柴油機(jī)可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥流量特性

王利民，裴?？。瑥埼?，冷泠，石磊*

1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司,廣西 玉林 537005；2.上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

0 引言

可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的增壓比，提升柴油機(jī)功率密度，降低排放，是增壓系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)[1-4]?？烧{(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)主要依靠調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)兩級(jí)渦輪增壓器能量分配的調(diào)節(jié)，保證全工況下的增壓壓力需求[5-6]。調(diào)節(jié)閥的閥門流量特性、全關(guān)時(shí)的泄漏量、旁通能力、氣動(dòng)力矩等性能對(duì)增壓系統(tǒng)的影響很大，為了達(dá)到良好的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)控制性能，閥門流量特性應(yīng)滿足控制需求。

選擇或設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥時(shí)，首先應(yīng)確定系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)閥流量特性的需求。調(diào)節(jié)閥的固有流量特性有多種，包括直線型、拋物線型、等百分比型、快開型等，當(dāng)閥門工作于特定系統(tǒng)中時(shí)，閥門工作條件隨閥門開度變化而變化，因此閥門的工作流量特性與固有流量特性不同。為了達(dá)到理想的工作流量特性，必須合理選擇閥門的固有流量特性，以達(dá)到良好的調(diào)節(jié)效果[7-8]。

可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥是實(shí)現(xiàn)兩級(jí)渦輪流量分配可調(diào)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能對(duì)增壓器的調(diào)節(jié)能力、運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性有重要影響[9-11]，因此調(diào)節(jié)閥必須滿足可調(diào)兩級(jí)增壓器的需求。本文中應(yīng)用GT-Power發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件，對(duì)調(diào)節(jié)閥的工作條件和可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)對(duì)閥門流量特性的需求進(jìn)行計(jì)算研究。

1 仿真模型建立及校核

利用一維仿真軟件GT-Power建立匹配兩級(jí)增壓系統(tǒng)增壓中冷WP7柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)模型。WP7柴油機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示，兩級(jí)增壓系統(tǒng)高、低壓增壓器分別采用博格華納公司的S200和S300渦輪增壓器。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

柴油機(jī)模型包括進(jìn)排氣管道模塊、柴油機(jī)本體模塊、中冷器模塊、渦輪增壓器模塊以及環(huán)境模塊等主要模塊[12]，通過設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，完成整個(gè)柴油機(jī)系統(tǒng)的建模，柴油機(jī)GT-Power仿真模型如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)GT-Power仿真模型 圖2 外特性工況計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

本文中主要針對(duì)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的特性及調(diào)節(jié)閥對(duì)增壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的影響進(jìn)行研究，仿真模型驗(yàn)證時(shí)，重點(diǎn)對(duì)不同工況下的油耗率、進(jìn)氣壓力以及渦前溫度進(jìn)行標(biāo)定。外特性工況校核結(jié)果如圖2所示，外特性和50%負(fù)荷工況下計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果最大相對(duì)誤差如表2所示。

表2 各工況計(jì)算結(jié)果最大相對(duì)誤差 %

由圖2和表2可知：柴油機(jī)仿真模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度較高，油耗率、高渦前溫度和增壓壓力3個(gè)參數(shù)的相對(duì)誤差均小于5%，可以認(rèn)為此GT-Power模型符合實(shí)際，精度滿足模擬可調(diào)兩級(jí)增壓柴油機(jī)的要求。

2 可調(diào)兩級(jí)增壓調(diào)節(jié)閥流量特性需求

2.1 調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口狀態(tài)

在可調(diào)兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)中，高壓級(jí)渦輪調(diào)節(jié)閥旁通部分高壓級(jí)的廢氣，直接流通至低壓級(jí)渦輪前。調(diào)節(jié)閥入口流體狀態(tài)與高壓級(jí)渦輪前廢氣狀態(tài)相同，出口狀態(tài)為高低壓級(jí)渦輪間的狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥入口及出口狀態(tài)會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、閥門開度變化而發(fā)生很大變化。

在可調(diào)兩級(jí)增壓柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大，排氣能量逐漸提高，增壓器做功增加，增壓壓力和排氣壓力均升高；調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)，排氣先后經(jīng)過高壓級(jí)渦輪和低壓級(jí)渦輪，高壓級(jí)渦輪膨脹比大，調(diào)節(jié)閥前后壓差大。外特性工況下調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)前后壓力及壓差曲線如圖3、4所示。

圖3 外特性工況閥門全關(guān)時(shí)調(diào)節(jié)閥前后壓力 圖4 外特性工況閥門全關(guān)時(shí)調(diào)節(jié)閥前后壓差

由圖3、4可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)高壓級(jí)調(diào)節(jié)閥前、后壓力逐漸升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2200 r/min時(shí)，調(diào)節(jié)閥前、后壓力均達(dá)到最大，分別為384 kPa和244.2 kPa；外特性時(shí)調(diào)節(jié)閥前、后壓差先增大，后減小，轉(zhuǎn)速為1800 r/min時(shí)壓差最大，為145.8 kPa,1200 r/min時(shí)壓差為50 kPa，2200 r/min時(shí)為139.8 kPa。

2.2 二級(jí)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性需求

當(dāng)調(diào)節(jié)閥逐漸開啟，一部分流體繞過高壓級(jí)渦輪，直接通過低壓級(jí)渦輪，高壓級(jí)壓比逐漸降低直至完全被旁通。流量旁通比對(duì)調(diào)節(jié)閥壓差及增壓壓力的影響如圖5、6所示。

圖5 流量旁通比對(duì)調(diào)節(jié)閥壓差影響 圖6 流量旁通比對(duì)增壓壓力影響

由圖5、6可知：發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，高壓級(jí)壓差和增壓壓力隨流量旁通比變化的趨勢(shì)一致，均隨流量旁通比增大而逐漸減小，減小的速度由快變慢；當(dāng)流量旁通比大于30%時(shí)，其變化對(duì)增壓壓力的影響很?。晦D(zhuǎn)速越高，流量旁通比對(duì)高壓級(jí)壓差和增壓壓力的影響越大。因此可調(diào)兩級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)調(diào)節(jié)流量的需求主要集中在流量旁通比小于30%，要求調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)流量敏感性低以提高控制精度、大開度下流量敏感性高以提高響應(yīng)性。

2.3 調(diào)節(jié)閥流量特性

調(diào)節(jié)高壓級(jí)調(diào)節(jié)閥可以改變高壓級(jí)渦輪流量與壓比分配，設(shè)計(jì)閥門時(shí)首先確定適合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閥門固有流量特性，然后根據(jù)固有流量特性選擇合適的閥型或進(jìn)行閥門設(shè)計(jì)[12-13]。目前，調(diào)節(jié)閥流量特性包括直線型、等百分比型、快開型、拋物線型等，不同調(diào)節(jié)閥的流量特性如圖7所示。

圖7 不同類型流量特性曲線

由圖7可知：快開型閥門的流量特性為小開度時(shí)流量變化快、大開度時(shí)流量變化慢，等百分比型閥門的流量特性為小開度時(shí)流量變化慢、大開度時(shí)流量變化快。說明快開型閥門在較小開度就可以實(shí)現(xiàn)大流量調(diào)節(jié)，但造成不同開度下單位流量調(diào)節(jié)量大幅變化，而等百分比閥在接近100%開度時(shí)才能實(shí)現(xiàn)大流量調(diào)節(jié)，其單位流量調(diào)節(jié)量基本不變。

2.4 不同流量特性調(diào)節(jié)閥對(duì)增壓壓力調(diào)節(jié)的影響

本文中選擇50%負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速分別為1100、1500和2000 r/min作為研究工況。將不同流量特性與增壓系統(tǒng)進(jìn)行耦合，基于閥門開度對(duì)增壓壓力的調(diào)節(jié)特性，分析流量特性的工況適應(yīng)性。不同流量特性閥門開度對(duì)增壓壓力調(diào)節(jié)特性如圖8所示。

圖8 不同流量特性閥門開度對(duì)增壓壓力調(diào)節(jié)特性

由圖8可知：直線型和快開型流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度下可以實(shí)現(xiàn)增壓壓力的大范圍調(diào)節(jié)，當(dāng)閥門開度超過10%后，由于閥門流量接近全開流量，增壓壓力的調(diào)節(jié)作用大幅減小；拋物線型流量特性調(diào)節(jié)閥開度為0～30%時(shí)，增壓壓力調(diào)節(jié)作用明顯；直線型、快開型和拋物線型流量特性調(diào)節(jié)閥對(duì)增壓壓力調(diào)節(jié)的有效開度相對(duì)較小，適用于需要快速進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，滿足利用增壓壓力限值進(jìn)行控制，當(dāng)增壓壓力超過某一設(shè)定限值，調(diào)節(jié)閥可以實(shí)現(xiàn)壓力的迅速調(diào)節(jié)，但是其控制精度難以保證；等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥相對(duì)于前3種閥門，開度調(diào)節(jié)范圍大，基本可以覆蓋0～100%開度，不同轉(zhuǎn)速下有效開度范圍比其它流量特性大，調(diào)節(jié)閥開度變化對(duì)增壓壓力調(diào)節(jié)的影響在各開度下較為均衡，表明該類型閥門可以實(shí)現(xiàn)增壓壓力大范圍內(nèi)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

2.5 不同流量特性對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)50%負(fù)荷、轉(zhuǎn)速為1500 r/min工況下不同流量特性對(duì)增壓壓力調(diào)節(jié)的影響如圖9所示。由圖9可知：不同流量特性的最大有效開度由大到小依次為等百分比型、拋物線型、直線型、快開型，等百分比流量特性的有效開度區(qū)間最大。50%負(fù)荷、各轉(zhuǎn)速下不同流量特性對(duì)閥門最大有效開度的影響如圖10所示。由圖10可知：轉(zhuǎn)速對(duì)最大有效開度的影響不大，流量特性對(duì)最大有效開度的影響相當(dāng)大，其中等百分比流量特性的有效開度范圍最大，明顯超出其他流量特性。這是因?yàn)榈劝俜直攘髁刻匦栽谛￠_度時(shí)流量變化較小，這與增壓系統(tǒng)增壓壓力與旁通流量的關(guān)系相適應(yīng)，抑制了小開度下旁通流量變動(dòng)導(dǎo)致的增壓壓力大幅變化。等百分比型流量特性小開度時(shí)流量變化小、大開度時(shí)流量變化大的特點(diǎn)，適合兩級(jí)增壓系統(tǒng)高壓級(jí)的調(diào)節(jié)需求，能夠較好地調(diào)節(jié)增壓壓力。

圖9 不同流量特性對(duì)增壓壓力調(diào)節(jié)影響 圖10 不同流量特性調(diào)節(jié)閥最大有效開度對(duì)比

3 結(jié)論

研究不同流量特性調(diào)節(jié)閥對(duì)可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)增壓壓力的控制作用，分析了不同閥門的調(diào)節(jié)范圍以及對(duì)增壓壓力調(diào)節(jié)的影響。

1)不同流量特性調(diào)節(jié)閥對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用不同，快開型閥門在較小開度就可以實(shí)現(xiàn)大流量調(diào)節(jié)，但不同開度單位流量調(diào)節(jié)量變化幅度大，而等百分比閥在接近100%開度下才能實(shí)現(xiàn)大流量調(diào)節(jié)，但其單位流量調(diào)節(jié)基本不變。

2)不同流量特性調(diào)節(jié)閥對(duì)于可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性不同。直線型、快開型和拋物線型調(diào)節(jié)閥適用于增壓壓力快速調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，可以用于增壓壓力限值控制的增壓壓力控制；等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥適用于對(duì)增壓壓力進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，可以用于可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

3)等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥可在全開度范圍進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，顯著優(yōu)于其它流量特性調(diào)節(jié)閥，同時(shí)，在全開度范圍下增壓壓力單位調(diào)節(jié)量基本不變，具備實(shí)現(xiàn)高精度增壓壓力控制的能力。