內(nèi)燃機兩級渦輪增壓技術的研究

潘旭 高昊

摘 要：近年來，隨著客戶要求的提高，對整車動力性、經(jīng)濟性、舒適性提出更高的標準，同時為了兼顧日趨嚴格的法規(guī)要求，兩級渦輪增壓技術成為增壓技術的研究熱點和發(fā)展趨勢。論文針對某型號兩級增壓柴油機進行試驗，結果表明，兩級增壓有效提高了柴油機全工況性能，尤其是低速工況及部分負荷工況的動力性和燃油經(jīng)濟性。

關鍵詞：兩級增壓；渦輪；發(fā)動機性能

中圖分類號： TK421 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）22-193-2

0 引言

隨著能源與環(huán)境問題日益明顯，且為適應越來越嚴格的排放法規(guī)要求，對內(nèi)燃機的動力性與經(jīng)濟性提出了更高的要求。因此，內(nèi)燃機節(jié)能減排是備受關注的重大科學問題，也是國家能源戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。通過兩級渦輪增壓降低內(nèi)燃機的排量，是內(nèi)燃機節(jié)能和減排的關鍵技術之一。

1 兩級渦輪增壓技術的研究現(xiàn)狀

兩級增壓系統(tǒng)（Two-stage System）

兩級增壓技術將兩臺渦輪增壓器（大小可異同、可有無放氣閥、可廢氣渦輪或機械、電力驅(qū)動）聯(lián)合運行，通過控制系統(tǒng)可以按不同順序、不同比例的多種調(diào)節(jié)措施對空氣進行一級或兩級壓縮。某兩級渦輪增壓是兩個WGT增壓器進行串聯(lián)，通過真空調(diào)節(jié)器對增壓器的高、低壓技術進行控制，從而滿足內(nèi)燃機各工況下進氣量的需求。

因此，近年來兩級渦輪增壓成為內(nèi)燃機增壓領域受到關注的熱點之一。

但兩級增壓匹配復雜且難度大，是兩級增壓技術研究的主要難點。兩級增壓系統(tǒng)有大小、類型不同的兩級增壓器，兩級增壓器之間以及它們與發(fā)動機的氣動聯(lián)系更為復雜，對匹配提出了更高的要求。

另外，高低壓兩級增壓器在不同發(fā)動機工況下的運行特性及變化趨勢是不一致的。

2 兩級增壓器性能試驗及驗證

2.1 兩級增壓器性能試驗

論文選用某型號兩級渦輪增壓柴油機為研究對象，發(fā)動機主要參數(shù)見下表：

2.2 試驗結果：（匹配兩級增壓器與VGT增壓器的區(qū)別）

2.3 試驗總結

從以上圖示可以看出，為兼顧低速與高速的動力性，兩級增壓器是非常完美的一個選擇。

低速段，通過增壓器高壓級的工作來滿足動力性；高速段，通過增壓器低壓級的工作來滿足動力性。同時，在中負荷區(qū)域，油耗也有所降低。兩級增壓器在平原地區(qū)滿足動力性的要求，同時也彌補了高原地區(qū)因空氣稀薄導致的一系列動力性問題。

3 兩級增壓器控制原理

兩級增壓器控制原理如下圖所示。整個結構中需要控制三個閥，包括高壓渦輪旁通閥、低壓渦輪旁通閥和高壓壓氣機旁通閥，其中進氣側一個閥，廢氣側為兩個閥。

三個閥門的大體作用：高壓渦輪旁通閥控制進入高壓級渦輪和低壓級渦輪的廢氣比例，低壓渦輪旁通閥控制進入低壓級渦輪的廢氣量，而高壓壓氣機旁通閥則控制新鮮空氣進入高壓級壓氣機的比例，可以控制整個增壓系統(tǒng)是單級工作還是兩級工作。三個閥門均為負壓控制，氣動調(diào)節(jié)。高壓渦輪旁通閥和低壓渦輪旁通閥的開度是連續(xù)可調(diào)的，高壓壓氣機旁通閥開度不能連續(xù)可調(diào)，只有全開和全關兩種狀態(tài)。事實上，閥的開度如何控制取決于其真空管路上的控制閥類型，即真空切換閥和真空控制閥。

試驗原理：隨著發(fā)動機轉速的提高，低壓機壓氣機壓比一直上升，而高壓級壓氣機壓比先上升，隨后隨旁通閥的開啟而降低，總壓比完全滿足內(nèi)燃機性能的需求；發(fā)動機中低轉速時，高低兩級壓氣機都具有較高的效率。當發(fā)動機處于低轉速工況運行時，旁通閥完全關閉，高溫排氣氣順次流經(jīng)高低兩級增壓器的渦輪。隨著發(fā)動機轉速的提高，兩級渦輪的流量的增長量一樣，所以兩級增壓器的壓比都上升，總壓比及進氣能力都提高。然而，當總壓比太高時，即增壓壓力太大了，這樣，就要限制增壓器的開度，避免增壓器超速，從而造成增壓器的損壞。

4 兩級增壓器運行工況的分布

兩級增壓系統(tǒng)運行特點見下圖，發(fā)動機整個工況范圍內(nèi)分為三個工作區(qū)域①、②、③。①和②區(qū)域為高壓級、低壓級同時工作，即兩級增壓；③區(qū)域為單級增壓，只有低壓級工作。②和③區(qū)域分別調(diào)節(jié)高壓渦輪旁通閥和低壓渦輪旁通閥來達到目標增壓壓力，即增壓壓力作為控制目標，閉環(huán)控制；而①區(qū)域三個閥全部關閉，增壓壓力不作為控制目標，也不進行控制，類似WGT 的單級增壓。

5 結論

通過對兩級增壓器的研究，匹配結果表明，兩級渦輪兼顧發(fā)動機的低速與轉速的性能，有效提高該柴油機全工況性能，提高了低速工況及部分負荷工況動力性和燃油經(jīng)濟性。

參 考 文 獻

[1] 朱大鑫，渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.