机械增压发动机.ppt

1 8L机械增压发动机设计开发介绍 内容1 背景2 二种增压系统比较3 机械增压器结构和工作原理4 机械增压发动机布置5 附件轮系的设计6 与基础发动机优化匹配7 试验结果8 小结 背景随着我国和其他国家的汽车燃油消费税法很快实施 大排量的汽车燃油消费税将上调 燃油税法鼓励发动机向小排量方向发展 为了给用户提供享有最大免税优势的发动机 同时又保持并达到大排量发动机动力性要求 那么在现有自然吸气发动机上进行技术改造 采用增压技术是值得考虑的一个重要途径 汽油发动机常用的两种增压方式 机械增压和涡轮增压 由于涡轮增压器的迟滞效应 导致车辆加速性能较差 往往会影响到车辆驾驶性能 而机械增压器则有着良好的瞬时响应特性 又因其性能可靠 在低速部分负荷区域油耗较低 越来越受到设计者的重视 机械增压器是一种强制性容积置换泵 简称容积泵 它通过附件皮带来驱动增压器工作 可以增加进气管内的空气压力和密度 往发动机内压入更多的空气 使发动机每个循环可以燃烧更多的燃油 从而提高发动机的升功率和平均有效压力 使汽车动力性 燃油经济性和排放都得到改善 在乘用车用的汽油发动机领域 小排量发动机采用各种不同增压方式来提升发动机动力性和经济性是今后汽油发动机发展趋势 涡轮增压系统与汽油发动机优化匹配在国内已经积累大量的实际经验 机械增压系统与汽油发动机设计匹配有其特殊性 这种增压发动机在国外已大批量使用 国内机械增压发动机在乘用车上很少使用 也几乎没有机械增压发动机设计优化的资料和文章来探讨而被忽视 两种增压系统的比较1 高增压性能涡轮增压器在高工况下具有良好的高增压性能 这是机械增压器所不及的 而我公司1 8L机械增压器压比不超过2 0 2 低速特性涡轮增压器的增压压力跟它的转速有密切的关系 在发动机低速範围内由于废气流量较小 涡轮增压器本身的转速较低 增压压力和增压空气流量不可能很高 这就使涡轮增压发动机的低速扭矩受到限制 必须采取谐波增压或变截面喷嘴技术应对 机械增压器的低速扭矩及汽车加速性能良好 较涡轮增压器优胜 3 对催化转化器起燃特性的影响涡轮增压器插在发动机排气口和催化转化器之间 耗费了废气内能 使进入催化转化器的废气温度降低 延长催化转化器起燃时间 影响发动机起动和起动後暖机阶段有害物质的净化 机械增压器跟排气系统不相干 不会影响催化转化器的起燃特性 从欧洲第三阶段排放法规开始 取消了这40秒钟怠速 特别是汽油机 排放测试循环中起动和起动後暖机阶段从排气管采集到的碳氢化合物和一氧化碳大量增加 并形成整个测试循环废气排放量的大部分 故强调催化转化器起燃快 因此 在推行欧洲第三阶段排放法规时 机械增压器用于汽油机特别有利 4 瞬时响应特性虽然涡轮增压系统可以提供更高的有效压力 但它加速性能差 热负荷问题严重以及可靠性差 而机械增压发动机独有的优点 瞬时增压响应突出 提高了驾驶性能 增压器直接由曲轴驱动和引擎的动作同步 直觉上油门反应快 无涡轮增压发动机的滞后 不稳定的弱点 几乎是一离开怠速便开始有线性 实时的增压 尤其是车辆在发动机的中低速时 操纵驾驶时动力强劲的感觉就如装上大排量的自然吸气发动机 提供独一无二的驾驶乐趣 下图是1 8L排量的两种增压发动机瞬态增压响应特性比较 发动机转速在2000转 分钟 其中1 8T 代表1 8L排量涡轮增压 Turbocharger 发动机 1 8S 代表1 8L排量机械增压 Supercharger 发动机 从图上可看出 压气机出口压力要达到同样压力150kPa 机械增压发动机仅用了1秒时间 而涡轮增压发动机用了4秒时间 表明机械增压发动机的瞬时增压响应性非常突出 试验研究还进一步证明 转速越低 机械增压发动机瞬态响应特性越明显 5 燃油油耗率两种增压发动机燃油油耗率也是非常重要的问题 通常认为机械增压发动机比涡轮增压发动机油耗高很多 理由是机械增压发动机通过曲轴带动增压器需要消耗发动机的功率 而涡轮增压发动机是利用废气能量驱动涡轮做功 但试验结果并不是这样 从下面试验图比较两种增压系统的功率损失 并从理论分析和试验数据来说明两种发动机油耗是在同一水平上 对高效的机械增压器来说 发动机曲轴皮带轮通过皮带来驱动增压器工作 增压器获得的输入功率并非全部被消耗掉 因为机械增压系统能够使发动机进气比排气保持正压 从而推动活塞做功 使发动机又重新获得一部分功率 对此过程进行优化 可以最小化机械增压发动机的燃油消耗 以1 8L机械增压发动机和1 8L涡轮增压发动机试验曲线为例 当使用机械增压时 进气歧管压力总是大于排气歧管的背压 这个正的压差可使发动机获得正的功率 见图2 当使用涡轮增压时 在大部分时间里进气歧管压力总是小于排气歧管的背压 这个压差使发动机失去功率 见图 通过降低机械增压器的输入功率 优化增压器工作效率 能有效的改善发动机的燃油经济性 机械增压的正压做功区域图 涡轮增压器的负压做功区域图 6 机械增压更适合非直喷汽油机 6 1机械增压适用于非直喷汽油机 涡轮增压适用于柴油机和直喷汽油机涡轮增压的根本特点是 它所能处理的质量流量跨度範围比较小 当质量流量增幅达到一定程度 就必须让部分流量通过放空阀旁通 这给发动机的工作过程带来一些不利的因素 恰恰在质量流量的跨度範围这一点上 柴油机跟汽油机有很大的差别 柴油机因为依靠变质调节的方式调节扭矩 没有节气门 每个循环吸入的空气量相差不大 其质量流量的差异主要由转速变动造成 所以柴油机的质量流量跨度範围只有6 5 1左右 相比之下 传统的汽油机 指缸内直喷式汽油机GDI以外的汽油机 依靠变量调节的方式调节扭矩 通过节气门调节空气流量 随负荷的变动 每个循环吸入的空气量相差很大 加上汽油机转速的变动範围比柴油机大得多 所以汽油机的质量流量跨度範围可达75 1 接近于柴油机这个指标的12倍 这导致涡轮增压汽油机的瞬时工况较差 而采用机械增压就没有这个问题 缸内直喷式汽油机在低工况下的节气门是全开 这跟柴油机差不多 只是在高工况下节气门开度才会随负荷变动而变动 所以GDI的质量流量跨度範围跟柴油机比较接近 也比较适合采用涡轮增压 6 2机械增压器有利于降低汽油机排放汽油机起动和起动後暖机阶段的混合气需要特别加浓 造成大量的碳氢化合物和一氧化碳排放 如前所述 迅速提高催化转化器的温度 对于汽油机驱动的轿车满足欧洲第三阶段排放法规的要求具有特别重要的意义 涡轮增压器会降低排气温度 使催化转化器的温度不能迅速升高 影响它的转化净化效率 如果采用机械增压器 就没有这个问题 另外两者过渡工况不一样 对排放的影响也不一样 机械增压器结构和工作原理机械增压器本质上是高度工程化的罗茨式鼓风机 它没有内部压缩 两个三叶片转子都扭转了60度 这两个转子都由发动机曲轴通过皮带驱动 与废气系统不相干 机械增压器跟曲轴之间存在固定的传动比 这两个相向旋转的转子各有若干个突齿 在工作时互相啮合 扭曲的转子跟特殊设计的进口和出口几何形状相结合 有助减少压力波动 使空气流动平稳 工作时噪声较低 这种设计也使其效率比传统的罗茨鼓风机为高 这种设计也使其效率比传统的罗茨鼓风机为高 这种带有螺旋式转子和轴向进口的机械增压器可达到16 000r min的转速 从而缩小了体积 加上独有的SSI减振单元设计 以降低噪声和改进空气处理效率 转子上的涂层是EATON申请专利的APC 耐磨粉末涂层 以加强啮合 降低泄漏 提高效率 效率接近65 扭转的转子同时也使空气流可以轴向流动 方便了增压器在发动机上的布置 下图是显示增压器内部结构的爆炸图 爆炸图 组装图 工作示意图 机械增压发动机布置机械增压发动机通常有两种布置 节气门上游型和节气门下游型布置结构 两种布置各有其优缺点 节气门上游型 见下图 布置特点 节气门体放在增压器进气口前和空气滤清器之后 这种布置最大的好处是旁通阀可用一种自调节机械操纵真空膜片式旁通阀 旁通阀系统设计将在第4章详细介绍 这种旁通阀结构简单 可靠性好 成本上的优势非常明显 另外旁通阀开启特性不需要ECU单元控制真空电磁阀来操纵 简化了电控标定软件程序和硬件设备 缺点是节气门体离发动机进气歧管比较远 发动机的瞬态响应比节气门的响应速度略有滞后 瞬态增压响应性略差一些 相反地 节气门下游型布置特点 节气门体直接放在进气歧管之前和增压器之后 这种布置最大的好处是节气门体离发动机进气歧管很近 瞬态增压响应性要好一些 缺点是 节气门体后的真空度因为增压器始终工作而不稳定 旁通阀开启操纵无稳定的真空来源 必须要用电机驱动旁通阀片 类似于增加一个电子节气门体 这样ECU控制单元的软件程序复杂 导致系统成本增加得很高 综合各方面因素 1 8L机械增压发动机选用了节气门上游型布置 节气门上游型布置 节气门上游型布置 附件轮系的设计 与基础发动机优化匹配机械增压汽油机热力学开发主要以扭矩 功率输出最大化 以及降低油耗为目标 通常影响因数有 传动比 进 排气道 进 排气歧管 压缩比 配气相位 残余废气系数等 这些影响因素的合理匹配直接决定了发动机的动力性 经济性以及排放等性能 6 1传动比计算为基础发动机匹配合适的增压器主要是传动比的选择 而传动比的选择主要考虑两个方面 使得发动机常用工况落在增压器的高效率区域内 而且发动机的极限转速通过传动比换算后不超过增压器的极限转速 另外发动机对增压器传动比选择还需要考虑皮带的可靠性和寿命 下图是1 8L机械增压器的全特性图 主要包括质量流量 或体积流量 等熵效率和功率消耗 确定发动机常用工况转速后 可以先通过简单模型计算获得增压器一些特性参数 对应于全特性图可以确定常用工况转速是否落在增压器高效率区域 然后通过全模型设定传动比 验证计算结果是否与简单模型的结果相符合 如下图所示 在常用转速工况内 增压器效率都比较高 已经超过了50 机械增压器全特性图 外特性机械增压器效率图 6 2 进气道和排气道增压发动机由于进气管内的压力大于大气压力 所以在进气量会比自然吸气的发动机增加很多 所以在气道的选择上与自然吸气的发动机有所区别 自然吸气发动机气道的选择需要考虑高速时的进气量 保证高速时的功率 增压发动机气道的选择则需要考虑增加缸内流动 保证空气 燃油和残余废气混合充分 增加燃烧速度 减少爆震倾向 另外 由于增压机缸内混合气质量远远超过自然吸气的发动机 所以考虑排气道时 需要考虑排气门座圈直径 在排气冲程时 能够排出更多的废气 特别是低速时需要保证缸内残余废气系数保持在比较合适的水平 残余废气系数如果比较大 不仅各循环燃烧压力波动比较大 燃烧不稳定 而且会增加发动机的爆震倾向 6 3 进气歧管和排气歧管 由于增压作用仅仅使进气歧管内混合气密度增加 而气流速度与非增压汽油机变化不大 所以进气歧管的截面机无须大于非增压汽油机所用截面积 因布置方面的原因 进气歧管是全新设计 最初试验把两种长度 100mm和200mm 的进气歧管放在发动机台架上测试 试验后发现发动机输出扭矩和功率曲线几乎重叠 试验和计算表明进气歧管长度和谐振腔容积对发动机的输出性能 功率 扭矩等 影响很小 另外 为了排气系统噪音优化的需要 排气管截面积应使气体在排气管中的流速控制在40 45m s之间 一般来说 机械增压发动 机对排气歧管设计要求与自然吸气发动机类似 基础发动机的排气歧管为典型螃蟹型等长度管道设计 根据CFD计算分析和评估 非常适合机械增压发动机 这一点与涡轮增压发动机不同 涡轮增压发动机对排气歧管内气流脉动效果考虑较多 对排气歧管长度 截面直径 形状等设计匹配也复杂很多 6 4 压缩比选择试验研究和对比计算表明 压缩比增大 内燃机指示效率提高 其功率扭矩都会增加 见图7不同压缩比扭矩对比图 但压缩比增大到一定程度后 指示效率上升越来越慢 因为循环热效率增长速度减少时 在基本燃烧阶段所放出的相对热量减少 而在膨胀过程中后燃的燃料份额增大 汽缸中的最高温度提高 热分解及向汽缸壁传热的强度都增大 暴燃倾向加剧 这要求提高燃料的辛烷值 所以内燃机指示效率减慢 升功率随压缩比提高的增长速度也减慢 随着压缩比的提高 汽缸中的最高压力提高 机械损失增大 启动变得困难 也就是说在增压发动机中 当增压压力提高时 压缩比要减少 应使压缩比与增压压力合理匹配才能显著增大发动机的升功率和升扭矩 同时燃油经济性也不会明显恶化 机械增压汽油机的压缩比范围在8 5 9 0合适 不同压缩比的发动机扭矩输出对比图 6 5 气门重叠角合适的气门重叠角对于机械增压发动机性能的提高有很重要的作用 气门重叠角比较大 不仅会使废气发生倒流 进入到进气道中 从而使得缸内残余废气系数超过稳定燃烧的极限而造成燃烧不稳定 甚至发生失火 而且会使机械增压发动机在高速大负荷时 由于进气管内压力远远大于排气管内的压力 所以在进排气门同时打开时 会使得新鲜混合气被扫入排气管中 而造成HC排放过高 气门重叠角过小 扫气不充分 内部EGR过大 残余废气系数过大 不仅各循环燃烧压力波动比较大 燃烧不稳定 而且会增加发动机的爆震倾向 气门重叠角的选择需要考虑进气门处与排气门处的压力之比 特别是怠速时进气管内的真空度 在进行匹配计算时 需要考虑气流速度方向 防止气流发生倒流 如图显示 不同气门重叠角高度对机械增压发动机性能的影响 6 7增压机的中冷系统设计汽油机增压时 提高增压压力主要受到爆震和热负荷的限制 而降低增压空气的温度对减轻爆震和降低热负荷具有较大作用 增压发动机采用中冷器后对提高发动机功率和燃油经济性以及减轻爆震都是有利的 一般增压空气温度每降低10 汽油机功率可增加2 5 燃油经济性也有改善 采用中冷 使进气温度降低 相应气缸内压缩温度和最高燃烧温度 排气温度都有所降低 这对改善汽油机的热负荷也是有利的 增压空气的中冷效果取决于热交换器的大小 冷却介质温度以及冷却介质的流量等因素 中冷系统两种典型的结构型式 独立循环水 空气式中冷系统 空气 空气式中冷系统 由于布置原因 本文讨论的这款增压发动机采用空气 空气式中冷系统 根据机械增压器与发动机匹配计算 要求在发动机最大功率点和最大扭矩点 中冷后的进气温度不允许超过65 中冷器前后的最大进气压降不超过8KPa 中冷器效率大于75 以此来定义中冷器的尺寸 6 7增压机的旁通阀系统设计在汽车用增压发动机应用领域 一般都在增压机进气管路或排气管路上采用了旁通阀 为防止发动机过增压 或者当发动机不需增压时 旁通阀就会使增压空气进行环流 以便节省燃油 本文讨论的这款机械增压发动机 其旁通阀系统设计非常独特 既不是常用的电磁阀控制真空膜片式旁通阀 也不是步进电机直接驱动的旁通阀 而是一种自调节机械操纵真空膜片式旁通阀 这种旁通阀结构 不需要增加任何电磁阀控制和电机控制装置 直接从发动机节气门体附近取真空 做到与增压发动机自适应和自调节 通过真空执行器里的膜片推动拉杆来操纵旁通阀片 开度 其旁通阀片开度与推杆的行程成比例 而推杆的行程完全由真空执行器的真空度决定 这种旁通阀结构简单 可靠性好 与前面的两种旁通阀比较 成本上也具有很大优势 其旁通阀的主要参数如下 旁通阀开启真空度90mmHg 完全开启真空度250mmHg 而旁通阀完全