【DOC】可变喷嘴涡轮增压器对车用柴油机瞬态性能的影响

【DOC】可变喷嘴涡轮增压器对车用柴油机瞬态性能的影响 可变喷嘴涡轮增压器对车用柴油机瞬态性 能的影响 2006年(第28卷)第2期 汽车工程 AutomotiveEngineering2006(Vo1.28)No.2 2006026 可变喷嘴涡轮增压器对车用柴油机瞬态性能的影响水 孙万臣,韩永强,刘忠长,刘巽俊 (吉林大学汽车工程学院,长春130025) [摘要]应用自行开发的柴油机瞬态工况测控系统和VNT电控系统,试验研究了可变喷嘴涡轮增压器对车用 增压中冷柴油机瞬态工况下烟度,增压压力,燃油消耗量及空燃比等性能参数的影响规律.研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在典型 瞬态工况下适当减小VNT的开度可以改善进气响应,增加进气充量,选取合理的VNT开度可以降低排气烟度,低速 增负荷工况排气烟度可降低34%,但喷嘴环开度过小,将导致增压器效率下降,进气量降低,排气烟度增加. 关键词:可变喷嘴涡轮增压器.柴油机.瞬态工况 EffectofVariableNozzleTurbochargeronTransientPerformance ofAutomotiveDieselEngine SunWanchen,HanYongqiang,LiuZhongchang&LiuXunjan CollegeofAutonmtiveEngi~ering,JilinUniversity,Changchun130025 [Abstract]Anexperimentalstudyontheeffectsofvariablenozzleturbocharger(VNT)onsmokeopacity, intakepressure,fuelconsumptionandair—fuelratioofaturbo-chargedinter —cooledautomotivedieselengineattransi— entconditioniSconducted.Testresultsshowthatatthetypicaltransientconditions,thechargeaircanbeincteased withtheproperdecreaseofnozzleopening.Andchoosingreasonablenozzleopeningcanreducesmokeopacityupto 34%.Butifthenozzleopeningbecomestoosmall,theefficiencyofturbochargerwilldropwiththereductionin chargeairandtheriseinsmokeopacity. Keywords:Variablenozzleturbocharger(VNT),DieselEngine,Transientoperatingconditions 1前言 车用柴油机大多工作于转矩和转速变化的瞬态 工况,其瞬态性能明显偏离稳态工况,有害排放物中 某些成分及噪声要高于稳态工况_】,该特性在增 压柴油机中表现更加明显.在瞬态工况下由于废 气涡轮增压器响应滞后,进气量不足,无法及时适应 供油量的改变,从而引起空燃比减小,进气流动减弱 等燃烧边界条件的改变,导致增压柴油机低速及瞬 态工况燃烧恶化,性能下降,这就是所谓的增压延迟 特性(Turbolag)J.以往的研究表明,涡轮增压柴 油机瞬态工况下排气烟度增加的主要原因是进气量 和空燃比的降低J.采用可变喷嘴涡轮增压器 (VNT)能够适应工况的变化,通过改变喷嘴截面积, 提高排气能量利用率,改善增压器的充气能力.调节 瞬态工况下的进气量和空燃比,改善燃烧,降低排气 烟度,是车用发动机增压系统中较理想的方案,具有 广泛应用前景J.由于瞬态工况研究难度较大, 目前相关研究报道较少.作者应用自行开发的柴油 机瞬态工况测控系统和VNT电控系统,对车用增压 中冷柴油机采用VNT进行了瞬态工况性能试验研 究,揭示了瞬态工况VNT喷嘴开度对排气烟度,增 压压力,燃油消耗量及空燃比等性能参数的影响规 律. 国家重点基础研究发展规划项目(2001CB209205),吉林省科技发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 资助项目(20040512),教育部留学回国人员科 研启动基金项目(2004527)资助. 原稿收到日期为2005年1月31日,修改稿收到口期为2005年4月 12日. 2006(Vo1.28)No.2孙万臣,等:可变喷嘴涡轮增压器对车用柴油机瞬 态性能的影响?123? 2主要试验设备及研究方案 2.1主要试验设备及测控系统 试验用发动机为车用直列6缸增压中冷柴油 机,缸径106ram,行程125mm,标定功率155kW,标 定转速2500r/min. 为了满足试验的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ,开发了柴油机瞬态工况 测控系统及VNT电控系统.通过由单片机控制的 步进电机控制油门执行器,同时与电涡流测功机相 配合可以实现发动机运行中典型的加速及增负荷工 况.试验中通过数据采集系统实时采集瞬态油耗 仪,空气流量计,消光式烟度计,压力传感器,涡轮转 速传感器等输出信号,通过计算机进行数据存储和 处理.瞬态空燃比通过高响应的热膜式空气流量计 (采样频率为100kHz)测得的空气量及瞬态油耗仪 测得的油耗量计算得到,应用该系统可以很好地保 证瞬态工况控制及数据的实时同步测量. VNT的电控系统由电控单元和执行机构2部分 组成.通过步进电机驱动平面四连杆结构的连接装 置,实现对VNT喷嘴环开度的控制.试验研究表 明,步进电机的转动步数与喷嘴环控制杆行程呈线 性关系,因此文中采用步进电机的转动步数代表喷 嘴开度. 2.2研究工况 车用发动机在实际运行中多处于转矩和转速同 时变化的过程,为便于测试 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,选择恒转矩增转速 工况和恒转速增转矩工况进行研究-1o].由于柴 油机性能恶化最为明显的是低速增负荷和高负荷加 速工况,并且不同瞬变率对柴油机的瞬态性能有很 大影响,因此在恒转速增转矩工况中选择发动机转 速为1000r/min,转矩从100N?m增加到580N?m, 增负荷时间为5s和15s.在恒转矩增转速工况选择 转矩为540N?m,转速从1100r/min增加到2300r/ min,加速时间为5s.同时对3种典型瞬态工况进行 不同VNT喷嘴开度的对比试验研究. 3试验结果及分析 3.1恒转速增转矩工况 图l为发动机转速为1000r/min,转矩从100 N?m增加到580N?m,增负荷时间为5s情况下,不 同喷嘴开度柴油机性能参数(燃油消耗量日,空燃比 A/F,消光烟度?,增压压力P)的响应历程.喷嘴 开度用VNT执行机构步进电机相对于最大开度转 动的步数(Sv,t)表示,该数值越大表示VNT喷嘴开 度越小,喷嘴环流通面积越小.从图中可以看出,对 于恒转速增转矩工况,在Sv.t=150—210的范围内 随VNT喷嘴开度的减小,燃油消耗量(供油量)基本 不变,增压压力明显增加,从而使进气量及空燃比增 加.但当喷嘴开度过小,Sv.t增加到220步时,空燃 比急剧下降,排气烟度上升,消光烟度达到80%左 右.其主要原因是此时喷嘴开度过小,涡轮增压器 效率明显降低,同时由于排气背压过高,导致机内 EGR率升高,燃烧过程恶化.因此,瞬态工况下并 不是喷嘴开度越小越好,而是存在一定的极限值. 当Sv.t=190时,瞬态工况的消光烟度峰值达到最 低值8.45%,与Sv.t=150相比降低了约34%.可 见对于特定的瞬态工况存在一个最佳喷嘴开度,在 瞬态工况下适当减小VNT开度可以提高进气量,有 效降低排气烟度. 1 1 — 1 1 - 9O 8O 7O 6O 5O 4O 3O 2O 10 0 图1恒转速增转矩工况不同喷嘴 开度发动机性能参数(5s) 图2表示在较小瞬变率下(增负荷时间为 15s),恒转速增转矩工况,不同喷嘴开度下柴油机性 能参数的响应历程.对比图2,图3可以看出,在不 同瞬变率下除排气烟度的峰值存在较大区别外,其 它参数的响应规律基本一致.在Sv.t=150—210 的有效范围内增负荷时间为5s的烟度峰值明显高 于增负荷时间为15s的烟度,这表明随瞬变率的增 加导致燃烧过程恶化.当Sv.t=190时,消光烟度 达到最低值8%,可见Sv.t=190时亦为最佳开度. 汽车工程2006年(第28卷)第2期 16 14 12 10 8 毒6 4 2 O (c)消光烟度(d)增压压力 图2恒转速增转矩工况不I司喷嘴 开度发动机性能参数(15s) 3.2恒转矩增转速工况 试验研究表明,在发动机转矩较大的情况下,若 涡轮喷嘴面积过小,将引起增压器超速,研究中所采 用VNT允许最高转速为13×10r/min,因此选择 Sv.t=40—150进行试验.图3表示恒转矩增转速 工况(转矩为540N?ITI,转速从1100r/min增加到 2300r/rain加速时问为5s),不同喷嘴开度下柴油机 性能的响应历程.从图中可以看出随着喷嘴开度的 减小,增压压力明显增加,从而使空燃比增加,排气 烟度明显降低.最小排气烟度所对应的Sv.t=80, 与Sv.t=40时相比排气烟度降低了14%.当喷嘴 图3恒转矩增转速工况不同喷嘴开度发动机性能 开度继续减小,则由于增压器效率下降,排气背压过 大,内部EGR率升高,燃烧过程恶化,导致排烟增 加.可见在加速工况,亦存在一个喷嘴截面积的最 佳值.因此,采用可变喷嘴涡轮增压器,适当减小喷 嘴环面积,可有效改善涡轮增压柴油机加速工况的 排气烟度. 4结论 (1)采用可变喷嘴涡轮增压器,合理匹配瞬态 工况VNT喷嘴环面积,可以减小高瞬变率工况下发 动机性能恶化的程度,有效改善涡轮增压柴油机瞬 态工况的排气烟度. (2)瞬态工况下VNT喷嘴开度对排气烟度有 明显的影响,在典型的加速工况和增负荷工况下分 别存在最佳的VNT喷嘴开度,使进气量最大,排气 烟度最低. (3)喷嘴环开度过小,将导致增压器效率下降, 进气量降低,排气烟度增加. 参考文献 [1]胡昆鹏.柴油机瞬态工况振动噪声的测量和分析[J].柴油机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与制造,2000(2). [2]朱良涛,崔毅,邬静川.增压柴油机瞬态过程NOx排放测试实 验[J].上海交通大学,2002,36(10). [3]HofeldtDI,ChenG.TransientParticulateEmissionsfromDiesel BusesDu6ngtheCentralBusinessDistrictCycle[C].SAEPaper 960251. [4]MaJie.EvaluationofTurbochargerPowerAssistSystemUsingOp— timalControlTechniques[CJ.SAEPaper2000一O1—0519. [5].刘忠长,王忠恕,李骏,王永红.CA6DEI~IK柴油机瞬态工况 下的烟度排放特性[J].燃烧科学与技术,2004,10(6) [6]JGHawley.Reductionofsteady.stateNOxLevelsfromanAuto. motiveDieselEngineUsingOptimizedVGT/EGRSchedules[c]. SAEP印er1999一O1—0835, [7]RSGBaert.EfficientEGRTechnologyforFutureHDDieselEn. gineEmissionTargets[C].SAEPaper1999一O1—0837. [8]赵佳佳,刘忠长,等.可变喷嘴涡轮增压器电控系统设计[J], 汽车工程,2005,27(5). [9]韩永强,刘忠长,刘晓明,等.柴油机恒转速增转矩瞬态工况的 燃烧过程分析及其对烟度的影响[J].燃烧科学与技术,2004, 10(1). [1O]韩永强,刘忠长,程鹏,等.柴油机恒转矩增转速瞬态工况的 烟度及燃烧特性分析[J].内燃机,2003,21(5).