發(fā)動機增壓及總能系統(tǒng)

1、發(fā)動機增壓與總能系統(tǒng)發(fā)動機增壓與總能系統(tǒng) 張揚軍n 我國受原計劃經濟體制影響，創(chuàng)新體系按我國受原計劃經濟體制影響，創(chuàng)新體系按行業(yè)劃分，而技術發(fā)展卻是橫跨行業(yè)體系。行業(yè)劃分，而技術發(fā)展卻是橫跨行業(yè)體系。錢學森n汽車行業(yè)的汽車行業(yè)的8080原始創(chuàng)新來自航空航天。原始創(chuàng)新來自航空航天。陳光祖n引進消化吸收航空航天高技術，跨行業(yè)創(chuàng)引進消化吸收航空航天高技術，跨行業(yè)創(chuàng)新，搶占汽車科技的國際制高點。新，搶占汽車科技的國際制高點。張揚軍 q 內燃機節(jié)能與減排內燃機節(jié)能與減排q 渦輪增壓可控流設計渦輪增壓可控流設計q 總能系統(tǒng)空氣及熱管理總能系統(tǒng)空氣及熱管理發(fā)動機渦輪增壓與總能系統(tǒng)發(fā)動機渦輪增壓與總能系統(tǒng)n

2、石油正在越來越貴并且難以獲取，國家能源安全最重要的是石油安全。內燃機廣泛用于交通運輸、農業(yè)動力和國防，是石油最大用戶。內燃機節(jié)能成為關系到國家安全和社會安全的重大科學問題。n 溫室效應是目前全球共同面臨的環(huán)境問題，內燃機是CO2排放的重要來源。降低CO2排放將成為我國內燃機發(fā)展所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，而節(jié)能是降低內燃機CO2排放的唯一有效措施。 能源環(huán)境與內燃機n 傳統(tǒng)內燃機研發(fā)，主要以排放控制為核心，燃料(油)為主線進行研究，理論基礎主要為燃燒學。n 近年來，能源與環(huán)境相容協調問題備受關注，另一條以節(jié)能和CO2減排為核心，循環(huán)工質(氣)為主線的研究受到重視，理論基礎為熱流體力學。內燃機節(jié)能與熱流體

3、 熱流體熱流體：工程熱：工程熱力學與流體力學力學與流體力學的交叉與融合的交叉與融合熱流體：研究能量轉換的熱流體：研究能量轉換的工質流動與熱力循環(huán)。工質流動與熱力循環(huán)。關鍵詞：流動、循環(huán)。關鍵詞：流動、循環(huán)。研究主線燃料（油）工質 （氣）科學問題主要目的關鍵技術理論基礎化學能熱能化學能熱能熱能功熱能功熱流體力學熱流體力學燃燒學燃燒學排放控制排放控制節(jié)能、節(jié)能、CO2CO2減排減排供油、燃燒供油、燃燒供氣、循環(huán)供氣、循環(huán)熱流體的傳統(tǒng)和核心研究領域：航空發(fā)動機n 清華大學于1999年成立我國汽車行業(yè)第一個發(fā)動機熱流體研究室，引進消化吸收航空葉輪機和CFD技術，跨行業(yè)交叉，進行內燃機、燃料電池發(fā)動機增

4、壓及總能系統(tǒng)研究。向同行學習，只能產生漸變；跨行業(yè)創(chuàng)新學習，創(chuàng)造質的飛躍！ （2000.10.20諾貝爾獎獲得者李政道先生對清華發(fā)動機熱流體研究室的“跨行業(yè)創(chuàng)新”的肯定與鼓勵）n 研究室定位于國家、國際和國防，研究室的項目全部來自戰(zhàn)略合作，民口項目主要來自國際戰(zhàn)略合作伙伴。n GM北美技術中心的全球第一個“增壓與總能系統(tǒng)研究”戰(zhàn)略合作伙伴，該中心動力室的第一個中國合作伙伴，目前與該中心的合作項目已規(guī)劃至2011年。q 內燃機節(jié)能與減排內燃機節(jié)能與減排q 渦輪增壓可控流設計渦輪增壓可控流設計q 總能系統(tǒng)空氣及熱管理總能系統(tǒng)空氣及熱管理發(fā)動機渦輪增壓與總能系統(tǒng)發(fā)動機渦輪增壓與總能系統(tǒng) 源自航空的增

5、壓技術，早期以提高功率為目的，如今以排放控制為核心，并成為動力節(jié)能和CO2減排的關鍵技術。增壓縮小排量節(jié)能路面行使負荷路面行使負荷最佳燃油經濟性最佳燃油經濟性加速裕度加速裕度發(fā)動機轉速發(fā)動機轉速 - rpm - rpm發(fā)動機扭矩發(fā)動機扭矩 小排量小排量發(fā)動機使最佳工作區(qū)域接近路面行駛工況負荷發(fā)動機使最佳工作區(qū)域接近路面行駛工況負荷 增壓增壓使小排量發(fā)動機恢復到大排量發(fā)動機的功率使小排量發(fā)動機恢復到大排量發(fā)動機的功率 是是“空氣供給空氣供給”、而不是、而不是“發(fā)動機排量發(fā)動機排量”決定了發(fā)動機的功率和扭矩決定了發(fā)動機的功率和扭矩發(fā)動機轉速發(fā)動機轉速 - rpm - rpm同樣的汽車和路面負荷同樣

6、的汽車和路面負荷加速裕度加速裕度發(fā)動機扭矩發(fā)動機扭矩小排量發(fā)動機小排量發(fā)動機增壓小排量發(fā)動機增壓小排量發(fā)動機最佳燃油經濟性最佳燃油經濟性 增壓增壓發(fā)動機，發(fā)動機，比同性能非增壓發(fā)動機具有更好的經濟性和排放性能！比同性能非增壓發(fā)動機具有更好的經濟性和排放性能！+3.75 mpg17%-0.19 -20% 30-50 lbs.歐洲歐洲增壓增壓發(fā)動機發(fā)動機系列系列1.8LTurbo3.2 V6+1 mpg4%-0.04-5% 30-50 lbs.OEM和同樣性能和同樣性能的的非增壓發(fā)動非增壓發(fā)動機機燃油經濟性燃油經濟性增益增益CO2排放排放質量質量減少減少1.8LTurbo 2.4L I4+2 mp

7、g8%-0.1-12%-1.8LTurbo2.8L V6+2.5 mpg11%-0.125-14% 5-20 lbs.1.8LTurbo3.0L V6150 HP170 HP180 HP225 HP發(fā)動機發(fā)動機gr. / Km 渦輪增壓面臨的挑戰(zhàn)渦輪增壓面臨的挑戰(zhàn)n增壓器：流量范圍窄、效率低 (增壓器擴穩(wěn)增效問題)n增壓發(fā)動機：變工況，瞬態(tài)響應滯后、低速時性能差(增壓發(fā)動機空氣管理問題)熱負荷高、循環(huán)總效率低（增壓發(fā)動機熱管理問題）n 拓寬流量范圍、提高效率，是車用內燃機增壓研究面臨的主要難點。增壓器可控流設計n IHPTET IHPTET Integrated High Performanc

8、e Turbine Engines Integrated High Performance Turbine Engines Technology (1990-2005)(50Technology (1990-2005)(50億美元億美元) )n VAATE VAATE Versatile Affordable Advanced Turbine Engines Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (2007-2017)(70(2007-2017)(70億美元億美元) )航空葉輪機流動控制增壓器擴穩(wěn)增效的可控流設計新技術 將航空葉輪機流動控制

9、技術引入，發(fā)展了機匣處理、多工況設計等擴穩(wěn)增效的增壓可控流設計新技術。l 機匣處理：突破擴穩(wěn)一定犧牲效率的限制進口自循環(huán)（ABB）原理：流量控制擴穩(wěn)缺點：犧牲一定效率機匣抽氣射流擴穩(wěn)原理：渦重組擴穩(wěn)優(yōu)點：可同時提高效率24252627280.840.850.860.870.880.890.900.91m AAAA unexcited =08% =16% =24% =32%Adiabatic efficiency Mass flow rate (kg/s)(a)68101214161820222426281.01.21.41.61.82.02.22.42.6 Solid Casing Anti-

10、Vortex Casing Axis skewed slot Casing Arc curve skewed slot Casing60%70%80%85%90%95%100%Total Pressure RatioMass Flow Rate(kg/s)Mass flow parameterPressure ratioTraditionalNew復合彎掠、大小葉片匹配、負荷控制l 多工況設計：最大功率、最大扭矩等工況 單級壓比提高單級壓比提高0.7效率提高效率提高23個百分點個百分點穩(wěn)定工作范圍由提高穩(wěn)定工作范圍由提高18%實際用于某型動力，實際用于某型動力，大幅度降低排溫大幅度降低排溫我國

11、第一臺單級壓比4車用柴油機增壓器汽油機渦輪增壓器可控流設計q 內燃機節(jié)能與減排內燃機節(jié)能與減排q 渦輪增壓可控流設計渦輪增壓可控流設計q 總能系統(tǒng)空氣及熱管理總能系統(tǒng)空氣及熱管理發(fā)動機渦輪增壓與總能系統(tǒng)發(fā)動機渦輪增壓與總能系統(tǒng)l 20世紀7080年代，從總能利用和系統(tǒng)角度使能源動力裝置循環(huán)研究思路發(fā)生質變的總能系統(tǒng)概念，在現有的增壓內燃機研究體系中體現很少。l 當前內燃機增壓研究，是在簡單內燃機循環(huán)層面，以熱力學第一定律為基礎，已不能全面、正確地對指導內燃機渦輪增壓的節(jié)能技術研究。l 能源和環(huán)境的雙重壓力，增壓研究期待著新的思維觀念、新的基礎理論和新的技術方法，對內燃機熱流體力學提出前所未有的

12、新挑戰(zhàn)。增壓與總能系統(tǒng) 總能與總能系統(tǒng)總能與總能系統(tǒng)l 總能的概念是20世紀初提出的，其原意是指能量的有效利用，必須綜合考慮能的量和質兩方面。l 總能系統(tǒng)，注重能的梯級利用以及不同循環(huán)有機結合的總體能量利用系統(tǒng)，主要由熱能轉換與利用的熱力循環(huán)所涉及的系統(tǒng)組成。l 從總能系統(tǒng)出發(fā)，按數量和質量合理匹配，搭配部件/系統(tǒng)間的固有界限，實現充分用能、聯合用能，可使能耗節(jié)約10-30%。 增壓發(fā)動機總能系統(tǒng)增壓發(fā)動機總能系統(tǒng)n增壓內燃機工作過程，是內燃機與燃氣輪機協同工作的聯合循環(huán)。n 狹義的增壓內燃機總能系統(tǒng)，由空 氣及熱管理系統(tǒng)組成。n 空氣管理(增壓與進排氣)、熱管理(增壓中冷、冷卻及余熱利用)涉

13、及增壓內燃機循環(huán)的重要熱力過程，相互直接存在強的耦合效應。n 空氣及熱管理，應對內燃機循環(huán)提供最佳的總體性能。對于車用內燃機來說，增壓內燃機總能利用還要考慮空調系統(tǒng)對發(fā)動機循環(huán)熱力過程的影響，廣義的增壓內燃機總能系統(tǒng)還包括空調系統(tǒng)。 內燃機循環(huán)、渦輪增壓循環(huán)、空調制冷循環(huán)，三個熱力循環(huán)的冷卻放熱過程在動力艙中耦合。n 總能系統(tǒng)空氣及熱管理，從能的梯級利用和聯合循環(huán)的角度，對內燃機增壓進排氣、冷卻(中冷)及余熱利用等總能系統(tǒng)進行綜合集成與整體優(yōu)化，提高全工況特性和總能利用率，降低熱負荷和排放。n 與傳統(tǒng)增壓匹配、性能優(yōu)化及熱管理研究的不同：l 總能：能的梯級利用和聯合循環(huán)，考慮全工況特性；突破當

14、前內燃機渦輪增壓及進排氣、中冷及冷卻研究往往相互獨立的局限性； l 通流：系統(tǒng)匹配由單一流量匹配拓展到流量與流場匹配；CFD與熱力學優(yōu)化的結合（還原論與整體輪）?？偰芟到y(tǒng)空氣及熱管理空氣及熱管理的通流匹配新技術 引進航空葉輪機多級流動特性及性能計算的通流模型，建立空氣及熱管理的通流匹配新方法。 通流匹配，將空氣管理(增壓)及熱管理(增壓中冷)匹配由單純的流量匹配擴展到流量與流場匹配。 有效解決增壓性能MAP圖范圍難以滿足車用工況增壓瞬態(tài)匹配要求、變截面增壓面工況匹配需要一系列MAP圖、以及兩級增壓匹配設計的難點。總能系統(tǒng)空氣及熱管理的通流匹配優(yōu)化平臺總能系統(tǒng)空氣及熱管理的通流匹配優(yōu)化平臺航空C

15、FD VVA技術，為增壓內燃機空氣及熱管理通流匹配提供了有力的技術支撐我國高原地形w 高原分布廣闊，占全國總面積60%w 平均海拔高，3000m以上占26%w 青藏高原總面積240萬平方公里，平均海拔超過4000m高原大氣條件w 海拔升高1000m，大氣壓力下降9%，年平均氣溫下降57變海拔問題w 青藏高原海拔變化范圍大，變海拔工程需求大高原增壓柴油機空氣及熱管理研究高原增壓柴油機空氣及熱管理研究n與總裝某所、宇通和Cummins ，聯合進行高原柴油機熱管理研究，解決高原過熱和功率恢復問題。n與總裝某所、兵器70所和Cummins聯合進行高原柴油機空氣管理研究，解決變海拔自適應問題。研發(fā)的高原節(jié)能型熱管理系統(tǒng)，在2006年通過解放軍總裝備部組織的鑒定，并批量列裝部隊，有效解決了多個型號裝備的高原適應性問題，且節(jié)能效果明顯，達到國際領先水平。從此，曾困擾我高原工程兵部隊多年的工程機械熱平衡問題終于得到圓滿解決，部隊戰(zhàn)斗力得到了科技的有力保障。 2007.8.28M11-C300高原大氣模擬系統(tǒng)w 進、排氣壓力模擬w 海拔模擬范圍：04500mw 溫度模擬范圍：-30+25高原空氣管理技術，與傳統(tǒng)增壓功率恢復技術相比，各海拔額定點性能比最多改善1.77%，最大扭矩點最多改善5.49%，同時具