基于某兩級渦輪增壓柴油車扭矩波動問題分析

張文博 馬志杰

摘要：兩級渦輪增壓器通過氣道閥門開關(guān)，在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)不同的氣體流動方式，以滿足發(fā)動機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍的增壓壓力要求，提高車輛不同工況的加速性。本文通過改真空系統(tǒng)的設(shè)計，提高真空系統(tǒng)的容積，解決了采用兩級渦輪增壓器的柴油車輛在路試中產(chǎn)生的扭矩波動和加速遲滯等問題，并通過優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了真空系統(tǒng)真空度的穩(wěn)定性。

Abstract： The two-stage turbocharger realizes different gas flow modes at different engine speeds through the airway valve switch， so as to meet the requirements of supercharging pressure in the whole engine speed range and improve the acceleration of vehicles under different working conditions. By changing the design of vacuum system and improving the volume of vacuum system， this paper solves the problems of torque fluctuation and acceleration hysteresis in the road test of diesl vehicles with two-stage turbocharger， and further improves the stability of vacuum system by optimizing the layout structure.

關(guān)鍵詞：扭矩波動;兩級渦輪增壓器;真空度

Key words： torque fluctuation;two stage turbocharger;vacuum degree

中圖分類號：TK421? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0039-03

0? 引言

現(xiàn)代柴油機(jī)的升扭矩和升功率指標(biāo)越來越高，更高的升扭矩意味著增壓器更高的增壓比，更高的升功率意味著更大尺寸的增壓器輪系，即更大的增壓器轉(zhuǎn)動慣量。以上兩方面進(jìn)一步惡化了“渦輪遲滯”[1]，所以行業(yè)內(nèi)某些發(fā)動機(jī)應(yīng)運而生采用兩級渦輪增壓技術(shù)，相比單級增壓系統(tǒng)，兩級增壓系統(tǒng)具有高壓比、寬流量的優(yōu)點[2]。同時，由于兩級增壓系統(tǒng)在低速匹配流量小、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小的高壓級渦輪增壓器，可以較好的改善發(fā)動機(jī)的低速扭矩和瞬態(tài)響應(yīng)性[3]。兩級渦輪增壓器主要有機(jī)械增壓配合渦輪增壓和雙渦輪增壓系統(tǒng)兩種方式[4]，其中雙渦輪增壓系統(tǒng)采用真空控制閥和管路控制增壓器氣道閥門開關(guān)，所以閥門的及時響應(yīng)成為一個比較關(guān)鍵的問題。若閥門關(guān)閉耗時慢，關(guān)閉時間不及時，將直接反應(yīng)在增壓器增壓壓力不足，導(dǎo)致車輛在行駛過程中出現(xiàn)扭矩波動，或加速不暢等問題。本文針對實際應(yīng)用兩級渦輪增壓器的柴油車輛在路試過程中出現(xiàn)的扭矩波動等問題，通過更改真空系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)從而加快增壓器氣道閥門關(guān)閉響應(yīng)的方式，進(jìn)行研究、驗證和解決。

1? 問題背景

在本公司某一開發(fā)過程中的兩級增壓柴油機(jī)車輛路試時，出現(xiàn)增壓器增壓壓力波動和真空度下降問題，如圖1所示。其具體表現(xiàn)為：車輛行駛時，當(dāng)發(fā)動機(jī)從轉(zhuǎn)速降低到約1500rpm以下，增壓器從兩級切換到單級時，真空源的真空度從-93kPa升高到-21kPa，增壓壓力從223kPa下降到116kPa，車輛扭矩降低，加速響應(yīng)慢。

2? 系統(tǒng)介紹和根本原因

2.1 兩級渦輪增壓器

兩級渦輪增壓器結(jié)構(gòu)上相比單級增壓器增加了一個廢棄渦輪和壓氣渦輪，且兩組渦輪直徑不同，轉(zhuǎn)動慣量存在差異，靠近高壓廢氣的（靠近排氣歧管）為高壓渦輪組，遠(yuǎn)離高壓廢氣的為低壓渦輪組，如圖2所示。圖3展示了兩級渦輪增壓器的基本工作原理：發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時，TBV關(guān)閉，WGV關(guān)閉，CBV關(guān)閉，廢氣先進(jìn)入高壓渦輪（HP turbocharger），再進(jìn)入低壓渦輪（LP turbocharger），但此時廢氣能量較低，低壓渦輪基本不起作用;發(fā)動中轉(zhuǎn)速時，TBV開啟，WGV關(guān)閉，CBV關(guān)閉，此時廢氣能量較高，高低壓渦輪同時工作，增壓器由單級模式切換為兩級模式;當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)入高轉(zhuǎn)速時，TBV、WGV和CBV同時開啟。TBV、WGV和CBV三個閥門的開關(guān)通過真空控制閥控制。

2.2 真空控制閥系統(tǒng)

兩級渦輪增壓器的TBV、WGV和CBV三個閥門，通過三個真空控制閥來控制它們的開關(guān)，如圖4所示。而真空控制閥是由ECU控制的三通電磁閥，通常在電磁閥運動階段，ECU提供給電路線圈定常高壓電，在這期間電流逐漸達(dá)到最大值。當(dāng)電磁閥閉合進(jìn)入保持階段，驅(qū)動模塊提供給電路線圈一定常低電壓，電流被降低到僅僅維持閥芯與內(nèi)套處于閉合狀態(tài)的數(shù)值。[5]

真空控制閥系統(tǒng)的真空源來自真空泵，真空泵由發(fā)動機(jī)凸輪軸帶動，為系統(tǒng)提供真空度。從真空泵端連接的管路連接到三個電磁閥進(jìn)口，再從電磁閥出口連接管路到增壓器。電磁閥根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行開關(guān)，從而控制與增壓器連接的管路中的真空度，進(jìn)而控制增壓器的內(nèi)部通道閥門開關(guān)。

2.3 根本原因分析

根據(jù)路試實際表現(xiàn)，車輛加速響應(yīng)慢主要來源于增壓壓力的降低，此為問題表象。同時分析真空度下降：因為真空度的大小、是否穩(wěn)定，將直接影響增壓器通道閥門的開關(guān)響應(yīng)和速度。當(dāng)真空度不足時，閥門將無法完全關(guān)閉，而當(dāng)真空度建立較慢時，閥門也將關(guān)閉緩慢。根據(jù)實測數(shù)據(jù)和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，分析得出根本原因為：當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低到約1500rpm以下時，此時增壓器將由兩級切換為單級，即TBV將關(guān)閉，廢氣只流向兩個渦輪而不被旁通。TBV關(guān)閉由圖5中的C電磁閥控制，即電磁閥收到指令，打開內(nèi)部開關(guān)，此時A管路中的氣體將通過C傳到B處的管路。而B處的管路此時有一定的真空度存在，但由于被A管路中的氣體混和，A+B整個管路段真空度將會降低，從而導(dǎo)致TBV處真空度不夠，而建立真空度又尚需一定時間，所以導(dǎo)致TBV處的氣體被旁通，發(fā)動機(jī)增壓壓力不足，車輛實際表現(xiàn)為扭矩降低，加速響應(yīng)慢。

3? 結(jié)構(gòu)更改和測試

3.1 真空罐

從根本原因角度出發(fā)，為避免電磁閥開啟后，兩段管路中的氣體混合導(dǎo)致真空度下降，定義長期措施為增加一個真空罐在整個真空系統(tǒng)中，以增加整個真空系統(tǒng)的容積，減弱外部混合進(jìn)來的氣體對整個真空系統(tǒng)的真空度影響。如圖6所示：其中D處為真空罐，其設(shè)計容積根據(jù)供應(yīng)商推薦值——1～1.5L，初步選擇1.5L，它由管路連接至一個三通管，三通管另兩端分別連接真空助力器和真空泵的主吸氣口。真空泵的副吸氣口連接至真空控制閥管路。這樣，整個真空系統(tǒng)的容積將大大增加，即便TBV處的一小段管路的空氣進(jìn)入，也不會使整個真空系統(tǒng)的真空度損失很多。

3.2 實車驗證

定義長期措施后，設(shè)計數(shù)據(jù)和制作樣件，然后通過實車搭載驗證方案可行性。試驗結(jié)果表明（見圖7）：隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，增壓器TBV閥由開啟到關(guān)閉時，真空度從-88kPa下降到-76kPa，較為穩(wěn)定。同時增壓器增壓壓力也控制較好。

4? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在設(shè)計更改過程中，真空罐的管路與三通管相連，三通管引出管路連接真空泵。真空泵有主吸氣口（圖8中E）和副吸氣口（圖8中F），主吸氣口連接真空助力器和真空罐，副吸氣口連接真空控制閥的管路。在此真空泵結(jié)構(gòu)中，E和F是相通的，真空罐中的真空源要通先過主吸氣口，再通過副吸氣口，才能傳遞到真空控制閥的管路中，若副吸氣口直徑較小，或內(nèi)部存在其他結(jié)構(gòu)，將影響真空度的傳遞。本文研究的發(fā)動機(jī)上的真空泵副吸氣口內(nèi)徑為2.5mm，相對較小，為避免在某些復(fù)雜工況上影響真空孔控制閥管路中的真空度，從而影響增壓壓力、扭矩和加速性，將真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

如圖9將真空助力器的管路與真空罐的管路分開布置，并將真空控制閥的管路引出接頭，將真空罐的管路與真空控制閥的管路直接相連。此時，增壓器的真空系統(tǒng)將全部由真空泵的副吸氣口來抽取真空，真空度的提供將更直接，真空度也會更加穩(wěn)定。按此方案更改后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實車測試，測試結(jié)果符合預(yù)期。

5? 電機(jī)控制

兩級渦輪增壓器通過控制不同氣道閥門的開關(guān)來使發(fā)動機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下都能獲得穩(wěn)定和較大的增壓壓力，以使車輛在從低速到高速或其他復(fù)雜工況下都能實現(xiàn)良好、線性的扭矩輸出，提供優(yōu)質(zhì)的駕駛感受。但通過真空控制閥控制的兩級渦輪增壓器，因閥門開關(guān)響應(yīng)直接取決于電磁閥響應(yīng)以及真空度的符合性和穩(wěn)定性，在某些工況或地域，仍會可能發(fā)生氣道閥門開關(guān)響應(yīng)慢、動力輸出遲滯等問題。在行業(yè)某些車輛上，已有使用電機(jī)控制氣道閥門開關(guān)的兩級渦輪增壓器，其使用電機(jī)通過齒輪、閥桿等傳動機(jī)構(gòu)控制閥門的開關(guān)，響應(yīng)快，控制及時。但此種增壓器價格昂貴，應(yīng)用較少。

6? 結(jié)論

對于兩級渦輪增壓器的氣道閥門控制，若采用真空閥控制，則應(yīng)在設(shè)計前期分析和評估系統(tǒng)的真空度大小和穩(wěn)定性，當(dāng)增壓器切換氣道時，真空系統(tǒng)應(yīng)滿足閥門控制的最小真空度要求，并響應(yīng)及時，防止出現(xiàn)真空波動，引起增壓壓力變化，導(dǎo)致車輛扭矩波動，出現(xiàn)加速響應(yīng)遲滯等問題。

若增加真空罐來增加真空系統(tǒng)的容積，應(yīng)考慮真空罐與真空控制閥管路之間的連接性，若非直接相連，應(yīng)充分評估真空度在增壓器切換氣道時傳遞的及時性。

本文通過擴(kuò)大兩級渦輪增壓器的真空系統(tǒng)容積，即增加1.5L真空罐和真空罐管路，解決了實車在路試過程中出現(xiàn)的扭矩波動和加速響應(yīng)遲滯等問題。并通過優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)，通過將真空罐、真空罐管路與真空控制閥管路直接相連的方式，再次提高真空系統(tǒng)真空度的穩(wěn)定性。

目前國內(nèi)以及行業(yè)內(nèi)兩級增壓應(yīng)用并不廣泛，本研究旨在為兩級渦輪增壓器控制系統(tǒng)的設(shè)計提供鋪墊、案例并拋磚引玉。

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