10-可调两级增压系统稳瞬态性能研究 2

1、 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 两级增压系统柴油机稳瞬态性能两级增压系统柴油机稳瞬态性能 优化优化 邓康耀邓康耀 中国中国.天津天津 2014.9 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 主要内容主要内容 p两级增压系统匹配 p台架搭建 p前言与研究目标 p可调两级增压系统稳态调节规律 p可调两级增压系统瞬态性能 p总结 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 主要内容主要内容 p两级增压系统匹配 p台架搭建 p前言与研究目标 p可调两级增压系统稳态调节规律 p可调两级增压系统瞬态性能 p总结 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 增压技术发

2、展趋势增压技术发展趋势 增压趋势： p高增压； p宽流量范围； p良好响应性； 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 两级涡轮增压两级涡轮增压 提高增压比提高增压比两级增压两级增压可调增压可调增压 l 降低排放降低排放 EGR、HCCI、 米勒循环米勒循环 l降低油耗降低油耗 downsizing、 downspeed l 单级增压器极限单级增压器极限 压气机运行范围压气机运行范围 涡轮流通能力涡轮流通能力 两两 级级 可可 调调 涡涡 轮轮 增增 压压 l 匹配矛盾匹配矛盾 提高工况适应性提高工况适应性 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 可调二级涡轮增压系统介绍可

3、调二级涡轮增压系统介绍 总结: 高压比与宽转速范围的兼顾 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 可调两级涡轮增压技术的发展可调两级涡轮增压技术的发展 BMW 740DBMW 740D-R2S-VNT-R2S-VNT 1998 2001 2009 MANMAN：应用于游船用：应用于游船用 高速主机高速主机 BMW 535DBMW 535D-R2S-R2S 博格瓦纳： 首次提出概念 2004 2013 X550d-R3SR3S 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 两级增压系统在车用机的应用两级增压系统在车用机的应用 p2009年高压级采用年高压级采用VGT的改进版可调二级

4、增压系统使整机性能比的改进版可调二级增压系统使整机性能比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 时最高运行转速由时最高运行转速由5000rpm提高到了提高到了5600rpm。 p2013年，采用三增压器系统，可以在年，采用三增压器系统，可以在4000rpm到到4400rpm范围内保持最大范围内保持最大 功率功率280kW；在；在2000rpm到到3000rpm范围内保持最大扭矩范围内保持最大扭矩740Nm。 可调二级增压柴油机与可调二级增压柴油机与 可变截面涡轮系统柴油机性能对比可变

5、截面涡轮系统柴油机性能对比 不同可调二级增压方案不同可调二级增压方案 柴油机性能提升对比柴油机性能提升对比 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 R2S两级增压运行模式两级增压运行模式 运行 范围 涡轮旁通阀 压气机 旁通阀 废气放气阀 1关关关 2调节关关 3开开关 4开开调节 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 两级增压控制方式两级增压控制方式 1010 1800rpm 以下以下, 以高压增以高压增 压器为主压器为主 1800-3000 rpm之间之间, 部部 分旁通高压增压器分旁通高压增压器 3000 rpm以上，以上， 全旁通全旁通 高压级，低压增压器为主高压

6、级，低压增压器为主 exhaust valve closed exhaust valve open air valve closed air valve open air valve fully open exhaust valve fully open 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 R2S-VNT运行模式运行模式 SAE 2012-01-0709 现代汽车研究： p固定涡轮两级增压在低速和高速 范围具有较低的油耗； p采用VNT两级增压可以实现全转 速范围内油耗降低。 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 R3S两级增压运行模式两级增压运行模式 运行运行 模式

7、模式 压气机旁压气机旁 通阀通阀LP 压气机回压气机回 流阀流阀 HP2 压气机阀压气机阀 HP2 排气控制排气控制 阀阀 放气阀放气阀HD-T/C1HD-T/C1 1开开关关关调节调节 2关开关关关调节调节 3关开关关调节调节调节 4关关开开关调节调节 5关关开开调节调节调节 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 主要内容主要内容 p两级增压系统匹配 p台架搭建 p前言与研究目标 p可调两级增压系统稳态调节规律 p可调两级增压系统瞬态性能 p总结 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 两级增压系统匹配两级增压系统匹配-研究方法研究方法 稳态试验稳态试验 闭环闭环 控制

8、策略控制策略 涡轮旁通阀调节特性涡轮旁通阀调节特性 对增压系统以及发动机的影对增压系统以及发动机的影 响响 调节规律调节规律 定转速加载试验定转速加载试验 加速加载模拟起步试验加速加载模拟起步试验 瞬态试验瞬态试验 匹配方法匹配方法样机样机 经济性调节规律经济性调节规律 动力性调节规律动力性调节规律 等效增压器模型等效增压器模型 基于调节能力的匹配方法基于调节能力的匹配方法 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 两级增压系统匹配两级增压系统匹配-匹配对象匹配对象 D6114柴油机主要参数柴油机主要参数 发动机排量8.26L 冲程114 mm 缸径135 mm 连杆长度255 mm

9、压缩比17.7:1 气阀数4 标定功率184kW 标定转速2200r/min 最大扭矩955 Nm 最大扭矩点转速1400r/min 涡轮增压器Garrett TBP4 匹配目标： 提升低速扭矩输出 维持发动机高速工况性能 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 两级增压系统匹配两级增压系统匹配-匹配结果匹配结果 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 匹配结果

10、 高压级：IHI RHF5IHI RHF5涡轮（考虑管路损失）涡轮（考虑管路损失） 低压级：原机原机TBP4TBP4增压器增压器 高压级压气机的选择高压级涡轮的选择 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 主要内容主要内容 p两级增压系统匹配 p台架搭建 p前言与研究目标 p可调两级增压系统稳态调节规律 p可调两级增压系统瞬态性能 p总结 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 试验台架及两级增压系统图试验台架及两级增压系统图 可调阀门 涡轮旁通阀：分配压比、调节整个增压系统。涡轮旁通阀：分配压比、调节整个增压系统。 压气机旁通阀：与涡轮旁通阀一起实现高压级增压器完全旁通。

11、压气机旁通阀：与涡轮旁通阀一起实现高压级增压器完全旁通。 废气放气阀：防止低压级增压器超速。废气放气阀：防止低压级增压器超速。 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 l 高压级涡轮旁通阀（TBV） 0510152025 0 25 50 75 100 涡轮旁通阀开度 /% 时间 /s 目标开度 实际开度 l 高压级压气机旁通阀（CBV） 两级增压系统试验台架的建立两级增压系统试验台架的建立-关键部件关键部件 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 主要内容主要内容 p两级增压系统匹配 p台架搭建 p前言与研究目标 p可调两级增压系统稳态调节规律 p可调两级增压系统瞬态性能

12、p总结 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究-外特性试验结果外特性试验结果 阀门调节规律 p中高转速：中高转速： TBV TBV 完全旁通完全旁通 CBV CBV 完全打开完全打开 （避免节流损失）（避免节流损失） p低转速：低转速： TBV TBV 关闭关闭 CBV CBV 关闭关闭 压比与压比与TBVTBV、CBVCBV开度的关系开度的关系 （外特性）（外特性） 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究-外特性试验结果外特性试验结果 满负荷两级涡轮增压系统与原机性能比较满负荷两级

13、涡轮增压系统与原机性能比较 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究-阀门控制策略阀门控制策略 TBV开度对压力，空燃比和燃油消耗率的影响开度对压力，空燃比和燃油消耗率的影响 当涡轮旁通阀开度从当涡轮旁通阀开度从0%0%变化到变化到30%30%，涡，涡 前压力下降较快，进气压力下降缓慢。前压力下降较快，进气压力下降缓慢。 当涡轮旁通阀关闭时进气压力最高，当涡轮旁通阀关闭时进气压力最高， 但同时油耗率也最高。但同时油耗率也最高。 100Nm1000 r/min100Nm1000 r/min 700Nm1000 r/min700Nm1000 r

14、/min 当涡轮旁通阀开度从当涡轮旁通阀开度从0%0%变化到变化到30%30%，进，进 排气压比基本不变。涡轮旁通阀关闭可排气压比基本不变。涡轮旁通阀关闭可 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%开度开度 时空燃比较低，油耗较高，表明此时增时空燃比较低，油耗较高，表明此时增 加阀门开度会导致空燃比降低，经济性加阀门开度会导致空燃比降低，经济性 恶化。恶化。 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究-阀门控制策略阀门控制策略 TBV开度对压力、空燃比和燃油消耗率的影响开度对压力、空燃比和燃油消耗率的影响 当涡轮旁

15、通阀开度从当涡轮旁通阀开度从0%0%变化到变化到30%30%，空燃比逐，空燃比逐 渐减小。阀门开度超过渐减小。阀门开度超过30%30%后，压气机旁通阀后，压气机旁通阀 打开来保持增压压力不变。而涡前压力逐渐减打开来保持增压压力不变。而涡前压力逐渐减 小，空燃比增加，使得热效率升高，油耗率相小，空燃比增加，使得热效率升高，油耗率相 应减小。应减小。 100Nm1400 r/min 100Nm1400 r/min 700Nm1400 r/min 700Nm1400 r/min 当涡轮旁通阀开度从当涡轮旁通阀开度从20%20%变化到变化到50%50%，进气压，进气压 力、涡前压力和空燃比都逐渐减小。

16、随着阀门力、涡前压力和空燃比都逐渐减小。随着阀门 开度的增加，油耗率先增大后减小，在开度的增加，油耗率先增大后减小，在40%40%取取 得最大值。阀门开度超过得最大值。阀门开度超过50%50%后，压气机旁通后，压气机旁通 阀打开来减小涡前压力并维持增压压力不变，阀打开来减小涡前压力并维持增压压力不变， 使得油耗率在使得油耗率在100%100%开度取得最小值。开度取得最小值。 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究-阀门控制策略阀门控制策略 随着阀门开度的减小，进气压力、涡前温度逐渐增加。涡前温度表征废气能量，废气能量的随着阀门开度的减小，

17、进气压力、涡前温度逐渐增加。涡前温度表征废气能量，废气能量的 增加可以提升压比，较高的进气压力可以保证更多的进气流量。增加可以提升压比，较高的进气压力可以保证更多的进气流量。 随着阀门开度的减小，进气压力与涡前压力的差值也逐渐增加，我们这里将随着阀门开度的减小，进气压力与涡前压力的差值也逐渐增加，我们这里将60kPa60kPa作为压力作为压力 差的限值，在此工况点时阀门开度大于差的限值，在此工况点时阀门开度大于15%15%时压力差在限值范围内，阀门开度在时压力差在限值范围内，阀门开度在15%15%之内时超过之内时超过 限值。限值。 TBV开度对压力、空燃比和燃油消耗率的影响开度对压力、空燃比和

18、燃油消耗率的影响 6Nm2000 r/min 6Nm2000 r/min 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究- -经济性调节规律经济性调节规律 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 （a） 原机（b） 经济性调节规律 油耗对比油耗对比 p可调二级涡轮增压发动机在中低转速的最大转矩有了提高，区域内的 油耗也较低。 p低油耗区域相比原机扩大了很多，且向低转速，高负荷区域扩展。 pBSFC由198.4 g/kWh降低到了190.4 g/kWh，降低了4%。 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究- -经济性调节规律经济性调

19、节规律 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 （a） 原机 （b） 经济性调节规律 烟度对比 p在中低转速中高负荷的第一调节阶段，可调二级涡轮增压柴油机的碳 烟排放相比较原机有了大幅度下降。 p第三调节阶段内，由于涡轮和压气机旁通阀门的打开，增压压力与原 机相近，碳烟排放变化情况也不明显。 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究- -经济性调节规律经济性调节规律 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究- -动力性调节规律动力性调节规律 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 a. 动力性调节规律 b. 与经济型

20、调节规律对比 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究- -动力性调节规律动力性调节规律 油耗对比 p增压系统工作模式相同的增压系统工作模式相同的A，D和和E区油耗特性相同区油耗特性相同 pB区由于泵气损失增加油耗升高，且随转速变大，负荷降低而差距变大区由于泵气损失增加油耗升高，且随转速变大，负荷降低而差距变大 pC区由于泵气损失增加油耗升高，随旁通阀开度变大，差距变小区由于泵气损失增加油耗升高，随旁通阀开度变大，差距变小 p稳态油耗方面：经济调节规律优于动力性调节规律稳态油耗方面：经济调节规律优于动力性调节规律 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 a. 动力性调节规律b.

21、与经济型调节规律对比 烟度对比 p动力性调节规律在第一调节阶段和第二调节阶段的中间 负荷区域内一定程度上改善了烟度排放， p油耗性能却在更大的区域内变差，尤其是在低负荷的第 一调节阶段与第二调节阶段交界处。 稳态试验及调节规律研究稳态试验及调节规律研究- -动力性调节规律动力性调节规律 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 主要内容主要内容 p两级增压系统匹配 p台架搭建 p前言与研究目标 p可调两级增压系统稳态调节规律 p可调两级增压系统瞬态性能 p总结 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 瞬态加载性能优化瞬态加载性能优化-瞬态试验工况瞬态试验工况 定转速加载试验（

22、两种调节方式） 8001000120014001600180020002200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 加 载 工 况 加 载 工 况 1100r/min1400r/min 加 载 工 况 900r/min 涡轮旁通阀：开 压气机旁通阀：开 低压级涡轮放气阀：调节涡轮旁通阀：调节 压气机旁通阀：关 涡轮旁通阀：开 压气机旁通阀：开 转矩 Ttq /Nm 转速 n /r/min 涡轮旁通阀：关 压气机旁通阀：关 8001000120014001600180020002200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 9

23、00 900r/min1100r/min 1400r/min 加 载 工 况 加 载 工 况 加 载 工 况 涡轮旁通阀：开 压气机旁通阀：开 低压级涡轮放气阀：调节 涡轮旁通阀：开 压气机旁通阀：开 涡轮旁通阀：调节 压气机旁通阀：关 涡轮旁通阀：关 压气机旁通阀：关 30% 20% 10% 100% 转矩 Ttq /Nm 转速 n /r/min 0% 高压压气机开关切换点高压压气机开关切换点 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 瞬态加载性能优化瞬态加载性能优化-瞬态试验结果瞬态试验结果 增压压力瞬态特性增压压力瞬态特性 048121620 95 100 105 110 115

24、 120 125 130 135 140 0.9s 1.68s 2.22s 3.92s 原机-90%P2 R2S-90%P2 时间 /s 原机 R2S-动力性调节规律 R2S-经济性调节规律 增压压力 P2 /X103Pa 增压压力小于原机 048121620 100 110 120 130 140 150 160 170 原机 R2S-动力性调节规律 R2S-经济性调节规律 0.88s 4.24s 3.42s 5.52s 原机-90%P2 R2S-90%P2 时间 /s 增压压力 P2 /X103Pa 900 r/min 加载 1100 r/min 加载 高压压气机的切换对瞬态性能有不利影响

25、高压压气机的切换对瞬态性能有不利影响 动力性调节规律瞬态性能最优动力性调节规律瞬态性能最优 在中低速下加载，由于存在高压压气机的切换，经济性调节规律初在中低速下加载，由于存在高压压气机的切换，经济性调节规律初 始响应慢始响应慢 上海交通大学内燃机研究所上海交通大学内燃机研究所 瞬态加载性能优化瞬态加载性能优化-瞬态试验结果瞬态试验结果 烟度排放瞬态特性烟度排放瞬态特性 高压压气机的切换对烟度排放不利高压压气机的切换对烟度排放不利 动力性调节规律的烟度排放较低动力性调节规律的烟度排放较低 在中低速下加载，由于存在高压压气机的切换，经济性调节规律烟度排放在中低速下加载，由于存在高压压气机的切换，经济性调节规律烟度排放 存在两个峰值存在两个峰值 048121620 0 3 6 9 12 15 18 第一个烟度波峰 原机 R2S-动力性调节规律 R2S-经济性调节规律 烟度 N /% 时间 /s 第二个烟度波峰 0