.51000效率優(yōu)先策略效率優(yōu)先策略GT-Power 仿真邊界條件:100千瓦/升 ; 空

16、燃比=1 ; 壓縮比=10Dr. Roger Busch介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)系統(tǒng)策略系統(tǒng)策略 效率優(yōu)先效率優(yōu)先 Bosch Mahle Turbo Systems WG VTG WG VTG11可變截面廢氣渦輪增壓器可以顯著提高駕駛性可變截面廢氣渦輪增壓器可以顯著提高駕駛性低速扭矩低速扭矩GT-Power 仿真仿真邊界條件:4-缸 發(fā)動機 功率80千瓦/升 米勒循環(huán)-策略 壓縮比=12介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)系統(tǒng)策略系統(tǒng)策略 GPF的影響的影響17.06.2016動態(tài)特性動態(tài)特性GT-Power 仿真仿真邊界條件:1500轉(zhuǎn)每分鐘 平均有效壓力=2巴 全負(fù)荷未配備未配備GPF時間時間 秒秒2.

17、52.11.91.71.52.3 WG ohne GPF VTG ohne GPF WG VTG配備配備GPF渦輪直徑渦輪直徑 41mm渦輪直徑渦輪直徑 40mm渦輪直徑渦輪直徑 44mmMTM +70%渦輪直徑渦輪直徑 40mm-30%Dr. Roger Busch未配備未配備GPF平均有效壓力平均有效壓力轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速1250轉(zhuǎn)每分鐘轉(zhuǎn)每分鐘 巴巴22.521.020.519.519.022.0配備配備GPF+16%21.520.0 WG FNT Bosch Mahle Turbo Systems浮動式可變截面渦輪浮動式可變截面渦輪搖臂第一代可變截面渦輪第一代可變截面渦輪蝸殼頂蓋12緊湊，簡潔的

18、設(shè)計優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性來自于“浮動式設(shè)計”，已獲得專利。效率增加控制特性改善搖臂導(dǎo)向葉隔離罩新設(shè)計顯著降低了相同葉片間隙下的卡滯趨勢力傳遞 / 支點卡滯限值17.06.2016Dr. Roger Busch介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)博世馬勒新技術(shù)博世馬勒新技術(shù)浮動式可變截面渦輪浮動式可變截面渦輪 Bosch Mahle Turbo Systems13Introduction Potential Design Summary BMTS FNT: Design and Function17.06.2016Dr. Roger Busch渦輪殼型線渦輪殼型線導(dǎo)流葉片導(dǎo)流葉片(粉末冶金制粉末冶金制)蓋板蓋板定距

19、套定距套導(dǎo)流葉片載體導(dǎo)流葉片載體導(dǎo)流葉片控制導(dǎo)流葉片控制桿桿調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)浮動式設(shè)計浮動式設(shè)計定距套，蓋板和渦殼適壓配合滑動軸承調(diào)整環(huán)滑動軸承調(diào)整環(huán)隔熱罩作為盤式彈簧來軸向隔熱罩作為盤式彈簧來軸向固定浮動式可變截面渦輪到固定浮動式可變截面渦輪到渦殼上渦殼上 Bosch Mahle Turbo Systems14 未配備未配備GPF + 配備配備GPFbeff pmet90 beff pmet90(FNT WG)-6%0%-3%-6%+16%-30%汽油機-浮動式可變截面渦輪1250rpmmax總結(jié)總結(jié) GPF會顯著增加排氣背壓 汽油機浮動式可變截面渦輪增壓器(FNT) 與廢氣旁通式渦輪增壓器相比，在以下幾個方面有顯著優(yōu)勢: 油耗 瞬態(tài)性能 低速扭矩 系統(tǒng)解決方案 “汽油機FNT配合米勒循環(huán)”提供額外潛力。 基于博世馬勒汽油機FNT的高魯棒性和緊湊的設(shè)計，博世馬勒可以為不同的發(fā)動機概念提供汽油機FNT大規(guī)模量產(chǎn)方案。介紹 潛能 設(shè)計 總結(jié)總結(jié)