内燃机两级涡轮增压技术的研究

潘旭 高昊

摘 要：近年来，随着客户要求的提高，对整车动力性、经济性、舒适性提出更高的标准，同时为了兼顾日趋严格的法规要求，两级涡轮增压技术成为增压技术的研究热点和发展趋势。论文针对某型号两级增压柴油机进行试验，结果表明，两级增压有效提高了柴油机全工况性能，尤其是低速工况及部分负荷工况的动力性和燃油经济性。

关键词：两级增压；涡轮；发动机性能

中图分类号： TK421 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）22-193-2

0 引言

随着能源与环境问题日益明显，且为适应越来越严格的排放法规要求，对内燃机的动力性与经济性提出了更高的要求。因此，内燃机节能减排是备受关注的重大科学问题，也是国家能源战略的重要环节。通过两级涡轮增压降低内燃机的排量，是内燃机节能和减排的关键技术之一。

1 两级涡轮增压技术的研究现状

两级增压系统（Two-stage System）

两级增压技术将两台涡轮增压器（大小可异同、可有无放气阀、可废气涡轮或机械、电力驱动）联合运行，通过控制系统可以按不同顺序、不同比例的多种调节措施对空气进行一级或两级压缩。某两级涡轮增压是两个WGT增压器进行串联，通过真空调节器对增压器的高、低压技术进行控制，从而满足内燃机各工况下进气量的需求。

因此，近年来两级涡轮增压成为内燃机增压领域受到关注的热点之一。

但两级增压匹配复杂且难度大，是两级增压技术研究的主要难点。两级增压系统有大小、类型不同的两级增压器，两级增压器之间以及它们与发动机的气动联系更为复杂，对匹配提出了更高的要求。

另外，高低压两级增压器在不同发动机工况下的运行特性及变化趋势是不一致的。

2 两级增压器性能试验及验证

2.1 两级增压器性能试验

论文选用某型号两级涡轮增压柴油机为研究对象，发动机主要参数见下表：

2.2 试验结果：（匹配两级增压器与VGT增压器的区别）

2.3 试验总结

从以上图示可以看出，为兼顾低速与高速的动力性，两级增压器是非常完美的一个选择。

低速段，通过增压器高压级的工作来满足动力性；高速段，通过增压器低压级的工作来满足动力性。同时，在中负荷区域，油耗也有所降低。两级增压器在平原地区满足动力性的要求，同时也弥补了高原地区因空气稀薄导致的一系列动力性问题。

3 两级增压器控制原理

两级增压器控制原理如下图所示。整个结构中需要控制三个阀，包括高压涡轮旁通阀、低压涡轮旁通阀和高压压气机旁通阀，其中进气侧一个阀，废气侧为两个阀。

三个阀门的大体作用：高压涡轮旁通阀控制进入高压级涡轮和低压级涡轮的废气比例，低压涡轮旁通阀控制进入低压级涡轮的废气量，而高压压气机旁通阀则控制新鲜空气进入高压级压气机的比例，可以控制整个增压系统是单级工作还是两级工作。三个阀门均为负压控制，气动调节。高压涡轮旁通阀和低压涡轮旁通阀的开度是连续可调的，高压压气机旁通阀开度不能连续可调，只有全开和全关两种状态。事实上，阀的开度如何控制取决于其真空管路上的控制阀类型，即真空切换阀和真空控制阀。

试验原理：随着发动机转速的提高，低压机压气机压比一直上升，而高压级压气机压比先上升，随后随旁通阀的开启而降低，总压比完全满足内燃机性能的需求；发动机中低转速时，高低两级压气机都具有较高的效率。当发动机处于低转速工况运行时，旁通阀完全关闭，高温排气气顺次流经高低两级增压器的涡轮。随着发动机转速的提高，两级涡轮的流量的增长量一样，所以两级增压器的压比都上升，总压比及进气能力都提高。然而，当总压比太高时，即增压压力太大了，这样，就要限制增压器的开度，避免增压器超速，从而造成增压器的损坏。

4 两级增压器运行工况的分布

两级增压系统运行特点见下图，发动机整个工况范围内分为三个工作区域①、②、③。①和②区域为高压级、低压级同时工作，即两级增压；③区域为单级增压，只有低压级工作。②和③区域分别调节高压涡轮旁通阀和低压涡轮旁通阀来达到目标增压压力，即增压压力作为控制目标，闭环控制；而①区域三个阀全部关闭，增压压力不作为控制目标，也不进行控制，类似WGT 的单级增压。

5 结论

通过对两级增压器的研究，匹配结果表明，两级涡轮兼顾发动机的低速与转速的性能，有效提高该柴油机全工况性能，提高了低速工况及部分负荷工况动力性和燃油经济性。

参 考 文 献

[1] 朱大鑫，涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1992.