可變噴嘴增壓器與增壓柴油機的匹配試驗研究

1、2005009可變噴嘴增壓器與增壓柴油機的匹配試驗研究吳君華1, 黃震1, 王天靈2(11上海交通大學內(nèi)燃機研究所, 上海200030; 21吉林大學, 長春130025摘要在CA498Z 柴油機上進行了可變噴嘴增壓器(VN T 。,VN T 可以在發(fā)動機的整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和CA498Z 柴油機實現(xiàn)良好的匹配。, 降低了外特性的排氣煙度。擴大了該柴油機低油耗區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍, 關(guān)鍵詞:柴油機, , 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原稿收到日期為2004年2月9日, 修改稿收到日期為2004年3月22日。1前言發(fā)動機安裝廢氣渦輪增壓器后, 可以增加充氣量, 提高發(fā)動機功率, 增壓后的車用發(fā)動機功率可以和比它排量大40%的發(fā)動機功率匹敵1。此外, 增壓還可以增大發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩, 減少油耗, 降低排氣污染。但是, 平均有效壓力較高的車用渦輪增壓柴油機普遍存在低速轉(zhuǎn)矩不足、加速性差等缺陷。柴油機與增壓器的工作方式不同而使二者難以良好地匹配, 來同時滿足發(fā)動機低速和高速的全面要求2。渦輪增壓發(fā)動機在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行, 而固定流通截面的高壓比渦輪增壓器在發(fā)動機低速時, 其壓比將明顯下降, 不能和

5、發(fā)動機在整個運轉(zhuǎn)工況保持良好的匹配。可變噴嘴增壓器(VN T 通過改變渦輪的流通截面來實現(xiàn)供氣與柴油機在各個轉(zhuǎn)速工況下進行最佳匹配, 使發(fā)動機的性能達到較佳。它配有一可調(diào)節(jié)的噴嘴環(huán), 通過調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)上的可變?nèi)~片位置而改變渦輪的流通截面。從而使它在低速時像一快速反應的小渦輪而在高速時像一高效率的大渦輪。這樣使發(fā)動機不僅能夠保持高速時的渦輪效率, 而且可以提高低速時的渦輪效率。通過減少渦輪流通截面, 能最大程度地減少渦輪滯后現(xiàn)象。也能在高速流動時減少廢氣的摩擦而使發(fā)動機輸出更大的功率。使用可變噴嘴增壓器, 能提高發(fā)動機的低速轉(zhuǎn)矩性能及燃油經(jīng)濟性, 并大幅度地降低發(fā)動機的排氣煙度3。2試驗設備及方法

6、試驗研究是在CA498Z 柴油機上進行的, 該發(fā)動機的基本技術(shù)參數(shù)見表1。試驗所用的可變噴嘴增壓器, 在渦輪殼里有一噴嘴環(huán), 環(huán)上套有9個位置可調(diào)的葉片。環(huán)上拉桿連接到真空氣室, 改變真空氣室的真空度, 可以改變?nèi)~片的相對位置, 從而改變渦輪的流通截面, 相應地改變了增壓器的增壓比。在發(fā)動機的每個工況下, 通過試驗確定該工況下最佳的葉片位置, 制成電控脈譜, 并用控制單元進行自動控制。試驗結(jié)果表明渦輪增壓器在發(fā)動機所有工況下都能實現(xiàn)和發(fā)動機的最佳匹配。2005年(第27卷 第1期汽車工程Automotive Engineering 2005(Vol. 27 No. 1表1試驗用柴油機主要參數(shù)額

7、定功率/轉(zhuǎn)速/-18115/3400缸數(shù)4排量/L 31168最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速/-1265/2000壓縮比18 渦流比212最低燃油消耗率/(-1225×行程/98×105增壓器TB283試驗結(jié)果和分析311VNT 葉片位置對發(fā)動機性能和排放的影響在發(fā)動機外特性工況下, 改變不同工況的VN T噴嘴環(huán)的開度(開度位置大, 渦輪流通截面小, 增壓比大 , 研究其對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、PM 排放的影響規(guī)律, 為確定VN T 的最佳匹配奠定基礎。圖1是不同VN T 葉片位置對不同轉(zhuǎn)速下的外特性的轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率及排氣煙度的影響規(guī)律。通過分析不同VN T 位置對發(fā)動機外特性性能, T

8、 圖1不同轉(zhuǎn)速下外特性轉(zhuǎn)矩、油耗率、煙度隨VN T 噴嘴環(huán)開度的變化規(guī)律從圖1可以看出, 發(fā)動機的外特性轉(zhuǎn)矩隨VN T 噴嘴環(huán)的開度加大先增后減。在3400r/min 時, 轉(zhuǎn)矩有少許下降。轉(zhuǎn)速減小時, 最大轉(zhuǎn)矩值所對應的VN T 噴嘴環(huán)開度加大。在2400r/min 時最大轉(zhuǎn)矩對應的開度是45%, 在1600r/min 時最大轉(zhuǎn)矩對應的開度變?yōu)?3%。隨著VN T 的噴嘴環(huán)開度的增加, 發(fā)動機的外特性燃油消耗率先減后增。高轉(zhuǎn)速時變化小, 低轉(zhuǎn)速時油耗率受噴嘴環(huán)開度影響較大。以2000r/min 為例, 當VN T 處于最小開度時的油耗率為239g/(kW h , 當開度為65%時, 它降低到

9、21315g/(kW h , 降低了1017%。當開度增加為90%時, 油耗率又增加到22413g/(kW h 。不同轉(zhuǎn)速下油耗率最低時對應的VN T 噴嘴環(huán)開度不同, 轉(zhuǎn)速越低, 最低油耗率對應的開度越大。隨著VN T 噴嘴環(huán)開度的增大, 發(fā)動機外特性下排氣煙度大幅度下降。低速時下降的幅度更大。以1600r/min 為例, 當VN T 處于最小開度時, 排氣煙度為319Rb , 而當開度為90%時, 煙度下降到015Rb 。當VN T 噴嘴環(huán)開度增大時, 增壓器渦輪流通截面變小, 增壓比加大, 更多新鮮空氣進入汽缸內(nèi)參與燃燒, 克服了原發(fā)動機在低速時的供氣量不足, 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩增大, 相應的油

10、耗率降低。但隨著VN T 開度的進一步加大, 此時的供氣量太大, 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩反而下降。進氣越多, 汽缸內(nèi)氧的含量增大, 不完全燃燒的因素減少, 從而排氣煙度大幅度下降。312匹配VNT 的發(fā)動機外特性與原機的對比比較外特性下最佳VN T 位置時柴油機和原機的性能和排放會發(fā)現(xiàn)匹配VN T 的CA498Z 柴油機的綜合性能優(yōu)于原機4。31211外特性轉(zhuǎn)矩的對比圖2為匹配VN T 的發(fā)動機和原發(fā)動機的外特性轉(zhuǎn)矩對比曲線, 從圖中可以看出, 在所有的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi), 配VN T 的發(fā)動機外特性轉(zhuǎn)矩比原機都要大。特別當在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于2000r/min 時, 有VN T 的轉(zhuǎn)矩有了較大的提高。在1200r/

11、min 時, 有VN T 的外特性轉(zhuǎn)矩是226N m , 比原機提高了1813%。在1400r/min 時, 提高了1613%。這對車用發(fā)動機尤其是公交車用的發(fā)動機特別有利, 公交車頻繁的起停需要有好的低速轉(zhuǎn)矩性。圖2外特性轉(zhuǎn)矩對比31212外特性燃油消耗率的對比由圖3可知, 在所有的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),VN T 發(fā)動機的燃油消耗率比TB28的都要低。在3400r/min 時, 原機的油耗率是25815g/(kW h , 而VN T 的為142005年(第27卷 第1期汽車工程24719g/(kW h 。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時, 差距已不大。原機最低油耗對應的轉(zhuǎn)速比VN T 的低。這是由于原機是旁通式放氣

12、閥型增壓器, 低速匹配良好, 但在高速時, 經(jīng)濟性受到影響 。 圖331213圖4, 從圖上可以看出, 隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高, 匹配旁通式增壓器的發(fā)動機壓后溫度一直升高, 當轉(zhuǎn)速為3400r/min 時達最大的101, 而VN T 的發(fā)動機的最高壓后溫度在中等轉(zhuǎn)速下, 最高溫度為112。然而在高轉(zhuǎn)速時, 其壓后溫度卻比原發(fā)動機的低。外特性 下增壓器壓氣機壓后的壓力變化(圖5, 壓力為相對壓力 和溫度變化呈幾乎相同的規(guī)律。圖4增壓器壓氣機壓后溫度對比圖5增壓器壓氣機壓后壓力對比隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增大, 原機壓氣機壓后的壓力一直升高, 當轉(zhuǎn)速高于2200r/min 時增速變緩, 這由于放氣閥起了作用

13、的緣故。而VN T 的壓后壓力卻先增大后降低, 中等轉(zhuǎn)速下最高。在中低轉(zhuǎn)速時, VN T 壓后壓力比原機要高得多, 這克服了旁通式增壓低速時增壓不足的缺陷。而當轉(zhuǎn)速高于3000r/min , 原增壓器的增壓過高, 這時VN T 可以減少進氣, 給發(fā)動機提供該工況下最合適的進氣量。使用可變噴嘴增壓器, 可以在發(fā)動機的整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和發(fā)動機都有良好的匹配。31214外特性排氣煙度的對比圖6, , 發(fā)動機的排, 中等轉(zhuǎn)速下最低。在發(fā)動機的整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi), 匹配VN T 增壓器的發(fā)動機的排氣煙度比原機都要低。在低轉(zhuǎn)速時, 原機的排氣煙度很大, 超過了該轉(zhuǎn)速下的冒煙極限。當轉(zhuǎn)速為1400r/min 時,

14、 原機的煙度為411Rb , 而配VN T 發(fā)動機的煙度為214Rb , 比原機降低了4015%。圖7中低轉(zhuǎn)速時的煙度對比圖7保持原發(fā)動機外特性的低速轉(zhuǎn)矩不變 , 而VN T 也和TB28取相同的轉(zhuǎn)矩, 從圖上可以看出,VN T 的排氣煙度仍舊比原機有很大幅度的下降?？梢? 在低速范圍內(nèi), 盡管VN T 的轉(zhuǎn)矩有了大幅增加, 排氣煙度仍然比原發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不變時要低, 原發(fā)動機在低速時供氣量不足, 燃燒不完全, 產(chǎn)生大量的黑煙, 而VN T 能在低速時充分供氣, 汽缸內(nèi)氧濃度增大, 煙度大幅度下降。31215外特性下NOx 排放的對比匹配VN T 發(fā)動機外特性的NOx 排量比原發(fā)動機有所上升(圖8

15、 , 特別是在低速, 這是由燃燒更完全引起的, 可通過其它措施如EGR 系統(tǒng)來降低NOx 排量。圖8發(fā)動機外特性NOx 排放對比24汽車工程2005年(第27卷 第1期313匹配VNT 柴油機與原機萬有特性的對比圖9為原機和配有VN T 的柴油機的萬有特性曲線。對比可知, 匹配VN T 發(fā)動機的低油耗區(qū)比原發(fā)動機的要寬得多。以油耗率為230g/(kW h 的等油耗線為例, 在原發(fā)動機中, 它對應的最高轉(zhuǎn)速為2300r/min , 而在匹配VN T 的發(fā)動機中, 最高轉(zhuǎn)速增大到2800r/min 。原發(fā)動機的低油耗區(qū)對應的轉(zhuǎn)速比配有VN T 的發(fā)動機低。 對于旁通式增(a 原機(配有TB28增壓

16、器(b 匹配VN T 的發(fā)動機圖9萬有特性曲線壓器, 渦輪流通截面固定不變, 在發(fā)動機上進行匹配時, 往往照顧了低速就不能很好地滿足高速性能。CA498Z 柴油機在進行TB28增壓器匹配時著重考慮了發(fā)動機的低速性能而犧牲了部分高速性能。而VN T 則在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與發(fā)動機都能進行很好的匹配, 使發(fā)動機的性能較原機都有很大的改善。4, 能夠大幅度提高發(fā)動機外特性的低速轉(zhuǎn)矩, 這對車用發(fā)動機非常有利。(2 可變噴嘴增壓器能夠改善發(fā)動機外特性的燃油經(jīng)濟性能, 在高轉(zhuǎn)速時效果更顯著。在萬有特性上,VN T 增大了低油耗區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍, 改善了整個發(fā)動機的經(jīng)濟性。(3 可變噴嘴增壓器根據(jù)需要確定發(fā)動機每

17、個工況點的增壓比, 進氣量比匹配原增壓器更為合理, 很大程度地降低了發(fā)動機的排氣煙度。在低速時效果更加明顯。參考文獻1蔣德明1內(nèi)燃機渦輪增壓1北京:機械工業(yè)出版社,19862李輝1可變幾何渦輪增壓器改善J6110Z 柴油機低速扭矩性能的研究:學位論文1北京:北京理工大學,19983馬朝臣, 楊長茂, 朱慶等1可調(diào)渦輪增壓器改善車用柴油機低速扭矩性的研究1汽車技術(shù),1997, (6 4吳君華1車用增壓柴油機VN T 和EGR 系統(tǒng)匹配試驗研究:學位論文1長春:吉林大學,2003(上接第85頁由圖4可知, 作者所提出的獨立參數(shù)化2自由度魯棒控制的控制效果基本與車速無關(guān), 這充分驗證了在反饋控制器的

18、設計中不考慮車速變化的合理性。與傳統(tǒng)的前饋后輪主動轉(zhuǎn)向控制相比, 獨立參數(shù)化2自由度魯棒控制, 在較大的側(cè)向加速度下亦可較好地實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)質(zhì)心側(cè)偏角的控制, 表現(xiàn)出了良好的魯棒性。8結(jié)論作者提出的控制規(guī)律的突出優(yōu)點在于, 通過車速變化和輪胎側(cè)偏剛度變化的獨立補償, 既充分發(fā)揮了傳統(tǒng)前饋控制的優(yōu)點, 又降低了反饋控制器的階數(shù)。仿真結(jié)果表明,2自由度魯棒控制, 在較大的側(cè)向加速度下亦可較好地實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)質(zhì)心側(cè)偏角的控制, 表現(xiàn)出了良好的魯棒性。參考文獻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