发动机增压及总能系统

1、发动机增压与总能系统发动机增压与总能系统 张扬军n 我国受原计划经济体制影响，创新体系按我国受原计划经济体制影响，创新体系按行业划分，而技术发展却是横跨行业体系。行业划分，而技术发展却是横跨行业体系。钱学森n汽车行业的汽车行业的8080原始创新来自航空航天。原始创新来自航空航天。陈光祖n引进消化吸收航空航天高技术，跨行业创引进消化吸收航空航天高技术，跨行业创新，抢占汽车科技的国际制高点。新，抢占汽车科技的国际制高点。张扬军 q 内燃机节能与减排内燃机节能与减排q 涡轮增压可控流设计涡轮增压可控流设计q 总能系统空气及热管理总能系统空气及热管理发动机涡轮增压与总能系统发动机涡轮增压与总能系统n

2、石油正在越来越贵并且难以获取，国家能源安全最重要的是石油安全。内燃机广泛用于交通运输、农业动力和国防，是石油最大用户。内燃机节能成为关系到国家安全和社会安全的重大科学问题。n 温室效应是目前全球共同面临的环境问题，内燃机是CO2排放的重要来源。降低CO2排放将成为我国内燃机发展所面临的严峻挑战，而节能是降低内燃机CO2排放的唯一有效措施。 能源环境与内燃机n 传统内燃机研发，主要以排放控制为核心，燃料(油)为主线进行研究，理论基础主要为燃烧学。n 近年来，能源与环境相容协调问题备受关注，另一条以节能和CO2减排为核心，循环工质(气)为主线的研究受到重视，理论基础为热流体力学。内燃机节能与热流体

3、 热流体热流体：工程热：工程热力学与流体力学力学与流体力学的交叉与融合的交叉与融合热流体：研究能量转换的热流体：研究能量转换的工质流动与热力循环。工质流动与热力循环。关键词：流动、循环。关键词：流动、循环。研究主线燃料（油）工质 （气）科学问题主要目的关键技术理论基础化学能热能化学能热能热能功热能功热流体力学热流体力学燃烧学燃烧学排放控制排放控制节能、节能、CO2CO2减排减排供油、燃烧供油、燃烧供气、循环供气、循环热流体的传统和核心研究领域：航空发动机n 清华大学于1999年成立我国汽车行业第一个发动机热流体研究室，引进消化吸收航空叶轮机和CFD技术，跨行业交叉，进行内燃机、燃料电池发动机增

4、压及总能系统研究。向同行学习，只能产生渐变；跨行业创新学习，创造质的飞跃！ （2000.10.20诺贝尔奖获得者李政道先生对清华发动机热流体研究室的“跨行业创新”的肯定与鼓励）n 研究室定位于国家、国际和国防，研究室的项目全部来自战略合作，民口项目主要来自国际战略合作伙伴。n GM北美技术中心的全球第一个“增压与总能系统研究”战略合作伙伴，该中心动力室的第一个中国合作伙伴，目前与该中心的合作项目已规划至2011年。q 内燃机节能与减排内燃机节能与减排q 涡轮增压可控流设计涡轮增压可控流设计q 总能系统空气及热管理总能系统空气及热管理发动机涡轮增压与总能系统发动机涡轮增压与总能系统 源自航空的增

5、压技术，早期以提高功率为目的，如今以排放控制为核心，并成为动力节能和CO2减排的关键技术。增压缩小排量节能路面行使负荷路面行使负荷最佳燃油经济性最佳燃油经济性加速裕度加速裕度发动机转速发动机转速 - rpm - rpm发动机扭矩发动机扭矩 小排量小排量发动机使最佳工作区域接近路面行驶工况负荷发动机使最佳工作区域接近路面行驶工况负荷 增压增压使小排量发动机恢复到大排量发动机的功率使小排量发动机恢复到大排量发动机的功率 是是“空气供给空气供给”、而不是、而不是“发动机排量发动机排量”决定了发动机的功率和扭矩决定了发动机的功率和扭矩发动机转速发动机转速 - rpm - rpm同样的汽车和路面负荷同样

6、的汽车和路面负荷加速裕度加速裕度发动机扭矩发动机扭矩小排量发动机小排量发动机增压小排量发动机增压小排量发动机最佳燃油经济性最佳燃油经济性 增压增压发动机，发动机，比同性能非增压发动机具有更好的经济性和排放性能！比同性能非增压发动机具有更好的经济性和排放性能！+3.75 mpg17%-0.19 -20% 30-50 lbs.欧洲欧洲增压增压发动机发动机系列系列1.8LTurbo3.2 V6+1 mpg4%-0.04-5% 30-50 lbs.OEM和同样性能和同样性能的的非增压发动非增压发动机机燃油经济性燃油经济性增益增益CO2排放排放质量质量减少减少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发动机发动机gr. / Km 涡轮增压面临的挑战涡轮增压面临的挑战n增压器：流量范围窄、效率低 (增压器扩稳增效问题)n增压发动机：变工况，瞬态响应滞后、低速时性能差(增压发动机空气管理问题)热负荷高、循环总效率低（增压发动机热管理问题）n 拓宽流量范围、提高效率，是车用内燃机增压研究面临的主要难点。增压器可控流设计n IHPTET IHPTET Integrated High Performanc

8、e Turbine Engines Integrated High Performance Turbine Engines Technology (1990-2005)(50Technology (1990-2005)(50亿美元亿美元) )n VAATE VAATE Versatile Affordable Advanced Turbine Engines Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (2007-2017)(70(2007-2017)(70亿美元亿美元) )航空叶轮机流动控制增压器扩稳增效的可控流设计新技术 将航空叶轮机流动控制

9、技术引入，发展了机匣处理、多工况设计等扩稳增效的增压可控流设计新技术。l 机匣处理：突破扩稳一定牺牲效率的限制进口自循环（ABB）原理：流量控制扩稳缺点：牺牲一定效率机匣抽气射流扩稳原理：涡重组扩稳优点：可同时提高效率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复合弯掠、大小叶片匹配、负荷控制l 多工况设计：最大功率、最大扭矩等工况 单级压比提高单级压比提高0.7效率提高效率提高23个百分点个百分点稳定工作范围由提高稳定工作范围由提高18%实际用于某型动力，实际用于某型动力，大幅度降低排温大幅度降低排温我国

11、第一台单级压比4车用柴油机增压器汽油机涡轮增压器可控流设计q 内燃机节能与减排内燃机节能与减排q 涡轮增压可控流设计涡轮增压可控流设计q 总能系统空气及热管理总能系统空气及热管理发动机涡轮增压与总能系统发动机涡轮增压与总能系统l 20世纪7080年代，从总能利用和系统角度使能源动力装置循环研究思路发生质变的总能系统概念，在现有的增压内燃机研究体系中体现很少。l 当前内燃机增压研究，是在简单内燃机循环层面，以热力学第一定律为基础，已不能全面、正确地对指导内燃机涡轮增压的节能技术研究。l 能源和环境的双重压力，增压研究期待着新的思维观念、新的基础理论和新的技术方法，对内燃机热流体力学提出前所未有的

12、新挑战。增压与总能系统 总能与总能系统总能与总能系统l 总能的概念是20世纪初提出的，其原意是指能量的有效利用，必须综合考虑能的量和质两方面。l 总能系统，注重能的梯级利用以及不同循环有机结合的总体能量利用系统，主要由热能转换与利用的热力循环所涉及的系统组成。l 从总能系统出发，按数量和质量合理匹配，搭配部件/系统间的固有界限，实现充分用能、联合用能，可使能耗节约10-30%。 增压发动机总能系统增压发动机总能系统n增压内燃机工作过程，是内燃机与燃气轮机协同工作的联合循环。n 狭义的增压内燃机总能系统，由空 气及热管理系统组成。n 空气管理(增压与进排气)、热管理(增压中冷、冷却及余热利用)涉

13、及增压内燃机循环的重要热力过程，相互直接存在强的耦合效应。n 空气及热管理，应对内燃机循环提供最佳的总体性能。对于车用内燃机来说，增压内燃机总能利用还要考虑空调系统对发动机循环热力过程的影响，广义的增压内燃机总能系统还包括空调系统。 内燃机循环、涡轮增压循环、空调制冷循环，三个热力循环的冷却放热过程在动力舱中耦合。n 总能系统空气及热管理，从能的梯级利用和联合循环的角度，对内燃机增压进排气、冷却(中冷)及余热利用等总能系统进行综合集成与整体优化，提高全工况特性和总能利用率，降低热负荷和排放。n 与传统增压匹配、性能优化及热管理研究的不同：l 总能：能的梯级利用和联合循环，考虑全工况特性；突破当

14、前内燃机涡轮增压及进排气、中冷及冷却研究往往相互独立的局限性； l 通流：系统匹配由单一流量匹配拓展到流量与流场匹配；CFD与热力学优化的结合（还原论与整体轮）。总能系统空气及热管理空气及热管理的通流匹配新技术 引进航空叶轮机多级流动特性及性能计算的通流模型，建立空气及热管理的通流匹配新方法。 通流匹配，将空气管理(增压)及热管理(增压中冷)匹配由单纯的流量匹配扩展到流量与流场匹配。 有效解决增压性能MAP图范围难以满足车用工况增压瞬态匹配要求、变截面增压面工况匹配需要一系列MAP图、以及两级增压匹配设计的难点。总能系统空气及热管理的通流匹配优化平台总能系统空气及热管理的通流匹配优化平台航空C

15、FD VVA技术，为增压内燃机空气及热管理通流匹配提供了有力的技术支撑我国高原地形w 高原分布广阔，占全国总面积60%w 平均海拔高，3000m以上占26%w 青藏高原总面积240万平方公里，平均海拔超过4000m高原大气条件w 海拔升高1000m，大气压力下降9%，年平均气温下降57变海拔问题w 青藏高原海拔变化范围大，变海拔工程需求大高原增压柴油机空气及热管理研究高原增压柴油机空气及热管理研究n与总装某所、宇通和Cummins ，联合进行高原柴油机热管理研究，解决高原过热和功率恢复问题。n与总装某所、兵器70所和Cummins联合进行高原柴油机空气管理研究，解决变海拔自适应问题。研发的高原节能型热管理系统，在2006年通过解放军总装备部组织的鉴定，并批量列装部队，有效解决了多个型号装备的高原适应性问题，且节能效果明显，达到国际领先水平。从此，曾困扰我高原工程兵部队多年的工程机械热平衡问题终于得到圆满解决，部队战斗力得到了科技的有力保障。 2007.8.28M11-C300高原大气模拟系统w 进、排气压力模拟w 海拔模拟范围：04500mw 温度模拟范围：-30+25高原空气管理技术，与传统增压功率恢复技术相比，各海拔额定点性能比最多改善1.77%，最大扭矩点最多改善5.49%，同时具