可变喷嘴增压器与增压柴油机的匹配试验研究

1、2005009可变喷嘴增压器与增压柴油机的匹配试验研究吴君华1, 黄震1, 王天灵2(11上海交通大学内燃机研究所, 上海200030; 21吉林大学, 长春130025摘要在CA498Z 柴油机上进行了可变喷嘴增压器(VN T 。,VN T 可以在发动机的整个转速范围内和CA498Z 柴油机实现良好的匹配。, 降低了外特性的排气烟度。扩大了该柴油机低油耗区的转速范围, 关键词:柴油机, , 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原稿收到日期为2004年2月9日, 修改稿收到日期为2004年3月22日。1前言发动机安装废气涡轮增压器后, 可以增加充气量, 提高发动机功率, 增压后的车用发动机功率可以和比它排量大40%的发动机功率匹敌1。此外, 增压还可以增大发动机的转矩, 减少油耗, 降低排气污染。但是, 平均有效压力较高的车用涡轮增压柴油机普遍存在低速转矩不足、加速性差等缺陷。柴油机与增压器的工作方式不同而使二者难以良好地匹配, 来同时满足发动机低速和高速的全面要求2。涡轮增压发动机在宽广的转速范围内运行, 而固定流通截面的高压比涡轮增压器在发动机低速时, 其压比将明显下降, 不能和

5、发动机在整个运转工况保持良好的匹配。可变喷嘴增压器(VN T 通过改变涡轮的流通截面来实现供气与柴油机在各个转速工况下进行最佳匹配, 使发动机的性能达到较佳。它配有一可调节的喷嘴环, 通过调节喷嘴环上的可变叶片位置而改变涡轮的流通截面。从而使它在低速时像一快速反应的小涡轮而在高速时像一高效率的大涡轮。这样使发动机不仅能够保持高速时的涡轮效率, 而且可以提高低速时的涡轮效率。通过减少涡轮流通截面, 能最大程度地减少涡轮滞后现象。也能在高速流动时减少废气的摩擦而使发动机输出更大的功率。使用可变喷嘴增压器, 能提高发动机的低速转矩性能及燃油经济性, 并大幅度地降低发动机的排气烟度3。2试验设备及方法

6、试验研究是在CA498Z 柴油机上进行的, 该发动机的基本技术参数见表1。试验所用的可变喷嘴增压器, 在涡轮壳里有一喷嘴环, 环上套有9个位置可调的叶片。环上拉杆连接到真空气室, 改变真空气室的真空度, 可以改变叶片的相对位置, 从而改变涡轮的流通截面, 相应地改变了增压器的增压比。在发动机的每个工况下, 通过试验确定该工况下最佳的叶片位置, 制成电控脉谱, 并用控制单元进行自动控制。试验结果表明涡轮增压器在发动机所有工况下都能实现和发动机的最佳匹配。2005年(第27卷 第1期汽车工程Automotive Engineering 2005(Vol. 27 No. 1表1试验用柴油机主要参数额

7、定功率/转速/-18115/3400缸数4排量/L 31168最大转矩/转速/-1265/2000压缩比18 涡流比212最低燃油消耗率/(-1225×行程/98×105增压器TB283试验结果和分析311VNT 叶片位置对发动机性能和排放的影响在发动机外特性工况下, 改变不同工况的VN T喷嘴环的开度(开度位置大, 涡轮流通截面小, 增压比大 , 研究其对发动机动力性、经济性、PM 排放的影响规律, 为确定VN T 的最佳匹配奠定基础。图1是不同VN T 叶片位置对不同转速下的外特性的转矩、燃油消耗率及排气烟度的影响规律。通过分析不同VN T 位置对发动机外特性性能, T

8、 图1不同转速下外特性转矩、油耗率、烟度随VN T 喷嘴环开度的变化规律从图1可以看出, 发动机的外特性转矩随VN T 喷嘴环的开度加大先增后减。在3400r/min 时, 转矩有少许下降。转速减小时, 最大转矩值所对应的VN T 喷嘴环开度加大。在2400r/min 时最大转矩对应的开度是45%, 在1600r/min 时最大转矩对应的开度变为73%。随着VN T 的喷嘴环开度的增加, 发动机的外特性燃油消耗率先减后增。高转速时变化小, 低转速时油耗率受喷嘴环开度影响较大。以2000r/min 为例, 当VN T 处于最小开度时的油耗率为239g/(kW h , 当开度为65%时, 它降低到

9、21315g/(kW h , 降低了1017%。当开度增加为90%时, 油耗率又增加到22413g/(kW h 。不同转速下油耗率最低时对应的VN T 喷嘴环开度不同, 转速越低, 最低油耗率对应的开度越大。随着VN T 喷嘴环开度的增大, 发动机外特性下排气烟度大幅度下降。低速时下降的幅度更大。以1600r/min 为例, 当VN T 处于最小开度时, 排气烟度为319Rb , 而当开度为90%时, 烟度下降到015Rb 。当VN T 喷嘴环开度增大时, 增压器涡轮流通截面变小, 增压比加大, 更多新鲜空气进入汽缸内参与燃烧, 克服了原发动机在低速时的供气量不足, 发动机转矩增大, 相应的油

10、耗率降低。但随着VN T 开度的进一步加大, 此时的供气量太大, 发动机转矩反而下降。进气越多, 汽缸内氧的含量增大, 不完全燃烧的因素减少, 从而排气烟度大幅度下降。312匹配VNT 的发动机外特性与原机的对比比较外特性下最佳VN T 位置时柴油机和原机的性能和排放会发现匹配VN T 的CA498Z 柴油机的综合性能优于原机4。31211外特性转矩的对比图2为匹配VN T 的发动机和原发动机的外特性转矩对比曲线, 从图中可以看出, 在所有的转速范围内, 配VN T 的发动机外特性转矩比原机都要大。特别当在发动机转速低于2000r/min 时, 有VN T 的转矩有了较大的提高。在1200r/

11、min 时, 有VN T 的外特性转矩是226N m , 比原机提高了1813%。在1400r/min 时, 提高了1613%。这对车用发动机尤其是公交车用的发动机特别有利, 公交车频繁的起停需要有好的低速转矩性。图2外特性转矩对比31212外特性燃油消耗率的对比由图3可知, 在所有的转速范围内,VN T 发动机的燃油消耗率比TB28的都要低。在3400r/min 时, 原机的油耗率是25815g/(kW h , 而VN T 的为142005年(第27卷 第1期汽车工程24719g/(kW h 。当发动机转速较低时, 差距已不大。原机最低油耗对应的转速比VN T 的低。这是由于原机是旁通式放气

12、阀型增压器, 低速匹配良好, 但在高速时, 经济性受到影响 。 图331213图4, 从图上可以看出, 随着发动机转速的升高, 匹配旁通式增压器的发动机压后温度一直升高, 当转速为3400r/min 时达最大的101, 而VN T 的发动机的最高压后温度在中等转速下, 最高温度为112。然而在高转速时, 其压后温度却比原发动机的低。外特性 下增压器压气机压后的压力变化(图5, 压力为相对压力 和温度变化呈几乎相同的规律。图4增压器压气机压后温度对比图5增压器压气机压后压力对比随着发动机转速的增大, 原机压气机压后的压力一直升高, 当转速高于2200r/min 时增速变缓, 这由于放气阀起了作用

13、的缘故。而VN T 的压后压力却先增大后降低, 中等转速下最高。在中低转速时, VN T 压后压力比原机要高得多, 这克服了旁通式增压低速时增压不足的缺陷。而当转速高于3000r/min , 原增压器的增压过高, 这时VN T 可以减少进气, 给发动机提供该工况下最合适的进气量。使用可变喷嘴增压器, 可以在发动机的整个转速范围内和发动机都有良好的匹配。31214外特性排气烟度的对比图6, , 发动机的排, 中等转速下最低。在发动机的整个转速范围内, 匹配VN T 增压器的发动机的排气烟度比原机都要低。在低转速时, 原机的排气烟度很大, 超过了该转速下的冒烟极限。当转速为1400r/min 时,

14、 原机的烟度为411Rb , 而配VN T 发动机的烟度为214Rb , 比原机降低了4015%。图7中低转速时的烟度对比图7保持原发动机外特性的低速转矩不变 , 而VN T 也和TB28取相同的转矩, 从图上可以看出,VN T 的排气烟度仍旧比原机有很大幅度的下降。可见, 在低速范围内, 尽管VN T 的转矩有了大幅增加, 排气烟度仍然比原发动机转矩不变时要低, 原发动机在低速时供气量不足, 燃烧不完全, 产生大量的黑烟, 而VN T 能在低速时充分供气, 汽缸内氧浓度增大, 烟度大幅度下降。31215外特性下NOx 排放的对比匹配VN T 发动机外特性的NOx 排量比原发动机有所上升(图8

15、 , 特别是在低速, 这是由燃烧更完全引起的, 可通过其它措施如EGR 系统来降低NOx 排量。图8发动机外特性NOx 排放对比24汽车工程2005年(第27卷 第1期313匹配VNT 柴油机与原机万有特性的对比图9为原机和配有VN T 的柴油机的万有特性曲线。对比可知, 匹配VN T 发动机的低油耗区比原发动机的要宽得多。以油耗率为230g/(kW h 的等油耗线为例, 在原发动机中, 它对应的最高转速为2300r/min , 而在匹配VN T 的发动机中, 最高转速增大到2800r/min 。原发动机的低油耗区对应的转速比配有VN T 的发动机低。 对于旁通式增(a 原机(配有TB28增压

16、器(b 匹配VN T 的发动机图9万有特性曲线压器, 涡轮流通截面固定不变, 在发动机上进行匹配时, 往往照顾了低速就不能很好地满足高速性能。CA498Z 柴油机在进行TB28增压器匹配时着重考虑了发动机的低速性能而牺牲了部分高速性能。而VN T 则在整个转速范围内与发动机都能进行很好的匹配, 使发动机的性能较原机都有很大的改善。4, 能够大幅度提高发动机外特性的低速转矩, 这对车用发动机非常有利。(2 可变喷嘴增压器能够改善发动机外特性的燃油经济性能, 在高转速时效果更显著。在万有特性上,VN T 增大了低油耗区的转速范围, 改善了整个发动机的经济性。(3 可变喷嘴增压器根据需要确定发动机每

17、个工况点的增压比, 进气量比匹配原增压器更为合理, 很大程度地降低了发动机的排气烟度。在低速时效果更加明显。参考文献1蒋德明1内燃机涡轮增压1北京:机械工业出版社,19862李辉1可变几何涡轮增压器改善J6110Z 柴油机低速扭矩性能的研究:学位论文1北京:北京理工大学,19983马朝臣, 杨长茂, 朱庆等1可调涡轮增压器改善车用柴油机低速扭矩性的研究1汽车技术,1997, (6 4吴君华1车用增压柴油机VN T 和EGR 系统匹配试验研究:学位论文1长春:吉林大学,2003(上接第85页由图4可知, 作者所提出的独立参数化2自由度鲁棒控制的控制效果基本与车速无关, 这充分验证了在反馈控制器的

18、设计中不考虑车速变化的合理性。与传统的前馈后轮主动转向控制相比, 独立参数化2自由度鲁棒控制, 在较大的侧向加速度下亦可较好地实现稳态质心侧偏角的控制, 表现出了良好的鲁棒性。8结论作者提出的控制规律的突出优点在于, 通过车速变化和轮胎侧偏刚度变化的独立补偿, 既充分发挥了传统前馈控制的优点, 又降低了反馈控制器的阶数。仿真结果表明,2自由度鲁棒控制, 在较大的侧向加速度下亦可较好地实现稳态质心侧偏角的控制, 表现出了良好的鲁棒性。参考文献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