OPTIMIZATION OF 2‐STAGE TURBOCHARGED GAS SI ENGINE UNDER STEADY STATE OPERATION

Abstract

The proposed paper deals with an optimization of a highly‐turbocharged large‐bore gas SI engine. Only steady state operation (constant engine speed and load) is considered. The paper is mainly focused on theoretical potential of 2‐stage turbocharging concept in terms of performance and limitation. The results are obtained by means of simulation using complex 0‐D/1‐D engine model including the control algorithm. Different mixture composition concepts are considered to satisfy different levels of NOx limit – fresh air mixed with external cooled EGR is supposed to be the right approach while optimal EGR level is to be found. Considering EGR circuit, 5 different layouts are tested to select the best design. As the engine control is relatively complex (2‐sage turbocharger group, external EGR, compressor blow‐by, controlled air excess), 5 different control means of boost pressure were considered. Each variant based on above mentioned options is optimized in terms of compressor/turbine size (swallowing capacity) to obtain the best possible BSFC. The optimal variants are compared and general conclusions are drawn.

Práce se zabývá optimalizací vysoce přeplňovaného velkého plynového zážehového motoru. Pouze ustálené režimy (konstantní otáčky a zátěž) jsou uvažovány. Článek je primárně zaměřen na teoretický potenciál dvoustupňového přeplňování z hlediska dosažených parametrů a omezení. Výsledky byly získány pomocí komplexního 0‐D/1‐D modelu motoru včetně řídícího algoritmu. Různé koncepce složení směsi jsou uvažovány pro dosažení různých limitů pro NOX – předpokládá se, že správný přístup zahrnuje mísení čerstvé směsi s EGR a hledá se optimální úroveň EGR. Co se týká EGR, tak je testováno celkem 5 variant okruhů EGR, ze kterých se vybírá nejlepší varianta. Protože řízení motoru je relativně komplexní (dvoustupňová plnicí skupina, vnější EGR, přepouštění na straně kompresoru, přebytek vzduchu), je testováno 5 různých způsobů řízení plnicího tlaku. Každá varianta založena na výše uvedených konfiguracích je optimalizována z hlediska velikosti kompresoru/turbiny (hltnost) pro nejlepší měrnou spotřebu. Jsou porovnány optimální varianty a formulovány obecné závěry.