柴油機可變截面渦輪增壓器控制及匹配

林在犁

（重慶科技學院，重慶401331） ＊

柴油機可變截面渦輪增壓器控制及匹配

林在犁

（重慶科技學院，重慶401331）＊

以某型可變截面渦輪增壓器為例，在分析其工作原理與基本特點的基礎(chǔ)上，通過研究增壓器結(jié)構(gòu)動力學特性，進行了壓氣機特性參數(shù)計算和渦輪特性參數(shù)計算，以實現(xiàn)渦輪增壓器與發(fā)動機的良好匹配?？蓪Σ裼蜋C的渦輪增壓器選型匹配提供指導。

柴油機；渦輪增壓；選型匹配

柴油機廣泛用作鉆機設(shè)備動力，驅(qū)動絞車、鉆井泵和轉(zhuǎn)盤等工作機組。從發(fā)展趨勢來看，提高增壓度、改善變工況性能、降低燃油消耗率、控制排放仍為當前柴油機的研發(fā)重點［1－2］。渦輪增壓技術(shù)由于可以大幅提高發(fā)動機的動力性能，并可以提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性以及排放性能，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車用柴油機上。如何實現(xiàn)渦輪增壓器與發(fā)動機的良好匹配在渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用中一直是一個很重要的問題。

1 工作原理和特點

增壓柴油機的轉(zhuǎn)矩特性不僅受噴油特性的制約，而且還受渦輪增壓器壓氣機供氣量的限制。從噴油系統(tǒng)考慮，為獲得合理的轉(zhuǎn)矩特性，高速時采用正校正措施，低速時采用冒煙限制器，即負校正措施。

從壓氣機供氣特性考慮，增壓壓力隨柴油機轉(zhuǎn)速升高而增加。如果滿足低速時的供氣量，則高速時就可能增壓過度；如果高速時增壓適量，則低速時可能供氣不足。

由內(nèi)燃機原理可知，驅(qū)動壓氣機的渦輪功率為

式中，PT為渦輪功率，kW；GT為流經(jīng)渦輪的氣體流量，kg／s；TT為渦輪進口溫度，K；πT為渦輪膨脹比；ηT為渦輪效率；R、KT分別為排氣常數(shù)和定嫡指數(shù)。

由式（1）可以看出：采用增壓補燃措施提高渦輪進口溫度TT可提高禍輪功率，從而可解決柴油機低速時供氣不足的問題；采用放氣法放掉柴油機高速時的部分排氣，即減少流量GT可以降低高速時渦輪的功率，從而可降低增壓器轉(zhuǎn)速，減小增壓壓力，解決增壓過量的問題。

可變截面渦輪增壓器是解決柴油機低速供氣不足、離速增壓過量的最佳措施。渦輪噴嘴環(huán)出口面積為

式中，Sc為噴嘴環(huán)出口面積；Rc為噴嘴環(huán)截面形心半徑；bc為噴嘴環(huán)出口處高度；α1為噴嘴環(huán)氣流出口角。

可變截面渦輪流量特性如圖1所示，可以看出：當渦輪的通流截面積不變時，隨著相對質(zhì)量流量的減少（也即相對于柴油機轉(zhuǎn)速下降），膨脹比是逐漸下降的，如果隨著相對質(zhì)量流量減小而不斷減小渦輪通流截面（從A3到A1，渦輪通流截面積A1＜A2＜A3），就可以使渦輪膨脹比保持不變。

圖1 可變截面渦輪流量特性

2 與柴油機的匹配分析［3－4］

2.1 柴油機通流特性

對于增壓四行程柴油機，流經(jīng)柴油機的空氣流量Ge可分為2部分：①在排氣門關(guān)閉、進氣門打開期間進入氣缸的空氣流量Ga，稱為新鮮空氣流量；②進、排氣門疊開期間從進氣門流入又從排氣門流出的空氣流量Gs，稱為掃氣空氣流量。因此，Ge＝Ga＋Gs。

四行程柴油機吸入氣缸的新鮮空氣流量近似為

式中，n為柴油機轉(zhuǎn)速，r／s；ρs為新鮮空氣的密度，kg／m3；Ts為新鮮空氣的溫度，K；TK為進氣行程下止點時的空氣溫度，K；Vh為柴油機排量，m3。

進氣管內(nèi)的增壓壓力為

式中，R為新鮮空氣的氣體常數(shù)，R＝287.06 J／（kg·K）。

將式（4）代人式（3），即得

應(yīng)用式（5）計算時，進氣行程下止點時的空氣溫度TK采用進氣管內(nèi)的進氣溫度Ts值。在進、排氣門同時開啟階段，即氣門重疊期間氣缸才能進行掃氣。為簡化起見，用一個等效通流面積Seq來描述進氣門通流面積Sa和排氣門通流面積Se的綜合通流效應(yīng)，如圖2所示。

圖2 進、排氣門等效通流面積

假設(shè)流體是不可壓縮的，流體進人排氣門通流面積的初速度等于0，各通流面積的流量系數(shù)相同，進氣壓力等于增壓壓力。為此得到掃氣空氣流量的計算公式為

式中，μ為等效流量系數(shù)；Seq為平均等效通流面積，m2；pi為進氣管內(nèi)增壓壓力，Pa；pe為渦輪進口前壓力，Pa；k為絕熱指數(shù)，k＝1.397。

將實際流量和理論流量的差異歸結(jié)為流量系數(shù)μ，則μ值主要取決于氣門升程，可將流量系數(shù)μ表達為氣門升程的函數(shù)，即

利用柴油機的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在氣門疊開階段，用Matlab函數(shù)計算出的流量系數(shù)變化如圖3所示。

進、排氣門流量系數(shù)對曲軸轉(zhuǎn)角積分后，依角度求平均即可得到平均流量系數(shù)，取其小者為計算值求得所需的流量系數(shù)為

瞬時等效通流面積為

氣門瞬時幾何通流面積S為

式中，Z為每缸的進氣門（或排氣門）數(shù)；β為氣門座錐角（°）；hv為進、排氣門的瞬時升程，按配氣凸輪升程曲線計算，計算時用Matlab樣條插值函數(shù)插值；dv為氣門座喉口直徑。

圖3 氣門疊開階段進、排氣門的流量系數(shù)變化

根據(jù)在氣門疊開階段Sa和Se隨時間變化而變化的關(guān)系得到Seq的瞬時值（如圖4）。將Seq對曲軸轉(zhuǎn)角進行積分，得出等效通流面積對角度的積分，將其對曲軸轉(zhuǎn)角進行平均得出此期間的平均等效通流面積Seq，即

式中，Δφ為進、排氣門的重疊角，（°）。

圖4 進、排氣門的通流面積變化

進氣管內(nèi)增壓壓力和排氣管內(nèi)壓力由試驗測得。從以上計算過程可得到在柴油機工作范圍內(nèi)不同工況點的進氣流量和增壓壓力比，從而得到柴油機的通流特性。

2.2 壓氣機特性曲線

壓氣機的工作狀況可由空氣流量、轉(zhuǎn)速、進口壓力及溫度等參數(shù)確定。壓氣機特性曲線由渦輪增壓器氣動試驗臺測得，測試系統(tǒng)能夠?qū)崟r測量增壓器轉(zhuǎn)速以及壓氣機進口氣體的溫度、壓力和流量等參數(shù)。試驗時，在渦輪噴嘴葉片的整個動作范圍內(nèi)改變噴嘴葉片角度，分別得到對應(yīng)于各個角度的壓氣機和渦輪特性參數(shù)，計算后得到修正的壓氣機和渦輪的通流特性曲線。

壓氣機修正流量為

式中，mC為實測壓氣機進氣空氣的流量，kg／s；pat為標準狀態(tài)下大氣壓力，Pa；Tst為標準狀態(tài)下溫度，K為試驗環(huán)境下大氣壓力，Pa；為試驗環(huán)境下溫度，K。

壓氣機修正轉(zhuǎn)速為

式中，n為壓氣機實測轉(zhuǎn)速，r／min。

2.3 可變截面渦輪的機構(gòu)與特性

2.3.1 有葉噴嘴變截面渦輪增壓器特性

噴嘴葉片在不同位置時變截面渦輪特性曲線如圖5所示。由圖5可知，在相同的膨脹比之下，改變噴嘴角度就可改變流量?？勺兘孛嬖鰤浩髋c柴油機匹配的增壓壓力和轉(zhuǎn)矩特性如圖6所示。由圖6可知：隨著噴嘴截面積逐步減?。ń孛姊埽冀孛姊郏冀孛姊冢冀孛姊?），增壓壓力相應(yīng)升高，低速轉(zhuǎn)矩增大。每調(diào)節(jié)1次截面積，增壓壓力發(fā)生1次突變，將每次調(diào)節(jié)時截面積變化量減小，而調(diào)節(jié)的次數(shù)增加，就可使增壓壓力變化曲線接近于連續(xù)變化。當然，結(jié)構(gòu)和控制的復雜性也隨之增加。

圖5 變截面渦輪特性曲線

圖6 可變截面增壓器與柴油機匹配的增壓壓力和轉(zhuǎn)矩特性

2.3.2 無葉渦殼變截面增壓器

柴油機工況變化頻繁，如果與之相匹配的增壓器采用無葉渦殼變截面增壓器，則可以在較寬的流量變化范圍內(nèi)獲得較高的渦輪效率。為調(diào)節(jié)噴嘴出口氣流速度的大小和方向，需在結(jié)構(gòu)復雜性方面作出讓步，而在渦殼內(nèi)添加一些調(diào)節(jié)零件。工作可靠和結(jié)構(gòu)簡單是無葉渦殼變截面技術(shù)能否得以推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，無葉渦殼變截面增壓技術(shù)的變截面方案有2種。

1） 軸向變截面增壓器。

在這種方案中，渦殼通道寬度B由軸向平行移動板控制，如圖7所示。其通流特性與功率特性如圖8～9所示。

圖7 軸向變截面增壓器結(jié)構(gòu)

圖8 軸向變截面渦輪流通特性

圖9 軸向變截面渦輪功率特性

因活動板受熱會膨脹，要使其軸向尺寸能調(diào)節(jié)，活動板與渦殼的間隙必須選擇得當，太大會增加漏泄，影響效果，太小擋板又會卡住。另外，軸向位移必須全周同步。

2） 冀形變截面增壓器。

受有葉噴嘴的啟發(fā)，在無葉渦殼內(nèi)設(shè)置1圈可調(diào)葉片，就形成由固定與可調(diào)翼形導向葉片組成的變截面增壓器，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。在該方案中：4片固定葉片與對應(yīng)的可動葉片在全關(guān)閉狀態(tài)時可使渦殼呈自由渦流狀，改善了通流面積小時的渦輪效率；固定葉片處于可動葉片上游位置時，氣流沖角并不改變，減少了因葉片轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的撞擊損失；固定葉片的支撐，使可動葉片側(cè)隙泄漏降低到最低限度。配機試驗結(jié)果表明，該增壓器在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均具有較高的增壓壓力，因而柴油機轉(zhuǎn)矩和功率比配用常規(guī)增壓器有明顯的改善。

圖10 翼形變截面增壓器結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

可變截面渦輪增壓柴油機可依據(jù)外部載荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度、調(diào)節(jié)進入渦輪的氣流參數(shù)、改變渦輪焓降和渦輪功率，使壓氣機出口的壓力發(fā)生變化，從而使渦輪增壓器與柴油機在各工況下均能良好匹配。在整個工作范圍內(nèi)可調(diào)整渦輪通流截面積的大小，使增壓器工作在高效率區(qū)城，從而提高柴油機的燃油經(jīng)濟性。

［1］ 李克寧.新型鉆井柴油機供油裝置設(shè)計與應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2010，39（2）：90－92.

［2］ 髙志和，白承斌，張 燕，等.12V190型柴油機節(jié)油裝置應(yīng)用研究［J］.石油礦場機械，2011，40（6）：77－79.

［3］ 曲永哲，史永慶，齊 潔，等.XJ9029型修井機動力匹配方案設(shè)計計算［J］.石油礦場機械，2010，39（10）：37－40.

［4］ 張宗杰.動力機械及其系統(tǒng)電子控制［M］.武漢：華中科技大學出版社，2009.

Variable Control and Matching of Variable Geometry Turbo Charger of Diesel Engine

LIN Zai－li
（Chongqing University of Science ＆Technology，Chongqing401331，China）

Aiming at one variable geometry turbo supercharger，based on the analysis of its working principle and basis feature and the structure dynamic character，the character parameter and turbo character calculations of were made to achieve better matching for turbo supercharger with diesel engine.This study will be the working direction for the model selection of turbo supercharger.

diesel engine；turbo charger；model selection

1001－3482（2012）07－0026－04

TE924

A

2012－01－15

林在犁（1959－），男，四川邛崍人，副教授，主要從事內(nèi)燃機等動力設(shè)備的教學與研究工作，E－mail：lin61220＠126.com。