內(nèi)燃機二級增壓課件

二級增壓技術能源與動力工程學院車輛工程張斌

二級增壓技術能源與動力工程學院目錄CONTENT技術背景及意義國內(nèi)外狀況常用技術路線主流研究方向技術展望目錄CONTENT技術背景及意義國內(nèi)外狀況常用技術路線主流研技術背景及意義01技術背景及意義01技術背景渦輪增壓技術對于提高車用發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性、降低發(fā)動機排放具有重要的意義。在內(nèi)燃機發(fā)展歷程中，渦輪增壓技術的出現(xiàn)，大幅度提高了發(fā)動機的功率密度，并可以降低發(fā)動機燃油消耗率，被稱為內(nèi)燃機發(fā)展史上的第二個里程碑。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車排氣污染已經(jīng)成為影響大氣質(zhì)量的主要因素之一，各國均制定了越來越嚴格的法規(guī)來限制汽車污染物的排放，采用渦輪增壓技術降低發(fā)動機的排放，正越來越受到人們的重視。技術背景渦輪增壓技術對于提高車用發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性、降低發(fā)對要求升功率大的柴油機，需要采用高壓比增壓系統(tǒng)，某些特種發(fā)動機需要達到的壓比甚至要達到6以上，這就有必要引入二級可調(diào)增壓技術。二級可調(diào)增壓技術可以通過合理設計高、低壓級增壓器，同時調(diào)節(jié)排氣閥開度協(xié)調(diào)高低壓級增壓器工作條件，使其都在比較高的效率下運行，同時降低自身的載荷，提高增壓系統(tǒng)工作可靠性。技術意義采用二級增壓技術可以進一步改善發(fā)動機排放。增大空氣供應量，配合合適的供油壓力和規(guī)律，使之盡可能完全燃燒，減少CO、HC、PM等物質(zhì)的排放；降低燃燒溫度，使得氮氧化物生成減少。對要求升功率大的柴油機，需要采用高技術意義采用二級增壓技術可國內(nèi)外狀況02國內(nèi)外狀況02A、設計了結(jié)構(gòu)緊湊的二級增壓系統(tǒng)，將調(diào)節(jié)閥集成在高壓級渦輪殼內(nèi)部；B、對普通二級增壓系統(tǒng)匹配方法進行了研究，建立了設計工況點匹配和其他工況點的評價計算模型；C、對不同海拔下柴油機可調(diào)二級增壓系統(tǒng)的經(jīng)濟性調(diào)節(jié)方法進行了研究。北京理工大學01國內(nèi)研究現(xiàn)狀DomesticResearchSituationA、設計了結(jié)構(gòu)緊湊的二級增壓系統(tǒng)，將調(diào)節(jié)閥集成在高壓級渦輪殼A、提出了可調(diào)二級增壓系統(tǒng)方案、帶旁通閥的可調(diào)二級增壓系統(tǒng)方案及二級相繼增壓系統(tǒng)方案三種二級增壓系統(tǒng)總體方案；B、對提出的二級增壓系統(tǒng)總體方案進行了比較與分析，建立了航空汽油發(fā)動機與原機單級增壓系統(tǒng)匹配的仿真模型。北京交通大學02國內(nèi)研究現(xiàn)狀DomesticResearchSituationA、提出了可調(diào)二級增壓系統(tǒng)方案、帶旁通閥的可調(diào)二級增壓系統(tǒng)方對柴油機應用可調(diào)二級增壓系統(tǒng)進行了全工況的試驗研究。上海交通大學03國內(nèi)研究現(xiàn)狀DomesticResearchSituation對柴油機應用可調(diào)二級增壓系統(tǒng)進行了全工況的試驗研究。上海交通對一臺六缸高壓共軌柴油機進行二級增壓系統(tǒng)的計算匹配和試驗研究。天津大學04國內(nèi)研究現(xiàn)狀DomesticResearchSituation對一臺六缸高壓共軌柴油機進行二級增壓系統(tǒng)的計算匹配和試驗研究對4100增壓中冷柴油機匹配二級可變增壓系統(tǒng)進行了研究，獲得了二級增壓系統(tǒng)設計的方法，得到了二級增壓系統(tǒng)最佳排氣能量的分配比例。昆明理工大學05國內(nèi)研究現(xiàn)狀DomesticResearchSituation對4100增壓中冷柴油機匹配二級可變增壓系統(tǒng)進行了研究，針對某車用重型柴油機進行了二級增壓系統(tǒng)匹配研究，研究表明二級增壓系統(tǒng)可以大幅度提高柴油機的低速扭矩，改善燃油經(jīng)濟性，拓寬柴油機燃油經(jīng)濟運行區(qū)域，大幅度降低柴油機PM排放。吉林大學06國內(nèi)研究現(xiàn)狀DomesticResearchSituation針對某車用重型柴油機進行了二級增壓系統(tǒng)匹配研究，研究表明二級國外研究現(xiàn)狀OverseasResearchSituation2004年寶馬公司在其上市的3.0L直列六缸共軌直噴式柴油機上首次采用了二級廢氣渦輪增壓技術，這也是世界范圍內(nèi)車用柴油機二級增壓技術的首次應用。寶馬公司01Wartsila公司在中速柴油機上采用了米勒循環(huán)結(jié)合二級可調(diào)渦輪增壓的方案來降低NOx排放。Wartsila公司02德國大眾公司在2005年將新研發(fā)的TSI雙增壓系統(tǒng)應用到高爾夫車型上。TSI雙增壓系統(tǒng)采用兩級串聯(lián)的增壓方式，第一級為羅茨式機械增壓器，第二級為廢氣渦輪增壓器。大眾公司03國外研究現(xiàn)狀OverseasResearchSitua常用技術路線03常用技術路線03常用技術路線電輔助+渦輪增壓的二級增壓模式，能夠消除渦輪遲滯問題。基于VGT二級渦輪可調(diào)增壓系統(tǒng)，主要用于海拔變化較大的地區(qū)，軍事應用較多。為解決機械增壓高轉(zhuǎn)速時輸出功率有限，渦輪增壓低轉(zhuǎn)速時扭矩不足的問題，講機械增壓器和渦輪增壓器串聯(lián)。針對廢氣渦輪增壓的渦輪遲滯現(xiàn)象，串聯(lián)一大一小兩只渦輪或并聯(lián)兩只同樣的渦輪，在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速的時候，較少的排氣即可驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生足夠的進氣壓力，減小渦輪遲滯效應。EC2TR2TMC2TTST常用技術路線電輔助+渦輪增壓的二級增壓模式，能夠消除渦輪遲滯普通二級增壓系統(tǒng)（TST）優(yōu)點1、能夠提供高壓比、寬流量；2、有效提高柴油機進氣壓力。缺點1、變工況適應能力不足；2、低速轉(zhuǎn)矩和瞬態(tài)工況響應性較差。普通二級增壓系統(tǒng)（TST）優(yōu)點1、能夠提供高壓比、寬流量；缺機械+渦輪增壓系統(tǒng)（MC2T）優(yōu)點1、低速轉(zhuǎn)矩足，高速功率輸出大；2、不存在渦輪遲滯，瞬態(tài)響應性最好。缺點機械增壓在增壓過程中會消耗一部分發(fā)動機的功率。機械+渦輪增壓系統(tǒng)（MC2T）優(yōu)點1、低速轉(zhuǎn)矩足，高速功率輸電輔助+渦輪增壓系統(tǒng)（EC2T）優(yōu)點1、能夠消除渦輪遲滯；2、可根據(jù)工況和海拔的變化精確控制增壓壓力。缺點1、電機轉(zhuǎn)速不足；2、增壓器軸承劇烈振動；3、電機受高排溫可靠性差；4、電機變工況加速潛力不足。電輔助+渦輪增壓系統(tǒng)（EC2T）優(yōu)點1、能夠消除渦輪遲滯；缺基于VGT二級渦輪可調(diào)增壓系統(tǒng)（R2T）優(yōu)點1、大幅提高低速轉(zhuǎn)矩；2、有效避免了增壓器效率降低、壓氣機喘振、渦輪超溫和超速等問題。缺點1、低速時，低壓級渦輪做工較弱，起不到增壓作用；2、不能根據(jù)海拔和工況的變化合理分配渦輪功，在高原環(huán)境下排氣能量不能夠得到最大化利用。基于VGT二級渦輪可調(diào)增壓系統(tǒng)（R2T）優(yōu)點1、大幅提高低速主流研究方向04主流研究方向04電輔助+渦輪增壓系統(tǒng)分類AB電驅(qū)動壓氣機增壓器電動渦輪增壓器電輔助+渦輪增壓系統(tǒng)分類AB電驅(qū)動壓氣機增壓器電動渦輪增壓器電驅(qū)動壓氣機增壓器工作原理：電動增壓器安裝于渦輪增壓器的前面,其壓氣機與廢氣渦輪增壓器的壓氣機組成一個二級增壓系統(tǒng),壓氣機由電子控制的電動機帶動工作。當柴油機在低速區(qū)或急加速運轉(zhuǎn)時,電動增壓器迅速啟動開始工作,協(xié)助渦輪增壓器增加柴油機加速初期的空氣進氣量,改善渦輪增壓器響應滯后、柴油機低速扭矩不足以及煙度大等問題,還可提高車輛的加速能力和排放性能;當發(fā)動機運行在中高轉(zhuǎn)速區(qū)時,電動增壓器停止工作,此時,為避免產(chǎn)生不必要的進氣阻力,電動增壓器的壓氣機部分被與其并聯(lián)的空氣管路短接,空氣由并聯(lián)管路直接進入廢氣渦輪增壓器的壓氣機。電驅(qū)動壓氣機增壓器工作原理：電動增壓器安裝于渦輪增壓器的前面電動渦輪增壓器工作原理：當發(fā)動機工作在啟動、低速大負荷、加速工況時,電控單元發(fā)出控制信號,電機啟動驅(qū)動壓氣機工作,電池中儲存的電能轉(zhuǎn)化為壓氣機的動能,提高進氣壓力,滿足發(fā)動機氣缸燃燒所需的空氣量要求.當發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升到一定程度,壓氣機能夠提供足夠的空氣時,電機就可以關閉或脫開.當發(fā)動機工作在高速或大負荷工況時,電控單元發(fā)出控制信號起動發(fā)電機,回收渦輪能量中的一部分通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中。電動渦輪增壓器工作原理：當發(fā)動機工作在啟動、低速大負荷、共同點：兩者都需要更大的安裝空間或者其他零件區(qū)別：1、電驅(qū)動壓氣機增壓器可以拓寬增壓特性圖，葉片轉(zhuǎn)動慣量小，而且機械和熱負荷也相對較低；2、電驅(qū)動廢氣渦輪增壓器在可能量回收這一方面較有優(yōu)勢，但此功能比較復雜，其有效性仍需要驗證。共同點：兩者都需要更大的安裝空間或者其他零件區(qū)別：技術展望05技術展望05國內(nèi)適用于電動增壓器的壓氣機設計方法還不成熟；高速電機技術復雜、成本高昂,國內(nèi)高速電機與世界先進水平還有一定距離。電輔助二級增壓系統(tǒng)可以解決渦輪增壓柴油機低速扭矩不足、加速響應滯后和碳