基于VGT的两级可调增压系统调节特性研究

2018-11-22董素荣刘瑞林林春成张金明李浩

汽车技术 2018年11期

董素荣刘瑞林林春成张金明李浩

（1.陆军军事交通学院，天津 300161；2.陆军装甲兵学院士官学校，长春 130117；3.康跃科技股份有限公司，寿光 262718）

主题词：两级可调增压系统 VGT 涡轮调节阀调节特性

1 前言

随着人们对柴油机动力性、经济性的不断追求和排放法规的日益严格，单级涡轮增压器已经不能满足柴油机较宽流量范围的使用需求，特别是高海拔动力输出需要更多的新鲜充量供给，因而两级可调高增压技术成为必然的选择。两级增压系统具有高增压比、流量范围大的特点，同时也有较好的动态响应特性[1-5]。

国外一些企业自20世纪70年代开始进行了两级可调增压系统的研究工作，并已运用于大型载货汽车和乘用车上[6-8]。两级可调增压系统能否达到提高柴油机各项性能指标的要求，制定合理的控制策略是关键。而对两级可调增压系统调节参数的调节规律和调节能力研究，是两级可调增压系统控制策略制定的依据，是实现两级可调增压系统应用于柴油机的前提。

鉴于此，进行了基于高压级VGT（Variable Geometry Turbocharger）的两级可调增压系统调节特性试验研究，分析了两级可调增压器高压级VGT叶片开度及高、低压级涡轮调节阀开度对两级可调增压系统总压比、高/低压级增压器转速、涡前压力等性能参数的调节能力和调节规律，为柴油机两级可调增压系统控制策略的制定提供指导。

2 试验系统和试验方法

2.1 试验系统

基于单级涡轮增压器性能试验台，搭建了VGT两级可调增压系统调节特性试验系统，如图1所示。该系统主要由两级可调增压器涡轮燃气供给系统、压气机出口压力调节系统及基于VGT的两级可调增压器组成。涡轮燃气供给系统由空气压缩机提供气源，通过涡轮进气阀进入燃烧室，与燃料混合燃烧形成高温高压气体，推动两级涡轮高速旋转，两级涡轮带动两级压气机对进气进行增压。通过调节涡轮进气阀开度和燃烧室的喷油量控制涡轮工作状态，通过压气机放气阀控制压气机出口压力，调节压气机流量。

图1 两级可调增压系统调节特性试验系统

两级可调增压器的高压级为可变截面涡轮增压器（JK70S），低压级为固定截面涡轮增压器（JP100S），高、低压级涡轮采用垂直连接，以减小燃气流动损失，高压级VGT叶片开度和高、低压级涡轮调节阀均由电动执行器驱动。VGT叶片旋转角度调节范围为36.5°～77.9°，对应叶片开度为100%～0%。

两级可调增压器结构参数如表1和表2所示。

表1 高、低压级压气机结构参数

表2 高、低压级涡轮结构参数

2.2 试验方法

2.2.1 VGT叶片调节特性试验

试验时，高、低压级涡轮调节阀保持全关位置，VGT叶片开度调至20%，调节试验系统进气流量和喷油量，设定高压级增压器至某一固定转速。逐渐增大VGT叶片开度至40%、60%、80%、100%，考察VGT叶片调节能力。

2.2.2 涡轮调节阀调节特性试验

保持VGT叶片开度为60%（此时涡轮效率较高），高、低压级调节阀全关不变，调节试验系统使高压级增压器达到某一固定转速。高压级涡轮调节阀从全关逐渐增大开度（20%、40%、60%、80%、100%），考察高压级涡轮调节阀调节能力。调节低压级涡轮调节阀开度至40%和100%，重复上述试验步骤，考察低压级涡轮调节阀调节能力。

3 试验结果与分析

3.1 高压级VGT叶片开度调节特性

图2和图3分别为低压级涡轮调节阀全关时，高、低压级增压器转速和涡前压力随VGT叶片开度的变化曲线。

图2 VGT叶片开度对高、低压级转速的影响

图3 VGT叶片开度对高、低压级涡前压力的影响

由图2和图3可看出，随高压级VGT叶片开度的增加，高压级增压器转速和涡前压力降低，低压级增压器转速和涡前压力逐渐增加，但与高压级相比增加幅度很小。同时，随高压级涡轮调节阀开度的增加，VGT叶片调节能力下降。在高压级涡轮调节阀关闭的情况下，当VGT叶片开度从20%增加至100%时，高压级增压器转速、涡前压力分别下降36.0%和34.9%，低压级增压器转速、涡前压力分别上升22.2%和12.6%。在高压级涡轮调节阀全开的情况下，当VGT叶片开度从20%增加至100%时，高压级增压器转速、涡前压力分别下降25.2%和25.8%，低压级增压器转速、涡前压力分别上升16.4%和10.1%。

在低压级涡轮调节阀全关时，高、低压级压比随VGT叶片开度的变化曲线如图4所示。其变化趋势与高、低压级转速的变化趋势一致，但总压比仍逐渐降低，如图5所示。从图4和图5可看出，在高压级涡轮调节阀关闭情况下，当VGT叶片开度从20%增加至100%时，高压级压比下降31.8%，低压级压比增大24.9%，两级增压器总压比下降14.8%；在高压级涡轮调节阀全开的情况下，当VGT叶片开度从20%增加至100%时，高压级压比下降19.5%，低压级压比增大14.1%，两级增压器总压比下降8.2%。这是由于随高压级VGT叶片开度增加，高压级涡轮流通截面积增大，流经高压级涡轮的气体膨胀做功逐渐减少，涡前压力也逐渐降低，而低压级涡前压力逐渐增大，故高压级转速下降，低压级转速逐渐上升，进而导致高压级压比减小，而低压级压比增大。

图5 两级增压器总压比随VGT叶片开度的变化曲线

3.2 高、低压级涡轮调节阀调节特性

图6 和图7分别为在VGT叶片开度一定（60%）的情况下，高、低压级增压器转速和涡前压力随涡轮调节阀开度的变化曲线。由图6和图7可看出，随高压级涡轮调节阀开度的增大，更多的废气流量绕过高压级涡轮直接进入低压级涡轮进行膨胀做功，使得高压级增压器转速、涡前压力降低，而低压级增压器转速、涡前压力升高。但由于低压级增压器流通截面积和转动惯量大于高压级，导致各项性能参数的变化幅度小于高压级。当高压级调节阀从全关到全开时，高压级转速下降14.0%，涡前压力下降7.5%，低压级转速升高4.1%，涡前压力仅升高0.8%。

从图6和图7可知，随低压级调节阀开度的增加，高压级增压器转速和涡前压力略有降低，低压级增压器转速和涡前压力均降低。这是由于低压级涡轮调节阀开度增大，使得部分废气不经过低压级涡轮膨胀做功而直接排出，导致低压级增压器转速下降，涡前压力和膨胀功降低。

图6 涡轮调节阀开度对高、低压级转速的影响

图7 涡轮调节阀开度对高、低压级涡前压力的影响

图8 为高、低压级压比随高、低压级涡轮调节阀开度的变化曲线。

图8 涡轮调节阀开度对高、低压级压气机压比的影响

由图8可看出，随高压级涡轮调节阀开度的增加，高压级压比逐渐降低，低压级压比逐渐升高。当低压级调节阀关闭，高压级调节阀从关闭到完全开启时，高压级压比降低10.5%，低压级压比升高6.1%。在低压级调节阀全关到全开时，高压级压比有小幅增加，低压级压比却大幅减小，低压级调节阀开度对低压级压比影响更大。

图9为两级增压器总压比随涡轮调节阀开度的变化曲线。由图9可看出，随高压级调节阀开度的增加，两级可调增压系统总压比不断降低。虽然由图8可知低压级调节阀开度的增大对高压级压比有一定的提升作用，但因低压级压比的下降幅度更大，所以造成总压比不断降低。当低压级调节阀关闭，高压级调节阀全关到全开时，两级增压器总压比下降5.0%。

图9 两级增压器总压比随涡轮调节阀开度的变化曲线

3.3 VGT叶片和高、低压级涡轮调节阀调节能力

表3为VGT叶片及高、低压级涡轮调节阀开度对两级可调增压系统参数的影响结果。由表3可知，VGT叶片和高压级调节阀对两级可调增压系统性能的调节规律一致，但VGT叶片对系统性能影响更大，VGT叶片调节能力是高压级涡轮调节阀调节能力的2倍以上，可作为两级增压系统的主要调节参数，高压级涡轮调节阀作为辅助调节参数。低压级涡轮调节阀对高压级增压器调节能力较弱，但对低压级增压器有较强保护能力。