内燃机二级增压

二级增压技术能源与动力工程学院车辆工程张斌目录CONTENT技术背景及意义国内外状况常用技术路线主流研究方向技术展望技术背景及意义01技术背景涡轮增压技术对于提高车用发动机动力性和经济性、降低发动机排放具有重要的意义。在内燃机发展历程中，涡轮增压技术的出现，大幅度提高了发动机的功率密度，并可以降低发动机燃油消耗率，被称为内燃机发展史上的第二个里程碑。随着汽车工业的快速发展，汽车排气污染已经成为影响大气质量的主要因素之一，各国均制定了越来越严格的法规来限制汽车污染物的排放，采用涡轮增压技术降低发动机的排放，正越来越受到人们的重视。对要求升功率大的柴油机，需要采用高压比增压系统，某些特种发动机需要达到的压比甚至要达到6以上，这就有必要引入二级可调增压技术。二级可调增压技术可以通过合理设计高、低压级增压器，同时调节排气阀开度协调高低压级增压器工作条件，使其都在比较高的效率下运行，同时降低自身的载荷，提高增压系统工作可靠性。技术意义采用二级增压技术可以进一步改善发动机排放。增大空气供应量，配合合适的供油压力和规律，使之尽可能完全燃烧，减少CO、HC、PM等物质的排放；降低燃烧温度，使得氮氧化物生成减少。国内外状况02A、设计了结构紧凑的二级增压系统，将调节阀集成在高压级涡轮壳内部；B、对普通二级增压系统匹配方法进行了研究，建立了设计工况点匹配和其他工况点的评价计算模型；C、对不同海拔下柴油机可调二级增压系统的经济性调节方法进行了研究。北京理工大学01国内研究现状DomesticResearchSituationA、提出了可调二级增压系统方案、带旁通阀的可调二级增压系统方案及二级相继增压系统方案三种二级增压系统总体方案；B、对提出的二级增压系统总体方案进行了比较与分析，建立了航空汽油发动机与原机单级增压系统匹配的仿真模型。北京交通大学02国内研究现状DomesticResearchSituation对柴油机应用可调二级增压系统进行了全工况的试验研究。上海交通大学03国内研究现状DomesticResearchSituation对一台六缸高压共轨柴油机进行二级增压系统的计算匹配和试验研究。天津大学04国内研究现状DomesticResearchSituation对4100增压中冷柴油机匹配二级可变增压系统进行了研究，获得了二级增压系统设计的方法，得到了二级增压系统最佳排气能量的分配比例。昆明理工大学05国内研究现状DomesticResearchSituation针对某车用重型柴油机进行了二级增压系统匹配研究，研究表明二级增压系统可以大幅度提高柴油机的低速扭矩，改善燃油经济性，拓宽柴油机燃油经济运行区域，大幅度降低柴油机PM排放。吉林大学06国内研究现状DomesticResearchSituation国外研究现状OverseasResearchSituation2004年宝马公司在其上市的3.0L直列六缸共轨直喷式柴油机上首次采用了二级废气涡轮增压技术，这也是世界范围内车用柴油机二级增压技术的首次应用。宝马公司01Wartsila公司在中速柴油机上采用了米勒循环结合二级可调涡轮增压的方案来降低NOx排放。Wartsila公司02德国大众公司在2005年将新研发的TSI双增压系统应用到高尔夫车型上。TSI双增压系统采用两级串联的增压方式，第一级为罗茨式机械增压器，第二级为废气涡轮增压器。大众公司03常用技术路线03常用技术路线电辅助+涡轮增压的二级增压模式，能够消除涡轮迟滞问题。基于VGT二级涡轮可调增压系统，主要用于海拔变化较大的地区，军事应用较多。为解决机械增压高转速时输出功率有限，涡轮增压低转速时扭矩不足的问题，讲机械增压器和涡轮增压器串联。针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象，串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮，在发动机低转速的时候，较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力，减小涡轮迟滞效应。EC2TR2TMC2TTST普通二级增压系统（TST）优点1、能够提供高压比、宽流量；2、有效提高柴油机进气压力。缺点1、变工况适应能力不足；2、低速转矩和瞬态工况响应性较差。机械+涡轮增压系统（MC2T）优点1、低速转矩足，高速功率输出大；2、不存在涡轮迟滞，瞬态响应性最好。缺点机械增压在增压过程中会消耗一部分发动机的功率。电辅助+涡轮增压系统（EC2T）优点1、能够消除涡轮迟滞；2、可根据工况和海拔的变化精确控制增压压力。缺点1、电机转速不足；2、增压器轴承剧烈振动；3、电机受高排温可靠性差；4、电机变工况加速潜力不足。基于VGT二级涡轮可调增压系统（R2T）优点1、大幅提高低速转矩；2、有效避免了增压器效率降低、压气机喘振、涡轮超温和超速等问题。缺点1、低速时，低压级涡轮做工较弱，起不到增压作用；2、不能根据海拔和工况的变化合理分配涡轮功，在高原环境下排气能量不能够得到最大化利用。主流研究方向04电辅助+涡轮增压系统分类AB电驱动压气机增压器电动涡轮增压器电驱动压气机增压器工作原理：电动增压器安装于涡轮增压器的前面,其压气机与废气涡轮增压器的压气机组成一个二级增压系统,压气机由电子控制的电动机带动工作。当柴油机在低速区或急加速运转时,电动增压器迅速启动开始工作,协助涡轮增压器增加柴油机加速初期的空气进气量,改善涡轮增压器响应滞后、柴油机低速扭矩不足以及烟度大等问题,还可提高车辆的加速能力和排放性能;当发动机运行在中高转速区时,电动增压器停止工作,此时,为避免产生不必要的进气阻力,电动增压器的压气机部分被与其并联的空气管路短接,空气由并联管路直接进入废气涡轮增压器的压气机。电动涡轮增压器工作原理：当发动机工作在启动、低速大负荷、加速工况时,电控单元发出控制信号,电机启动驱动压气机工作,电池中储存的电能转化为压气机的动能,提高进气压力,满足发动机气缸燃烧所需的空气量要求.当发动机转速上升到一定程度,压气机能够提供足够的空气时,电机就可以关闭或脱开.当发动机工作在高速或大负荷工况时,电控单元发出控制信号起动发电机,回收涡轮能量中的一部分通过发电机转化为电能储存在蓄电池中。共同点：两者都需要更大的安装空间或者其他零件区别：1、电驱动压气机增压器可以拓宽增压特性图，叶片转动惯量小，而且机械和热负荷也相对较低；2、电驱动废气涡轮增压器在可能量回收这一方面较有优势，但此功能比较复杂，其有效性仍需要验证。技术展望05国内适用于电动增压器的压气机设计方法还不成熟；高速电机技术复杂、成本高昂,国内高速电机与世界先进水平还有一定距离。电辅助二级增压系统可以解决涡轮增压柴油机低速扭矩不足、加速响应滞后和碳烟排放的问题，在二级增压系统中应用前景巨大。技术展望电辅助二级增压系统应用前景巨大，尽管存在技术上的障碍,但是相信随着研究的进一步深化,这些问题终究会得到解决,电辅助涡轮增压技术会越来越成熟。谢谢！敬请老师批评指正