基于VGT的两级可调增压系统调节特性研究

董素荣1 刘瑞林1 林春成2 张金明3 李浩1 ( 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)

Automobile Technology - - 汽车技术 -

【摘要】利用两级可调增压器性能试验台,进行了基于VGT的两级可调增压系统调节特性试验,分析了高压级VGT叶片和高、低压级涡轮调节阀的调节能力和调节规律。结果表明,高压级VGT叶片调节能力是涡轮调节阀调节能力的2倍以上,低压级涡轮调节阀调节能力相对较弱。涡轮调节阀全关时, VGT叶片开度由 20%增至100%,两级增压器总压比降低14.8%;VGT叶片开度60%,高压级涡轮调节阀由全关到全开,两级增压器总压比下降5.0%。 主题词:两级可调增压系统 VGT 涡轮调节阀 调节特性U464.3;TK42315 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20180488中图分类号: 文献标识码: DOI: Study on Regulating Characteristics of the Two-Stage Regulated Turbocharging System Based on VGT Dong Surong1, Liu Ruilin1, Lin Chuncheng2, Zhang Jinming3, Li Hao1 1.Army Military Transportation University, Tianjin 300161;2. NCO Institute of Armored Force University, Changchun ( 130117; 3.Kangyue Technology Co., Ltd, Shouguang 262718) Abstract With two- stage regulated turbocharging system performance test bench,the experimental study on【 】regulating characteristics of two- stage regulated turbocharging system based on VGT were carried through. The regulating ability and law of high pressure stage VGT blade and turbine regulating valve and low pressure stage turbine regulated valve were studied. Research results show that VGT blade regulating ability is 2 times higher than that of the turbine turbine regulating valve,the low pressure turbine regulating valve has a low regulating ability. when the opening of the VGT blade increases from 20% to 100%, the total pressure ratio of two-stage turbocharger is reduced by 14.8%. when VGT blade opening 60% and the opening of the high pressure stage turbine regulating valve increases from completely closed to completely opened, the total pressure ratio of two stage turbocharger is reduced by 5.0%. Key words: Two- stage regulated turbocharging system;VGT;Turbine regulating valve; Regulating characteristic 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]。

20 70

国外一些企业自 世纪 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。

VGT(Variable鉴 于 此 ,进 行 了 基 于 高 压 级

Geometry Turbocharger)的两级可调增压系统调节特性

VGT试验研究,分析了两级可调增压器高压级 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

VGT基于单级涡轮增压器性能试验台,搭建了 两

1级可调增压系统调节特性试验系统,如图 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

VGT

口压力调节系统及基于 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。 两级可调增压器的高压级为可变截面涡轮增压器JK70S), JP100S),

( 低压级为固定截面涡轮增压器( 高、低压级涡轮采用垂直连接,以减小燃气流动损失,高压VGT

级 叶片开度和高、低压级涡轮调节阀均由电动执VGT 36.5°~77.9°,行器驱动。 叶片旋转角度调节范围为

100%~0%

对应叶片开度为 。

1 2两级可调增压器结构参数如表 和表 所示。

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 20%,

叶片开度调至 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 40% 60% 80% 100%, VGT

叶片开度至 、 、 、 考察 叶片调节能力。

2.2.2

涡轮调节阀调节特性试验

VGT 60%(

保持 叶片开度为 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

20% 40% 60% 80% 100%),渐增大开度( 、 、 、 、 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% 100%,

和 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

2 3

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

由图 和图 可看出,随高压级 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VGT小。同时,随高压级涡轮调节阀开度的增加, 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 20% 100%

叶片开度从 增加至 时,高压级增压器转36.0% 34.9%,速、涡前压力分别下降 和 低压级增压器转22.2% 12.6%速、涡前压力分别上升 和 。在高压级涡轮VGT 20%

调节阀全开的情况下,当 叶片开度从 增加至100% 25.2%时,高压级增压器转速、涡前压力分别下降

25.8%, 16.4%和 低压级增压器转速、涡前压力分别上升

10.1%

和 。

在低压级涡轮调节阀全关时,高、低压级压比随VGT 4叶片开度的变化曲线如图 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, 5 4 5

如图 所示。从图 和图 可看出,在高压级涡轮调节VGT 20% 100%阀关闭情况下,当 叶片开度从 增加至 时, 31.8%, 24.9%,高压级压比下降 低压级压比增大 两级增14.8%;

压器总压比下降 在高压级涡轮调节阀全开的情VGT 20% 100%

况下,当 叶片开度从 增加至 时,高压级压19.5%, 14.1%,

比下降 低压级压比增大 两级增压器总压8.2% VGT

比下降 。这是由于随高压级 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。

3.2 高、低压级涡轮调节阀调节特性

6 7 VGT 60%)

图 和图 分别为在 叶片开度一定( 的情况下,高、低压级增压器转速和涡前压力随涡轮调节阀

6 7开度的变化曲线。由图 和图 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%, 7.5%, 4.1%,涡前压力下降 低压级转速升高 涡前

0.8%

压力仅升高 。

6 7

从图 和图 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。 8

图 为高、低压级压比随高、低压级涡轮调节阀开度的变化曲线。 8

由图 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10.5%, 6.1%压级压比降低 低压级压比升高 。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。

9

图 为两级增压器总压比随涡轮调节阀开度的变9

化曲线。由图 可看出,随高压级调节阀开度的增加, 8两级可调增压系统总压比不断降低。虽然由图 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

5.0%到全开时,两级增压器总压比下降 。

3.3 VGT叶片和高、低压级涡轮调节阀调节能力

3 VGT

表为 叶片及高、低压级涡轮调节阀开度对两

3 VGT级可调增压系统参数的影响结果。由表 可知, 叶片和高压级调节阀对两级可调增压系统性能的调节规

VGT VGT律一致,但 叶片对系统性能影响更大, 叶片调

2节能力是高压级涡轮调节阀调节能力的 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。

4 结束语

a. VGT

高压级 叶片与高压级涡轮调节阀调节规VGT

律相同,但 叶片调节能力更强,是高压级调节阀调

2

节范围的 倍以上,低压级涡轮调节阀对高压级增压器调节能力较弱。b. VGT

随高压级 叶片开度的增加,高压级转速、涡前压力及压比降低,相反低压级转速、涡前压力、压比逐渐增大,两级增压器总压比下降。c.

随低压级涡轮调节阀开度的增大,两级可调增压系统总压比不断降低。虽然低压级调节阀的开启对高压级压比有一定的提升作用,但低压级压比的下降幅度更大,造成总压比不断降低。

参考文献

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图 两级增压器总压比随涡轮调节阀开度的变化曲线

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