基于VGT的兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性研究

董素榮 劉瑞林 林春成 張金明 李浩

（1.陸軍軍事交通學(xué)院，天津 300161；2.陸軍裝甲兵學(xué)院士官學(xué)校，長春 130117；3.康躍科技股份有限公司，壽光 262718）

主題詞：兩級可調(diào)增壓系統(tǒng) VGT 渦輪調(diào)節(jié)閥 調(diào)節(jié)特性

1 前言

隨著人們對柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性的不斷追求和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，單級渦輪增壓器已經(jīng)不能滿足柴油機(jī)較寬流量范圍的使用需求，特別是高海拔動力輸出需要更多的新鮮充量供給，因而兩級可調(diào)高增壓技術(shù)成為必然的選擇。兩級增壓系統(tǒng)具有高增壓比、流量范圍大的特點(diǎn)，同時(shí)也有較好的動態(tài)響應(yīng)特性[1-5]。

國外一些企業(yè)自20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行了兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)的研究工作，并已運(yùn)用于大型載貨汽車和乘用車上[6-8]。兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)能否達(dá)到提高柴油機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，制定合理的控制策略是關(guān)鍵。而對兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)能力研究，是兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)控制策略制定的依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)應(yīng)用于柴油機(jī)的前提。

鑒于此，進(jìn)行了基于高壓級VGT（Variable Geometry Turbocharger）的兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)研究，分析了兩級可調(diào)增壓器高壓級VGT葉片開度及高、低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度對兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)總壓比、高/低壓級增壓器轉(zhuǎn)速、渦前壓力等性能參數(shù)的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)規(guī)律，為柴油機(jī)兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)控制策略的制定提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

基于單級渦輪增壓器性能試驗(yàn)臺，搭建了VGT兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由兩級可調(diào)增壓器渦輪燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、壓氣機(jī)出口壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及基于VGT的兩級可調(diào)增壓器組成。渦輪燃?xì)夤┙o系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)提供氣源，通過渦輪進(jìn)氣閥進(jìn)入燃燒室，與燃料混合燃燒形成高溫高壓氣體，推動兩級渦輪高速旋轉(zhuǎn)，兩級渦輪帶動兩級壓氣機(jī)對進(jìn)氣進(jìn)行增壓。通過調(diào)節(jié)渦輪進(jìn)氣閥開度和燃燒室的噴油量控制渦輪工作狀態(tài)，通過壓氣機(jī)放氣閥控制壓氣機(jī)出口壓力，調(diào)節(jié)壓氣機(jī)流量。

圖1 兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)系統(tǒng)

兩級可調(diào)增壓器的高壓級為可變截面渦輪增壓器（JK70S），低壓級為固定截面渦輪增壓器（JP100S），高、低壓級渦輪采用垂直連接，以減小燃?xì)饬鲃訐p失，高壓級VGT葉片開度和高、低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥均由電動執(zhí)行器驅(qū)動。VGT葉片旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)范圍為36.5°～77.9°，對應(yīng)葉片開度為100%～0%。

兩級可調(diào)增壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 高、低壓級壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 高、低壓級渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 VGT葉片調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，高、低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥保持全關(guān)位置，VGT葉片開度調(diào)至20%，調(diào)節(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)氣流量和噴油量，設(shè)定高壓級增壓器至某一固定轉(zhuǎn)速。逐漸增大VGT葉片開度至40%、60%、80%、100%，考察VGT葉片調(diào)節(jié)能力。

2.2.2 渦輪調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)

保持VGT葉片開度為60%（此時(shí)渦輪效率較高），高、低壓級調(diào)節(jié)閥全關(guān)不變，調(diào)節(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)使高壓級增壓器達(dá)到某一固定轉(zhuǎn)速。高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥從全關(guān)逐漸增大開度（20%、40%、60%、80%、100%），考察高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力。調(diào)節(jié)低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度至40%和100%，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，考察低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高壓級VGT葉片開度調(diào)節(jié)特性

圖2和圖3分別為低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)，高、低壓級增壓器轉(zhuǎn)速和渦前壓力隨VGT葉片開度的變化曲線。

圖2 VGT葉片開度對高、低壓級轉(zhuǎn)速的影響

圖3 VGT葉片開度對高、低壓級渦前壓力的影響

由圖2和圖3可看出，隨高壓級VGT葉片開度的增加，高壓級增壓器轉(zhuǎn)速和渦前壓力降低，低壓級增壓器轉(zhuǎn)速和渦前壓力逐漸增加，但與高壓級相比增加幅度很小。同時(shí)，隨高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度的增加，VGT葉片調(diào)節(jié)能力下降。在高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥關(guān)閉的情況下，當(dāng)VGT葉片開度從20%增加至100%時(shí)，高壓級增壓器轉(zhuǎn)速、渦前壓力分別下降36.0%和34.9%，低壓級增壓器轉(zhuǎn)速、渦前壓力分別上升22.2%和12.6%。在高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥全開的情況下，當(dāng)VGT葉片開度從20%增加至100%時(shí)，高壓級增壓器轉(zhuǎn)速、渦前壓力分別下降25.2%和25.8%，低壓級增壓器轉(zhuǎn)速、渦前壓力分別上升16.4%和10.1%。

在低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)，高、低壓級壓比隨VGT葉片開度的變化曲線如圖4所示。其變化趨勢與高、低壓級轉(zhuǎn)速的變化趨勢一致，但總壓比仍逐漸降低，如圖5所示。從圖4和圖5可看出，在高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥關(guān)閉情況下，當(dāng)VGT葉片開度從20%增加至100%時(shí)，高壓級壓比下降31.8%，低壓級壓比增大24.9%，兩級增壓器總壓比下降14.8%；在高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥全開的情況下，當(dāng)VGT葉片開度從20%增加至100%時(shí)，高壓級壓比下降19.5%，低壓級壓比增大14.1%，兩級增壓器總壓比下降8.2%。這是由于隨高壓級VGT葉片開度增加，高壓級渦輪流通截面積增大，流經(jīng)高壓級渦輪的氣體膨脹做功逐漸減少，渦前壓力也逐漸降低，而低壓級渦前壓力逐漸增大，故高壓級轉(zhuǎn)速下降，低壓級轉(zhuǎn)速逐漸上升，進(jìn)而導(dǎo)致高壓級壓比減小，而低壓級壓比增大。

圖5 兩級增壓器總壓比隨VGT葉片開度的變化曲線

3.2 高、低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性

圖6 和圖7分別為在VGT葉片開度一定（60%）的情況下，高、低壓級增壓器轉(zhuǎn)速和渦前壓力隨渦輪調(diào)節(jié)閥開度的變化曲線。由圖6和圖7可看出，隨高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度的增大，更多的廢氣流量繞過高壓級渦輪直接進(jìn)入低壓級渦輪進(jìn)行膨脹做功，使得高壓級增壓器轉(zhuǎn)速、渦前壓力降低，而低壓級增壓器轉(zhuǎn)速、渦前壓力升高。但由于低壓級增壓器流通截面積和轉(zhuǎn)動慣量大于高壓級，導(dǎo)致各項(xiàng)性能參數(shù)的變化幅度小于高壓級。當(dāng)高壓級調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到全開時(shí)，高壓級轉(zhuǎn)速下降14.0%，渦前壓力下降7.5%，低壓級轉(zhuǎn)速升高4.1%，渦前壓力僅升高0.8%。

從圖6和圖7可知，隨低壓級調(diào)節(jié)閥開度的增加，高壓級增壓器轉(zhuǎn)速和渦前壓力略有降低，低壓級增壓器轉(zhuǎn)速和渦前壓力均降低。這是由于低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度增大，使得部分廢氣不經(jīng)過低壓級渦輪膨脹做功而直接排出，導(dǎo)致低壓級增壓器轉(zhuǎn)速下降，渦前壓力和膨脹功降低。

圖6 渦輪調(diào)節(jié)閥開度對高、低壓級轉(zhuǎn)速的影響

圖7 渦輪調(diào)節(jié)閥開度對高、低壓級渦前壓力的影響

圖8 為高、低壓級壓比隨高、低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度的變化曲線。

圖8 渦輪調(diào)節(jié)閥開度對高、低壓級壓氣機(jī)壓比的影響

由圖8可看出，隨高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度的增加，高壓級壓比逐漸降低，低壓級壓比逐漸升高。當(dāng)?shù)蛪杭壵{(diào)節(jié)閥關(guān)閉，高壓級調(diào)節(jié)閥從關(guān)閉到完全開啟時(shí)，高壓級壓比降低10.5%，低壓級壓比升高6.1%。在低壓級調(diào)節(jié)閥全關(guān)到全開時(shí)，高壓級壓比有小幅增加，低壓級壓比卻大幅減小，低壓級調(diào)節(jié)閥開度對低壓級壓比影響更大。

圖9為兩級增壓器總壓比隨渦輪調(diào)節(jié)閥開度的變化曲線。由圖9可看出，隨高壓級調(diào)節(jié)閥開度的增加，兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)總壓比不斷降低。雖然由圖8可知低壓級調(diào)節(jié)閥開度的增大對高壓級壓比有一定的提升作用，但因低壓級壓比的下降幅度更大，所以造成總壓比不斷降低。當(dāng)?shù)蛪杭壵{(diào)節(jié)閥關(guān)閉，高壓級調(diào)節(jié)閥全關(guān)到全開時(shí)，兩級增壓器總壓比下降5.0%。

圖9 兩級增壓器總壓比隨渦輪調(diào)節(jié)閥開度的變化曲線

3.3 VGT葉片和高、低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力

表3為VGT葉片及高、低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度對兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)參數(shù)的影響結(jié)果。由表3可知，VGT葉片和高壓級調(diào)節(jié)閥對兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)性能的調(diào)節(jié)規(guī)律一致，但VGT葉片對系統(tǒng)性能影響更大，VGT葉片調(diào)節(jié)能力是高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力的2倍以上，可作為兩級增壓系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)參數(shù)，高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥作為輔助調(diào)節(jié)參數(shù)。低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥對高壓級增壓器調(diào)節(jié)能力較弱，但對低壓級增壓器有較強(qiáng)保護(hù)能力。

表3 二級可調(diào)增壓系統(tǒng)性能參數(shù)變化百分比

4 結(jié)束語

a.高壓級VGT葉片與高壓級渦輪調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)規(guī)律相同，但VGT葉片調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，是高壓級調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)范圍的2倍以上，低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥對高壓級增壓器調(diào)節(jié)能力較弱。

b.隨高壓級VGT葉片開度的增加，高壓級轉(zhuǎn)速、渦前壓力及壓比降低，相反低壓級轉(zhuǎn)速、渦前壓力、壓比逐漸增大，兩級增壓器總壓比下降。

c.隨低壓級渦輪調(diào)節(jié)閥開度的增大，兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)總壓比不斷降低。雖然低壓級調(diào)節(jié)閥的開啟對高壓級壓比有一定的提升作用，但低壓級壓比的下降幅度更大，造成總壓比不斷降低。