涡轮增压单缸柴油机哪儿有：带电动增压器的涡轮增压柴油机的

文丨聆听娱纪

编辑丨聆听娱纪

由于越来越严格的二氧化碳（CO2）排放法规，内燃机的发展主要旨在提高热效率。大多数发展方向集中在新的燃烧技术上，这些技术不能直接应用于大规模生产的车辆。

然而，除了新的燃烧技术，许多已宣布的研究结果和应用技术还可以通过使用涡轮增压器和48V轻度混合动力技术来提高内燃机的热效率。

涡轮增压器技术对中等发动机转速下的功率提高有显著影响。然而，在低发动机转速下很难提高扭矩和效率，因为没有足够的废气为涡轮增压器的涡轮机提供足够的排气能量。

此外，还会出现涡轮滞后，即发动机响应降低，因为涡轮增压器的轴速度需要时间才能达到为了解决这些问题，已经提出了诸如具有两个或多个涡轮增压器的多级涡轮增压以及同时使用增压器和涡轮增压器进行双增压的替代方案。

这两种替代方案都有局限性，增加了系统的复杂性，并且不能解决涡轮滞后的内在问题。

在联邦测试程序-75（FTP-75）循环和新的欧洲驾驶循环（NEDC）的现有燃油经济性认证方法中，涡轮增压发动机的低速扭矩不足和涡轮滞后没有得到强调。

近年来，这已成为一个主要问题，因为在全球协调轻型车辆试验循环（WLTC）中，在加速过程中低速时缺乏增压，WLTC具有比FTP-75循环和NEDC更快的加速曲线。

并且实际驾驶排放（RDE）用于测量实际驾驶条件下的废气排放。这是驾驶员加速性能和燃油经济性降低非常不理想的重要原因

随着48V轻度混合动力系统的引入，可以向动力传动装置提供足够的电力。配备有大功率电气装置的内燃发动机车辆能够提高动力系效率。

一种电动增压器，驱动压缩机通过高压动力马达是一种可以直接提高内燃机效率的装置。

最近对电动增压器的研究有所增加，因为它可以直接安装在发动机上，而无需显著改变现有系统。

通过电动增压器获得的关于发动机性能改善的有限结果不一定适用于随着新出现的汽车排放问题而产生的情况。

目前，世界各地的柴油发动机都受到关于氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放的监管。

为了满足规定，柴油车辆上标配了柴油颗粒过滤器（DPF）、柴油氧化催化剂（DOC）、稀氮氧化物捕集器（LNT）和废气再循环（EGR）。

此外，还安装了装有尿素水和选择性催化还原（SCR）的DENOx系统。认为有必要对装有电动增压器的发动机系统的废气排放进行基础研究，以使废气减排系统与电动增压器相匹配。

在本研究中，同时对装有电动增压器的柴油机的性能和排气特性进行了研究。

为了分析排气特性的原因，使用燃烧分析仪和燃烧压力传感器进行燃烧分析。还测量了进气和排气的温度和压力，以分析配备48V电动增压器的柴油机的排气特性。

通过优化发动机控制参数和电动增压器的运行，对提高发动机效率时的排气特性和燃油效率进行了多方面分析。

基础发动机规格和发动机实验布局

本研究中使用的发动机是1.6升涡轮柴油发动机，该发动机经常安装在小型城市运动型多用途车（SUV）中。

它是与涡轮增压器一起使用的最佳尺寸的发动机，目前被广泛使用。有了电动增压器，这种发动机有可能通过增加低速扭矩和提高燃油效率来提高性能。

它必须减少废气排放。基本发动机的详细规格如表1所示

表1基础发动机的规格

制造了一个实验装置来测量配备电动增压器的发动机的燃料消耗、功率和废气排放。图1显示了实验装置的示意图。

图1。实验示意图

从而可以根据实验条件来选择进气的路径。为了根据实验条件测量燃烧压力的变化，将燃烧压力传感器插入1号气缸的电热塞孔中，并使用燃烧分析仪获取和分析数据。

电动增压器的规格和位置

电动增压器具有表2中列出的规格，适用于1.6升柴油涡轮发动机低速范围内的充气。

表2电动增压器规格

电机类型为永磁同步电机（PMSM），由于其高功率密度，具有体积小、效率高的优点。原因是不需要电源，因为定子会产生磁场。

此外，据评估，电动增压器的电机能够快速加速和减速，以实现快速的瞬态发动机响应。

从电源以48V提供恒定的电力。额定电流为67.43 A，额定功率为3.261 kW。

在电动增压器的最高速度下，轴产生的功率约为3 kW，因为考虑到机械损耗、摩擦和电效率，总损耗假设约为8%，离心式压缩机的最大转速为70000 rpm。

由于电动增压器的电源板产生大量热量，因此安装了额外的水冷系统进行连续实验。

电动增压器在车辆上运行时，只有在快速加速时才能明显使用，因此不会引起电源板的散热问题。

然而，有必要使其运行足够的时间来校准发动机控制参数并分析排气。它配备了一个独立于发动机冷却系统的外部水冷系统。

电动增压器可以安装在三种情况下：涡轮增压器的前部；涡轮增压器的后部，其中电动增压器和涡轮增压器连接到一个进气管路；以及并联充电，其中电动增压器和涡轮增压器的进气管路与发动机并联。

实验程序和条件

为了计算具有电动增压器的发动机的燃料效率和排气特性，使用下述条件进行了实验。

该实验是在1250转/分的转速下进行的，正如之前的模拟研究所揭示的那样，这具有很高的最大扭矩上升潜力。

电动增压器在最大转速下运行，根据发动机基本实验结果选择可变几何涡轮（VGT）的位置和主燃料喷射量。

VGT是一种通过连接在涡轮增压器排气涡轮机壳体上的可变叶片根据排气流量改变喷嘴面积的技术。

其设计目的是在低排气流量的条件下通过关闭叶片来增加排气流的速度，并在高排气流量的情况下通过打开叶片来降低排气阻力。在实验中，100%的VGT位置意味着叶片关闭。

主燃料喷射量的最大条件被设置为55mg/stk，因为当电动增压器操作时，这是接近柴油的化学计量空燃比（14.5:1）的最大可喷射条件。

实验的步长为5mg/stk。实验是在30和35 mg/stk的条件下进行的，这两个条件小于基本条件（35.89 mg/stk），

因此可以确定测试结果的趋势。实验条件如表3所示。

表3发动机基本性能试验的实验条件

实验在28摄氏度和63%湿度的大气条件下进行，同时保持85±3摄氏度的冷却剂温度，对其进行预热以减少每次实验的偏差。

在基础发动机的条件下，先导燃油喷射量和后燃油喷射量没有变化。

后燃料喷射不起作用，因为它在最大功率运行条件下没有促进DPF和LNT的再生。

表4燃油喷射条件

表4中列出了详细的注入开始（SOI）和引燃器1、引燃器2、Main和Post的数量。

本章描述了在每种实验条件下，由于充气和燃烧特性的变化而导致的性能改进。给出了燃油效率和排放特性的结果。

提出了电动增压器的运行如何通过改变发动机燃烧来改变燃油效率和废气排放特性。通过使用单位扭矩的燃料消耗和排放来比较燃料效率和废气排放。

这种比较适用于扭矩和进气流量变化较大的实验。

带电动增压器的发动机的功率结果

图2显示了在电动增压器运行下，根据主燃料喷射量的变化，指示平均有效压力（IMEP）和制动平均有效压力的比较。

图2。指示平均有效压力（IMEP）和制动平均有效压力结果的比较。

IMEP是气缸中产生的平均有效压力，BMEP是曲轴处的平均有效压强。

它们是比较功率与电动增压器应用的重要因素。IMEP和BMEP在除30mg/stk外的所有实验条件下均增加。

与在55mg/stk和50%VGT位置的条件下充入足够的空气相比，由于过量的燃料喷射，结果降低。

通过使用35 mg/stk的电动增压器，功率增加了，这是比基本条件下使用的35.89 mg/stk更低的燃料量。

这是使用电动增压器提高容积效率的结果，在55mg/stk和90%VGT位置的条件下，显示了最大功率性能的结果，证实IMEP比基本位置增加了52.86%。

通过电动增压器在1250转/分时提高了低速扭矩。

图3显示了与发动机产生的扭矩损失相关的摩擦平均有效压力（FMEP）和泵送平均有效压力的结果。

FMEP是通过IMEP和BMEP之间的差异获得的结果，PMEP是根据燃烧分析仪获取的进气过程中气缸中的PeV图计算的。

在所有实验条件下，FMEP随着主燃料喷射量的增加而增加。

这是当发动机转速或BMEP增加时发生的常见现象。当主燃料喷射量增加时，FMEP在50%和70%VGT位置条件下的增加率低于在90%VGT位置的增加率。

当PMEP为正时，意味着气体交换循环中的泵送损失。PMEP在基础和90%VGT位置的条件下是正的，而在50%和70%VGT位置其余条件下是负的。

判断电动增压器的操作对PMEP的降低具有主导作用。此外，在50%和70%VGT位置的条件下，PMEP随着主燃料喷射量的增加而降低。

通过燃料量的增加被认为是排气能量的增加，从而导致涡轮增压器的转数增加。

在55mg/stk和50%VGT位置的条件下，PMEP的增加是由于燃烧效率的降低，这降低了涡轮增压器的排气能量和充气效率。

电动增压器的进气充气结果

图4显示了电动增压器运行过程中每种情况下进气歧管压力的结果。

进气歧管压力结果的趋势与IMEP和BMEP结果的趋势一致。结果表明，增加进气量对功率增加的影响。

图4。进气歧管压力与电动增压器的比较。

图5显示了根据VGT位置和主燃料喷射量的涡轮增压器压缩机的工作区域。

图5。涡轮增压器压缩机的充气特性

涡轮增压器压缩比在50%VGT位置的非线性趋势意味着涡轮增压器在30、35、55mg/stk条件下的转速低于40e50mg/stk条件。

低转速的原因是在30、35mg/stk的条件下由于进气压力和燃料量的减少而导致的排气能量的减少，在55mg/stk条件下由于比化学计量空燃比更浓的燃料量而导致的燃烧效率的降低。

电动增压器的燃烧特性

图6显示了每个实验条件下的燃烧压力和放热率（ROHR）。

图6。燃烧压力和放热率（ROHR）的比较。

这些图是按照50%、70%和90%VGT位置的顺序绘制的。在除30mg/stk和50%VGT位置外的所有实验条件下，燃烧压力的峰值和趋势都高于基准。

此外，在所有条件下，燃烧压力都倾向于随着燃料量的增加而增加，除了在55mg/stk和50%VGT位置。

这支持燃烧效率的增加和降低，通过进气歧管压力、FMEP和PMEP的结果得到证实。

图7显示了所有实验条件下燃烧质量分数（MFB）10%、50%和90%的结果。

图7。燃烧质量分数（MFB）的比较

图8是比较每个实验条件下的空燃比和燃烧持续时间的曲线图。

图8。空燃比和燃烧持续时间的比较。

通过两张图的结果，可以证实在相同的燃料量下，燃烧时间随着VGT位置的增加而减少。

与基础相比，在40mg/stk和70%VGT位置以及45mg/stk的位置和90%VGT的位置MFB提高了90%。

在相同VGT位置的条件下，燃烧时间随着燃料量的增加而增加。在50和55mg/stk以及50%VGT位置的条件下，燃烧时间减少。

原因是由于比化学计量空燃比浓（或接近），不能完全燃烧的燃料比例增加。MFB 10%和MFB 50%的趋势与MFB 90%的趋势相似。

图9显示了在涡轮增压器前部测得的废气温度。当基于相同的主燃料喷射量进行比较时，存在比基本条件下的温度低得多的温度趋势。

图9。废气温度特性。

在50和55mg/stk的条件下的废气温度高于在基本条件下的排气温度。然而，与BMEP和IMEP的增加速率相比，温度上升速率较低。

本文通过改变VGT的位置和主燃料喷射量，对涡轮增压器前部装有电动增压器的柴油机的功率、燃油效率和废气排放进行了比较研究。

为了分析电动增压器运行过程中发动机控制参数与性能和废气排放之间的相关性，利用燃烧压力数据从燃烧的微观角度识别了废气排放的特征。

在本研究中，分析了电动增压器运行时柴油机排气排放和效率的变化，这在以前的研究中没有进行过研究。

通过电动增压器的运行和主燃油喷射量的调整，提高了发动机的低速扭矩，48V电动增压器有望在燃油效率和废气排放方******有明显的优势。

根据这项研究的结果，未来应进行研究，通过EGR率和引燃喷射量的变化来分析包括NOx在内的废气排放的变化。