罗杰.布什博世马勒涡轮增压系统先进汽油机涡轮增压技术(中文)

1、 Bosch Mahle Turbo Systems浮动式可变截面涡轮增压：适用于大规模量产的先进汽油机涡轮增压技术浮动式可变截面涡轮增压 (FNT) 第三届中国国际汽车动力总成峰会罗杰.布什 博士 Bosch Mahle Turbo Systems217.06.2016汽车业关于实现以下几个方面的关键技术之一汽车业关于实现以下几个方面的关键技术之一 Dr. Roger Busch2- 15 % 减少燃油消耗 减少二氧化碳排放 提升驾乘乐趣发动机小型化( 体积, 重量)相比自然吸气式发动机，更高的低速扭矩 （LET），使驾驶性得以提高TurbomotorSaugmotor涡轮增压式发动机自然吸

2、气式发动机介绍 潜能 设计 总结涡轮增压的优势涡轮增压的优势 Bosch Mahle Turbo Systems 3201520162017201820192020202220232021未来的法规提出更高要求未来的法规提出更高要求基于基于NEDC测试循环的百公里二氧化碳排放测试循环的百公里二氧化碳排放量量【克克/百公里百公里】 国五 第2阶段 6.9 升/100公里 5 升/100公里 下一步? 京六 第1阶段油耗北京17.06.2016220200180160140120100201520102005200020202025 京六 第1阶段 下一步?年份年份 国五 第1阶段国五 第2阶段

3、国六 第1阶段 下一步?中国Dr. Roger Busch030252015105车辆总数车辆总数* 106 (仅汽油车仅汽油车)35%61%8%19%63%68%20%39%20172022201720222017202220172022 搭载涡轮增压器的汽车搭载涡轮增压器的汽车汽车汽车 China Japan EU US介绍 潜能 设计 总结法规与市场法规与市场中国日本欧洲美国 Bosch Mahle Turbo Systems5010015020025030035010002000300040005000600050100150200250300350100020003000400050

4、0060004NEFZ1.6升涡轮增压直喷升涡轮增压直喷17.06.2016275230235240250300350245250200150100501000 2000 3000 4000 5000发动机转速发动机转速每分钟每分钟扭矩扭矩牛米牛米发动机转速发动机转速每分钟每分钟-扭矩扭矩 牛米牛米自然吸气 全负荷275240245250300发动机小型化显著减少二氧化碳排放发动机小型化显著减少二氧化碳排放3003502502001501005030035060001000 2000 3000 4000 5000 6000涡轮增压器通过提高进气密度弥补减小的排量涡轮增压器通过提高进气密度弥补减

5、小的排量3.2L升自然吸气式发动机多点喷射升自然吸气式发动机多点喷射NEFZWLTCNEFZNEFZWLTC小型化Dr. Roger Busch介绍 潜能 设计 总结汽油发动机的发展趋势汽油发动机的发展趋势发动机小型化的优点发动机小型化的优点减少发动机摩擦损失减少发动机摩擦损失(尤其当汽缸数减少的时候尤其当汽缸数减少的时候)将主要运行区间移至发动机高效率区域将主要运行区间移至发动机高效率区域改善低速扭矩，从而提高改善低速扭矩，从而提高“降速降速“的潜力的潜力 Bosch Mahle Turbo Systems汽油机用废气旁通式涡轮增压器(乘用车) 限制限制数值数值限制于限制于涡轮增压器转速涡轮

6、增压器转速最高每分钟最高每分钟35万转万转涡轮增压器涡轮增压器涡轮机进口温度涡轮机进口温度最高最高1050摄氏度摄氏度涡轮增压器涡轮增压器涡轮机出口压力涡轮机出口压力最高最高4巴巴发动机发动机介绍 潜能 设计 总结汽油发动机用涡轮增压器汽油发动机用涡轮增压器5涡壳涡轮中间体转子废气旁通阀电子执行器压壳压轮Dr. Roger Busch17.06.2016 Bosch Mahle Turbo Systems废气旁通式涡轮增压器的设计废气旁通式涡轮增压器示意图废气旁通阀 成本成本 高温鲁棒性的解决方案高温鲁棒性的解决方案 催化剂加热催化剂加热 排放排放 冷启动冷启动 废气旁通式涡轮增压器通常会配备

7、较小的涡轮，来获废气旁通式涡轮增压器通常会配备较小的涡轮，来获得较好的低速扭矩和瞬态性能。得较好的低速扭矩和瞬态性能。 高负荷运转时的高排气背压会增加油耗高排气背压会限制额定功率（以及米勒循环的潜能）增压压力控制 当增压压力超过期望值，需要限制涡轮功率。 当废气旁通阀打开，部分排气被旁通导致增压压力降低 因此排气中蕴含的能量“被浪费”。+-介绍 潜能 设计 总结废气旁通式废气涡轮增压器废气旁通式废气涡轮增压器6Dr. Roger Busch17.06.2016 Bosch Mahle Turbo Systems可变截面涡轮增压器的设计可变截面涡轮增压器示意图可变截面涡轮 在所有工况下都能利用完

8、整的排气能量，增压器效率在所有工况下都能利用完整的排气能量，增压器效率高高增加额定功率，降低油耗 高增压压力减轻了增压器迟滞减轻了增压器迟滞低排气能量 成本成本增压压力控制 当增压压力超过期望值，需要限制涡轮功率。 低负荷运行时，排气中蕴含的能量降低，可变截面涡轮导流叶片关闭，增加气体流速，提高涡轮功率，从而增加增压压力。 高负荷运行时，排气中蕴含的能量上升，可变截面涡轮导流叶片打开，利用所有的排气能量，没有排气能量被浪费。+-可变截面打开可变截面关闭介绍 潜能 设计 总结可变截面废气可变截面废气涡轮增压器涡轮增压器7Dr. Roger Busch17.06.2016 Bosch Mahle

9、Turbo Systems8介绍 潜能 设计 总结汽油发动机的废气涡轮增压器匹配汽油发动机的废气涡轮增压器匹配要求要求低速扭矩低速扭矩/动态性能动态性能要求要求额定功率额定功率 高增压压力 (低速扭矩) 低转动惯量 (动态性能) 低排气背压121.6L 涡轮增压直喷涡轮增压直喷发动机转速发动机转速 每分钟每分钟10002000300040005000 6000扭矩扭矩 牛米牛米20010030012可变截面废气涡轮增压器可以同时改善低速扭矩可变截面废气涡轮增压器可以同时改善低速扭矩/动态性能和额定功率动态性能和额定功率17.06.20161.41.61.82.2Dr. Roger Busch匹

10、配低流量涡轮机匹配低流量涡轮机匹配高流量涡轮机匹配高流量涡轮机 小涡轮 低流量轮型 小流道 大涡轮 高流量轮型 大流道废气旁通式涡轮增压器匹配废气旁通式涡轮增压器匹配流量特性由几何尺寸确定流量特性由几何尺寸确定: 必须在低速扭矩/动态性能和额定功率中的取得折衷 小涡轮可以获得好的瞬态特性 优化流道尺寸来满足排气背压限值可变截面废气涡轮增压器匹配可变截面废气涡轮增压器匹配流量特性由可变截面涡轮确定流量特性由可变截面涡轮确定: 大流道和高流量涡轮来减少额定功率点的排气背压 小涡轮可以获得好的瞬态特性 低速扭矩由最小流量设定值和涡轮机效率决定 Bosch Mahle Turbo Systems 发动

11、机爆震发动机爆震 发动机加浓保护发动机加浓保护 油耗油耗 颗粒物浓度颗粒物浓度9 NEFZ123对增压系统提出更多要求对增压系统提出更多要求417.06.2016Dr. Roger Busch可能的系统解决方案可能的系统解决方案501001502002503003501000200030004000500060001.6L 涡轮增压直喷涡轮增压直喷275240245250Knocking limit1234300WLTC转速转速 每分钟每分钟1000 2000 3000 4000 5000 6000扭矩扭矩 牛米牛米25020015010030035050汽油机可变截面增压器米勒循环米勒循环冷

12、却冷却 EGR颗粒捕捉器颗粒捕捉器对增压系统提出对增压系统提出了非常高的要求了非常高的要求自然吸气 全负荷介绍 潜能 设计 总结涡轮增压汽油发动机的挑战涡轮增压汽油发动机的挑战 Bosch Mahle Turbo Systems比油耗比油耗排气温度排气温度排气背压排气背压废气旁通式基准可变截面最多-4%-20C-0.95bar可变截面+米勒循环最多 -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可变截面废气涡轮增压器配合米勒循环可以显著降低油耗可变截面废气涡

15、轮增压器配合米勒循环可以显著降低油耗废气旁通式可变截面可变截面 + 米勒循环 17.06.2016980C2000 3000 4000 5000 6000发动机转速发动机转速每分钟每分钟2000 3000 4000 5000 6000发动机转速发动机转速 每分钟每分钟扭矩扭矩 牛米牛米3.02.52.01.53.54.01.0比油耗比油耗 克克/千瓦每小时千瓦每小时280260240300220排气温度排气温度 摄氏度摄氏度10009509001050850排气背压排气背压 巴巴3.02.52.03.51.51000效率优先策略效率优先策略GT-Power 仿真边界条件:100千瓦/升 ; 空

16、燃比=1 ; 压缩比=10Dr. Roger Busch介绍 潜能 设计 总结系统策略系统策略 效率优先效率优先 Bosch Mahle Turbo Systems WG VTG WG VTG11可变截面废气涡轮增压器可以显著提高驾驶性可变截面废气涡轮增压器可以显著提高驾驶性低速扭矩低速扭矩GT-Power 仿真仿真边界条件:4-缸 发动机 功率80千瓦/升 米勒循环-策略 压缩比=12介绍 潜能 设计 总结系统策略系统策略 GPF的影响的影响17.06.2016动态特性动态特性GT-Power 仿真仿真边界条件:1500转每分钟 平均有效压力=2巴 全负荷未配备未配备GPF时间时间 秒秒2.

17、52.11.91.71.52.3 WG ohne GPF VTG ohne GPF WG VTG配备配备GPF涡轮直径涡轮直径 41mm涡轮直径涡轮直径 40mm涡轮直径涡轮直径 44mmMTM +70%涡轮直径涡轮直径 40mm-30%Dr. Roger Busch未配备未配备GPF平均有效压力平均有效压力转速转速1250转每分钟转每分钟 巴巴22.521.020.519.519.022.0配备配备GPF+16%21.520.0 WG FNT Bosch Mahle Turbo Systems浮动式可变截面涡轮浮动式可变截面涡轮摇臂第一代可变截面涡轮第一代可变截面涡轮蜗壳顶盖12紧凑，简洁的

18、设计优秀的热稳定性来自于“浮动式设计”，已获得专利。效率增加控制特性改善摇臂导向叶隔离罩新设计显著降低了相同叶片间隙下的卡滞趋势力传递 / 支点卡滞限值17.06.2016Dr. Roger Busch介绍 潜能 设计 总结博世马勒新技术博世马勒新技术浮动式可变截面涡轮浮动式可变截面涡轮 Bosch Mahle Turbo Systems13Introduction Potential Design Summary BMTS FNT: Design and Function17.06.2016Dr. Roger Busch涡轮壳型线涡轮壳型线导流叶片导流叶片(粉末冶金制粉末冶金制)盖板盖板定距

19、套定距套导流叶片载体导流叶片载体导流叶片控制导流叶片控制杆杆调节环调节环浮动式设计浮动式设计定距套，盖板和涡壳适压配合滑动轴承调整环滑动轴承调整环隔热罩作为盘式弹簧来轴向隔热罩作为盘式弹簧来轴向固定浮动式可变截面涡轮到固定浮动式可变截面涡轮到涡壳上涡壳上 Bosch Mahle Turbo Systems14 未配备未配备GPF + 配备配备GPFbeff pmet90 beff pmet90(FNT WG)-6%0%-3%-6%+16%-30%汽油机-浮动式可变截面涡轮1250rpmmax总结总结 GPF会显著增加排气背压 汽油机浮动式可变截面涡轮增压器(FNT) 与废气旁通式涡轮增压器相比，在以下几个方面有显著优势: 油耗 瞬态性能 低速扭矩 系统解决方案 “汽油机FNT配合米勒循环”提供额外潜力。 基于博世马勒汽油机FNT的高鲁棒性和紧凑的设计，博世马勒可以为不同的发动机概念提供汽油机FNT大规模量产方案。介绍 潜能 设计 总结总结