發(fā)動機(jī)增壓及總能系統(tǒng)

1、發(fā)動機(jī)增壓與總能系統(tǒng)發(fā)動機(jī)增壓與總能系統(tǒng) 張揚(yáng)軍n 我國受原計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制影響，創(chuàng)新體系按我國受原計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制影響，創(chuàng)新體系按行業(yè)劃分，而技術(shù)發(fā)展卻是橫跨行業(yè)體系。行業(yè)劃分，而技術(shù)發(fā)展卻是橫跨行業(yè)體系。錢學(xué)森n汽車行業(yè)的汽車行業(yè)的8080原始創(chuàng)新來自航空航天。原始創(chuàng)新來自航空航天。陳光祖n引進(jìn)消化吸收航空航天高技術(shù)，跨行業(yè)創(chuàng)引進(jìn)消化吸收航空航天高技術(shù)，跨行業(yè)創(chuàng)新，搶占汽車科技的國際制高點(diǎn)。新，搶占汽車科技的國際制高點(diǎn)。張揚(yáng)軍 q 內(nèi)燃機(jī)節(jié)能與減排內(nèi)燃機(jī)節(jié)能與減排q 渦輪增壓可控流設(shè)計(jì)渦輪增壓可控流設(shè)計(jì)q 總能系統(tǒng)空氣及熱管理總能系統(tǒng)空氣及熱管理發(fā)動機(jī)渦輪增壓與總能系統(tǒng)發(fā)動機(jī)渦輪增壓與總能系統(tǒng)n

2、石油正在越來越貴并且難以獲取，國家能源安全最重要的是石油安全。內(nèi)燃機(jī)廣泛用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)動力和國防，是石油最大用戶。內(nèi)燃機(jī)節(jié)能成為關(guān)系到國家安全和社會安全的重大科學(xué)問題。n 溫室效應(yīng)是目前全球共同面臨的環(huán)境問題，內(nèi)燃機(jī)是CO2排放的重要來源。降低CO2排放將成為我國內(nèi)燃機(jī)發(fā)展所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而節(jié)能是降低內(nèi)燃機(jī)CO2排放的唯一有效措施。 能源環(huán)境與內(nèi)燃機(jī)n 傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)研發(fā)，主要以排放控制為核心，燃料(油)為主線進(jìn)行研究，理論基礎(chǔ)主要為燃燒學(xué)。n 近年來，能源與環(huán)境相容協(xié)調(diào)問題備受關(guān)注，另一條以節(jié)能和CO2減排為核心，循環(huán)工質(zhì)(氣)為主線的研究受到重視，理論基礎(chǔ)為熱流體力學(xué)。內(nèi)燃機(jī)節(jié)能與熱流體

3、 熱流體熱流體：工程熱：工程熱力學(xué)與流體力學(xué)力學(xué)與流體力學(xué)的交叉與融合的交叉與融合熱流體：研究能量轉(zhuǎn)換的熱流體：研究能量轉(zhuǎn)換的工質(zhì)流動與熱力循環(huán)。工質(zhì)流動與熱力循環(huán)。關(guān)鍵詞：流動、循環(huán)。關(guān)鍵詞：流動、循環(huán)。研究主線燃料（油）工質(zhì) （氣）科學(xué)問題主要目的關(guān)鍵技術(shù)理論基礎(chǔ)化學(xué)能熱能化學(xué)能熱能熱能功熱能功熱流體力學(xué)熱流體力學(xué)燃燒學(xué)燃燒學(xué)排放控制排放控制節(jié)能、節(jié)能、CO2CO2減排減排供油、燃燒供油、燃燒供氣、循環(huán)供氣、循環(huán)熱流體的傳統(tǒng)和核心研究領(lǐng)域：航空發(fā)動機(jī)n 清華大學(xué)于1999年成立我國汽車行業(yè)第一個發(fā)動機(jī)熱流體研究室，引進(jìn)消化吸收航空葉輪機(jī)和CFD技術(shù)，跨行業(yè)交叉，進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)、燃料電池發(fā)動機(jī)增

4、壓及總能系統(tǒng)研究。向同行學(xué)習(xí)，只能產(chǎn)生漸變；跨行業(yè)創(chuàng)新學(xué)習(xí)，創(chuàng)造質(zhì)的飛躍！ （2000.10.20諾貝爾獎獲得者李政道先生對清華發(fā)動機(jī)熱流體研究室的“跨行業(yè)創(chuàng)新”的肯定與鼓勵）n 研究室定位于國家、國際和國防，研究室的項(xiàng)目全部來自戰(zhàn)略合作，民口項(xiàng)目主要來自國際戰(zhàn)略合作伙伴。n GM北美技術(shù)中心的全球第一個“增壓與總能系統(tǒng)研究”戰(zhàn)略合作伙伴，該中心動力室的第一個中國合作伙伴，目前與該中心的合作項(xiàng)目已規(guī)劃至2011年。q 內(nèi)燃機(jī)節(jié)能與減排內(nèi)燃機(jī)節(jié)能與減排q 渦輪增壓可控流設(shè)計(jì)渦輪增壓可控流設(shè)計(jì)q 總能系統(tǒng)空氣及熱管理總能系統(tǒng)空氣及熱管理發(fā)動機(jī)渦輪增壓與總能系統(tǒng)發(fā)動機(jī)渦輪增壓與總能系統(tǒng) 源自航空的增

5、壓技術(shù)，早期以提高功率為目的，如今以排放控制為核心，并成為動力節(jié)能和CO2減排的關(guān)鍵技術(shù)。增壓縮小排量節(jié)能路面行使負(fù)荷路面行使負(fù)荷最佳燃油經(jīng)濟(jì)性最佳燃油經(jīng)濟(jì)性加速裕度加速裕度發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 - rpm - rpm發(fā)動機(jī)扭矩發(fā)動機(jī)扭矩 小排量小排量發(fā)動機(jī)使最佳工作區(qū)域接近路面行駛工況負(fù)荷發(fā)動機(jī)使最佳工作區(qū)域接近路面行駛工況負(fù)荷 增壓增壓使小排量發(fā)動機(jī)恢復(fù)到大排量發(fā)動機(jī)的功率使小排量發(fā)動機(jī)恢復(fù)到大排量發(fā)動機(jī)的功率 是是“空氣供給空氣供給”、而不是、而不是“發(fā)動機(jī)排量發(fā)動機(jī)排量”決定了發(fā)動機(jī)的功率和扭矩決定了發(fā)動機(jī)的功率和扭矩發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 - rpm - rpm同樣的汽車和路面負(fù)荷同樣

6、的汽車和路面負(fù)荷加速裕度加速裕度發(fā)動機(jī)扭矩發(fā)動機(jī)扭矩小排量發(fā)動機(jī)小排量發(fā)動機(jī)增壓小排量發(fā)動機(jī)增壓小排量發(fā)動機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性最佳燃油經(jīng)濟(jì)性 增壓增壓發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)，比同性能非增壓發(fā)動機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性和排放性能！比同性能非增壓發(fā)動機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性和排放性能！+3.75 mpg17%-0.19 -20% 30-50 lbs.歐洲歐洲增壓增壓發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)系列系列1.8LTurbo3.2 V6+1 mpg4%-0.04-5% 30-50 lbs.OEM和同樣性能和同樣性能的的非增壓發(fā)動非增壓發(fā)動機(jī)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性燃油經(jīng)濟(jì)性增益增益CO2排放排放質(zhì)量質(zhì)量減少減少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發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)gr. / Km 渦輪增壓面臨的挑戰(zhàn)渦輪增壓面臨的挑戰(zhàn)n增壓器：流量范圍窄、效率低 (增壓器擴(kuò)穩(wěn)增效問題)n增壓發(fā)動機(jī)：變工況，瞬態(tài)響應(yīng)滯后、低速時性能差(增壓發(fā)動機(jī)空氣管理問題)熱負(fù)荷高、循環(huán)總效率低（增壓發(fā)動機(jī)熱管理問題）n 拓寬流量范圍、提高效率，是車用內(nèi)燃機(jī)增壓研究面臨的主要難點(diǎn)。增壓器可控流設(shè)計(jì)n IHPTET IHPTET Integrated High Performanc

8、e Turbine Engines Integrated High Performance Turbine Engines Technology (1990-2005)(50Technology (1990-2005)(50億美元億美元) )n VAATE VAATE Versatile Affordable Advanced Turbine Engines Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (2007-2017)(70(2007-2017)(70億美元億美元) )航空葉輪機(jī)流動控制增壓器擴(kuò)穩(wěn)增效的可控流設(shè)計(jì)新技術(shù) 將航空葉輪機(jī)流動控制

9、技術(shù)引入，發(fā)展了機(jī)匣處理、多工況設(shè)計(jì)等擴(kuò)穩(wěn)增效的增壓可控流設(shè)計(jì)新技術(shù)。l 機(jī)匣處理：突破擴(kuò)穩(wěn)一定犧牲效率的限制進(jìn)口自循環(huán)（ABB）原理：流量控制擴(kuò)穩(wěn)缺點(diǎn)：犧牲一定效率機(jī)匣抽氣射流擴(kuò)穩(wěn)原理：渦重組擴(kuò)穩(wěn)優(yōu)點(diǎn)：可同時提高效率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復(fù)合彎掠、大小葉片匹配、負(fù)荷控制l 多工況設(shè)計(jì)：最大功率、最大扭矩等工況 單級壓比提高單級壓比提高0.7效率提高效率提高23個百分點(diǎn)個百分點(diǎn)穩(wěn)定工作范圍由提高穩(wěn)定工作范圍由提高18%實(shí)際用于某型動力，實(shí)際用于某型動力，大幅度降低排溫大幅度降低排溫我國

11、第一臺單級壓比4車用柴油機(jī)增壓器汽油機(jī)渦輪增壓器可控流設(shè)計(jì)q 內(nèi)燃機(jī)節(jié)能與減排內(nèi)燃機(jī)節(jié)能與減排q 渦輪增壓可控流設(shè)計(jì)渦輪增壓可控流設(shè)計(jì)q 總能系統(tǒng)空氣及熱管理總能系統(tǒng)空氣及熱管理發(fā)動機(jī)渦輪增壓與總能系統(tǒng)發(fā)動機(jī)渦輪增壓與總能系統(tǒng)l 20世紀(jì)7080年代，從總能利用和系統(tǒng)角度使能源動力裝置循環(huán)研究思路發(fā)生質(zhì)變的總能系統(tǒng)概念，在現(xiàn)有的增壓內(nèi)燃機(jī)研究體系中體現(xiàn)很少。l 當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)增壓研究，是在簡單內(nèi)燃機(jī)循環(huán)層面，以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，已不能全面、正確地對指導(dǎo)內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓的節(jié)能技術(shù)研究。l 能源和環(huán)境的雙重壓力，增壓研究期待著新的思維觀念、新的基礎(chǔ)理論和新的技術(shù)方法，對內(nèi)燃機(jī)熱流體力學(xué)提出前所未有的

12、新挑戰(zhàn)。增壓與總能系統(tǒng) 總能與總能系統(tǒng)總能與總能系統(tǒng)l 總能的概念是20世紀(jì)初提出的，其原意是指能量的有效利用，必須綜合考慮能的量和質(zhì)兩方面。l 總能系統(tǒng)，注重能的梯級利用以及不同循環(huán)有機(jī)結(jié)合的總體能量利用系統(tǒng)，主要由熱能轉(zhuǎn)換與利用的熱力循環(huán)所涉及的系統(tǒng)組成。l 從總能系統(tǒng)出發(fā)，按數(shù)量和質(zhì)量合理匹配，搭配部件/系統(tǒng)間的固有界限，實(shí)現(xiàn)充分用能、聯(lián)合用能，可使能耗節(jié)約10-30%。 增壓發(fā)動機(jī)總能系統(tǒng)增壓發(fā)動機(jī)總能系統(tǒng)n增壓內(nèi)燃機(jī)工作過程，是內(nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)協(xié)同工作的聯(lián)合循環(huán)。n 狹義的增壓內(nèi)燃機(jī)總能系統(tǒng)，由空 氣及熱管理系統(tǒng)組成。n 空氣管理(增壓與進(jìn)排氣)、熱管理(增壓中冷、冷卻及余熱利用)涉

13、及增壓內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的重要熱力過程，相互直接存在強(qiáng)的耦合效應(yīng)。n 空氣及熱管理，應(yīng)對內(nèi)燃機(jī)循環(huán)提供最佳的總體性能。對于車用內(nèi)燃機(jī)來說，增壓內(nèi)燃機(jī)總能利用還要考慮空調(diào)系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)循環(huán)熱力過程的影響，廣義的增壓內(nèi)燃機(jī)總能系統(tǒng)還包括空調(diào)系統(tǒng)。 內(nèi)燃機(jī)循環(huán)、渦輪增壓循環(huán)、空調(diào)制冷循環(huán)，三個熱力循環(huán)的冷卻放熱過程在動力艙中耦合。n 總能系統(tǒng)空氣及熱管理，從能的梯級利用和聯(lián)合循環(huán)的角度，對內(nèi)燃機(jī)增壓進(jìn)排氣、冷卻(中冷)及余熱利用等總能系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成與整體優(yōu)化，提高全工況特性和總能利用率，降低熱負(fù)荷和排放。n 與傳統(tǒng)增壓匹配、性能優(yōu)化及熱管理研究的不同：l 總能：能的梯級利用和聯(lián)合循環(huán)，考慮全工況特性；突破當(dāng)

14、前內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓及進(jìn)排氣、中冷及冷卻研究往往相互獨(dú)立的局限性； l 通流：系統(tǒng)匹配由單一流量匹配拓展到流量與流場匹配；CFD與熱力學(xué)優(yōu)化的結(jié)合（還原論與整體輪）?？偰芟到y(tǒng)空氣及熱管理空氣及熱管理的通流匹配新技術(shù) 引進(jìn)航空葉輪機(jī)多級流動特性及性能計(jì)算的通流模型，建立空氣及熱管理的通流匹配新方法。 通流匹配，將空氣管理(增壓)及熱管理(增壓中冷)匹配由單純的流量匹配擴(kuò)展到流量與流場匹配。 有效解決增壓性能MAP圖范圍難以滿足車用工況增壓瞬態(tài)匹配要求、變截面增壓面工況匹配需要一系列MAP圖、以及兩級增壓匹配設(shè)計(jì)的難點(diǎn)?？偰芟到y(tǒng)空氣及熱管理的通流匹配優(yōu)化平臺總能系統(tǒng)空氣及熱管理的通流匹配優(yōu)化平臺航空C

15、FD VVA技術(shù)，為增壓內(nèi)燃機(jī)空氣及熱管理通流匹配提供了有力的技術(shù)支撐我國高原地形w 高原分布廣闊，占全國總面積60%w 平均海拔高，3000m以上占26%w 青藏高原總面積240萬平方公里，平均海拔超過4000m高原大氣條件w 海拔升高1000m，大氣壓力下降9%，年平均氣溫下降57變海拔問題w 青藏高原海拔變化范圍大，變海拔工程需求大高原增壓柴油機(jī)空氣及熱管理研究高原增壓柴油機(jī)空氣及熱管理研究n與總裝某所、宇通和Cummins ，聯(lián)合進(jìn)行高原柴油機(jī)熱管理研究，解決高原過熱和功率恢復(fù)問題。n與總裝某所、兵器70所和Cummins聯(lián)合進(jìn)行高原柴油機(jī)空氣管理研究，解決變海拔自適應(yīng)問題。研發(fā)的高原節(jié)能型熱管理系統(tǒng)，在2006年通過解放軍總裝備部組織的鑒定，并批量列裝部隊(duì)，有效解決了多個型號裝備的高原適應(yīng)性問題，且節(jié)能效果明顯，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。從此，曾困擾我高原工程兵部隊(duì)多年的工程機(jī)械熱平衡問題終于得到圓滿解決，部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力得到了科技的有力保障。 2007.8.28M11-C300高原大氣模擬系統(tǒng)w 進(jìn)、排氣壓力模擬w 海拔模擬范圍：04500mw 溫度模擬范圍：-30+25高原空氣管理技術(shù)，與傳統(tǒng)增壓功率恢復(fù)技術(shù)相比，各海拔額定點(diǎn)性能比最多改善1.77%，最大扭矩點(diǎn)最多改善5.49%，同時具