柴油機(jī)兩級增壓等百分比流量調(diào)節(jié)旁通閥設(shè)計(jì)

冷 泠，程江華，王振彪，劉 勝，石 磊，鄧康耀

(1.上海交通大學(xué) 動力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.中國北方發(fā)動機(jī)研究所，天津300400)

0 概述

柴油機(jī)可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)通過高壓級旁通閥實(shí)現(xiàn)高、低壓級渦輪的流量分配和壓比分配[1]，以滿足全工況范圍的進(jìn)氣需求，是現(xiàn)代大功率柴油機(jī)增壓系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[2]。兩級渦輪增壓系統(tǒng)相關(guān)研究[3-4]表明渦輪旁通比是影響柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、功率輸出性能的重要因素，廢氣旁通閥需要根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況在較寬的流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對旁通量的連續(xù)高精度調(diào)節(jié)[5]。廢氣旁通閥是可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的關(guān)鍵控制部件，其性能對系統(tǒng)控制具有顯著影響。文獻(xiàn)[6]中通過對渦輪增壓旁通閥進(jìn)行改進(jìn)，提升了增壓系統(tǒng)的可控性。

目前通用廢氣旁通閥為平面型閥瓣廢氣放氣閥，其流量特性近似為快開型[7]，當(dāng)其應(yīng)用于可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)時可調(diào)節(jié)區(qū)域僅為5°，不利于寬流量范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。而現(xiàn)有研究[8]表明，等百分比流量特性在任意開度下流量的相對變化值恒定，在小開度下放大系數(shù)小，在大開度下放大系數(shù)大，與增壓壓力和旁通流量的關(guān)系互補(bǔ)[9-10]，能夠改善對增壓壓力的調(diào)節(jié)特性。同時，具有等百分比流量特性的旁通閥有效開度區(qū)間大，在全開度范圍內(nèi)增益變化率小，能夠滿足兩級可調(diào)增壓系統(tǒng)對旁通流量的大范圍高精度調(diào)節(jié)需求。

廢氣旁通閥閥瓣優(yōu)化目標(biāo)為使其流量特性具備等百分比特點(diǎn)[11]。本文中針對可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)對旁通流量的大范圍高精度調(diào)節(jié)需求，分析了不同廢氣旁通閥流量特性，提出了以等百分比流量特性為目標(biāo)的可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)新型旁通閥型線設(shè)計(jì)方法，開展旁通閥閥瓣的三維幾何優(yōu)化研究，并進(jìn)行不同閥瓣形式旁通閥的流通特性試驗(yàn)和增壓壓力調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)，研究了不同廢氣旁通閥在大跨度流量調(diào)節(jié)下的控制精度，驗(yàn)證了經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多截面混合閥不僅可以實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉狀態(tài)的密封性，而且可以有效地提升可調(diào)兩級增壓大范圍旁通流量控制精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)全工況大跨度增壓壓力的精確調(diào)節(jié)。

1 研究對象

針對某6缸渦輪增壓中冷柴油機(jī)可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的廢氣旁通閥進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，以獲得滿足等百分比流量特性的旁通閥。柴油機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 廢氣旁通閥流量特性分析

目前，最常用的兩種可調(diào)兩級渦輪增壓系統(tǒng)廢氣旁通閥是蝶閥和平面型閥瓣廢氣旁通閥。蝶閥的流量特性如圖1所示，可在0°～20°開度區(qū)間內(nèi)接近等百分比流量特性，其開度在20°～50°范圍內(nèi)與等百分比流量特性符合度最高。在小開度時流量系數(shù)較小，隨著閥門開度變大，流量系數(shù)增大且增加幅度變大，適合用于可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)；但為防止蝶閥閥板因受熱膨脹而發(fā)生卡死現(xiàn)象，在全關(guān)狀態(tài)下，蝶閥閥板與管壁之間需留有一定的空隙[12]，高壓氣體會由此處泄漏，在外特性工況下會影響發(fā)動機(jī)性能。

圖1 1 500 r/min、50%負(fù)荷下蝶閥流量和流量系數(shù)

平面型閥瓣廢氣旁通閥結(jié)構(gòu)簡單，能夠克服蝶閥泄漏的缺點(diǎn)，其流量特性如圖2所示。由圖2可見，隨著閥門開度的增大，平面閥流量增加速率隨閥門開度增大而減小，流量特性曲線的變化規(guī)律與流量變化規(guī)律相似，具備快開型流量特性的特點(diǎn)，在較小開度即達(dá)到較大的流通能力。這一特性與增壓系統(tǒng)耦合會造成旁通閥的有效開度范圍很小，對增壓壓力的增益在小開度非常大而在大開度下很小，因此平面型閥瓣廢氣旁通閥不易實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的增壓壓力控制，不適合作為可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)廢氣旁通閥。

圖2 1 500 r/min、50%負(fù)荷下平面型閥瓣廢氣旁通閥流量和流量系數(shù)

通過蝶閥和平面型閥瓣廢氣旁通閥流量特性的對比可以看出，二者都難以實(shí)現(xiàn)寬流量范圍的高精度調(diào)節(jié)。在旁通閥固有流量特性中，等百分比流量特性流量旁通比在小開度時變化速度較慢，在大開度下變化速度較快，具有等百分比流量特性的閥門有效開度范圍大，同時在全開度下增益的變化不是很大，能夠?qū)崿F(xiàn)對增壓壓力的大范圍高精度調(diào)節(jié)，最適合作為可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的廢氣旁通閥。

3 兩級增壓偏置異型閥瓣型線設(shè)計(jì)

本文中基于調(diào)節(jié)特性開展了兩級增壓旁通異型閥瓣優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以滿足各開度下等百分比流量特性要求：小流量下單位流量對應(yīng)的開度調(diào)節(jié)范圍大，有利于提高控制精度；大流量下單位流量對應(yīng)的開度調(diào)節(jié)范圍小，流量敏感性高，響應(yīng)性高。

用于柴油機(jī)可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)的偏置異型閥結(jié)構(gòu)如圖3所示。本文中設(shè)計(jì)了如圖4所示的平面閥瓣、半球閥瓣、直旋轉(zhuǎn)體閥瓣、多截面混合閥瓣等4種旁通異型閥瓣，并展開優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。平面閥與半球閥給定閥門直徑和球形半徑可以獲得閥門形狀，本文主要針對直旋轉(zhuǎn)體閥與多截面混合閥設(shè)計(jì)開展研究。

圖3 偏置異型閥結(jié)構(gòu)圖

圖4 4種偏置異型閥瓣模型

3.1 設(shè)計(jì)思路

目前，旁通閥閥瓣型線設(shè)計(jì)主要是在流量試驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合圖解法進(jìn)行[13-14]?？紤]旁通閥流量系數(shù)在給定的閥體結(jié)構(gòu)中基本固定，其流量特性主要決定于閥瓣和閥座間的流通截面積[15]，所以本文閥瓣型線設(shè)計(jì)主要依據(jù)計(jì)算流量與流通面積關(guān)系，并以目標(biāo)流通面積為目標(biāo)設(shè)計(jì)閥瓣型線。

3.2 等百分比流量直旋轉(zhuǎn)體閥瓣型線設(shè)計(jì)

以閥座離旋轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)軸的距離為半徑作圓弧,取這個圓弧在閥座平面與閥座軸心之間的部分，并圍繞閥座軸心旋轉(zhuǎn)形成最大閥瓣，此最大直旋轉(zhuǎn)體閥瓣滿足運(yùn)行過程中不發(fā)生干涉。圖5為直旋轉(zhuǎn)體式最大閥瓣，圖中標(biāo)出了5種開度下閥座所在位置。

圖5 直旋轉(zhuǎn)體式最大閥瓣及各開度閥座所在平面

根據(jù)最大閥瓣流量與不同可調(diào)比R下理想等百分比流量的比較，選取直旋轉(zhuǎn)體閥瓣的可調(diào)比為10。最大閥瓣基于等百分比流量優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為使20°、25°開度下的流量增大，盡量接近理想等百分比流量。首先切掉閥瓣15°開度左端點(diǎn)水平面以下部分，改進(jìn)后20°開度的流量與等百分比流量非常接近；然后找出20°開度下閥瓣與閥座最近距離的點(diǎn)組成的曲線，并截取曲線所在面以下部分材料，以獲得25°開度下的最大流量。經(jīng)兩次改進(jìn)后直旋轉(zhuǎn)體閥瓣模型如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后直旋轉(zhuǎn)體閥瓣模型

3.3 等百分比流量多截面混合閥瓣型線設(shè)計(jì)與優(yōu)化

多截面混合閥瓣的最大外輪廓為一個旋轉(zhuǎn)體被一個直圓柱截去后的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)閥瓣幾何的參數(shù)化，將其簡化為若干圓邊界混合形成的幾何體。這些圓命名為控制圓，控制圓位于不同開度下閥座所在平面，如圖7所示。

圖7 多截面混合閥各開度下閥瓣控制圓位置

由等百分比流量特性流通面積與流量的關(guān)系，可以計(jì)算得到不同開度下等百分比流量特性所需的流通面積，如表2所示。基于此目標(biāo)流通面積對閥瓣型線進(jìn)行設(shè)計(jì)。將各閥座圓弧各點(diǎn)到閥瓣曲面的垂線連接在一起構(gòu)成了閥瓣與閥座的最小流通截面，為一個空間曲面，其面積即閥瓣的流通面積。流通面積所在曲面如圖8所示。通過改變控制圓的直徑，使各開度下閥門流通面積達(dá)到目標(biāo)流通面積。為使多截面混合閥流量特性滿足等百分比流量特性，截去在閥門開度20°時近似最小流通截面所在位置以下部分，得到如圖9所示的多截面混合閥閥瓣幾何結(jié)構(gòu)。最后獲得的流通面積隨開度的變化規(guī)律如圖10所示。

表2 等百分比流量流通面積目標(biāo)

圖8 多截面混合閥各開度下流通面積所在曲面示意圖

圖9 改進(jìn)后多截面混合閥閥瓣幾何結(jié)構(gòu)

圖10 等百分比流量流通面積目標(biāo)與設(shè)計(jì)結(jié)果對比

4 偏置異型旁通閥流量特性研究

通過對以上幾種典型偏置異型旁通閥瓣型線的設(shè)計(jì)，使閥門流量特性盡量靠近等百分比流量特性?；谠O(shè)計(jì)結(jié)果加工了4種偏置異型旁通閥，示于圖11。

圖11 加工的4種偏置異型旁通閥照片

對4種不同偏置異型旁通閥流量特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)條件為進(jìn)口壓力150 kPa，出口壓力50 kPa。流量特性曲線如圖12所示。從圖12中可以看出，相同開度下，流量由大到小的閥門依次為平面閥、半球閥、直旋轉(zhuǎn)體閥、多截面混合閥。主要原因是相同壓差條件下，流量主要受實(shí)際流通面積的影響，平面閥具有最大流通面積，而多截面混合閥的流通面積最小。

圖12 不同閥門流量特性比較

從圖12中還可以看出，本文所設(shè)計(jì)的多截面混合閥的流量特性與等百分比流量目標(biāo)特性最接近。不同閥門流量變化率隨開度的變化見圖13。由圖13可知，平面閥在小開度時的流量變化率顯著大于大開度時；多截面混合閥流量變化率隨開度的增加而增大，接近最大開度時有所減小，在不同開度下相比平面閥對增壓壓力的調(diào)節(jié)特性更優(yōu)。

圖13 不同閥門流量變化率隨開度的變化

閥門的流量特性、調(diào)節(jié)特性是由其在特定條件、不同開度下內(nèi)部流場的狀況決定的。利用ANSYS三維仿真計(jì)算軟件對多截面混合閥在不同開度的流場特性進(jìn)行了研究，計(jì)算得到基于多截面混合閥流場特性如圖14所示，從左側(cè)流出閥座的流體從閥板上方繞過閥板在右側(cè)與另一側(cè)流出的流體匯合流向出口處。在閥體角落處和流體匯合處均產(chǎn)生了渦流現(xiàn)象。隨著閥門開度的增加，多截面混合閥流速緩慢增加，這主要受到閥門型線與閥門實(shí)際流通面積的影響，驗(yàn)證了經(jīng)過設(shè)計(jì)的多截面混合閥的優(yōu)化性能。

圖14 多截面混合閥不同開度的流場特性

5 兩級增壓偏置異型閥調(diào)節(jié)特性比較

基于有效開度和增益變化率兩個調(diào)節(jié)特性評價指標(biāo)，在可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)廢氣旁通閥應(yīng)用場景下，比較不同閥門調(diào)節(jié)特性的優(yōu)劣。有效開度的定義為當(dāng)旁通閥逐漸開啟至增壓壓力變化到最大變化范圍的90%時旁通閥對應(yīng)的開度范圍。增益變化率定義為在閥門全開度下，閥門開度引起增壓壓力變化率的最大值與最小值之比，這一參數(shù)表征了旁通閥對增壓壓力調(diào)節(jié)的平順程度，增益變化率越小，旁通閥對增壓壓力的調(diào)節(jié)在各開度下越均衡。

圖15為增壓壓力相對調(diào)節(jié)量隨閥門相對開度(閥門開度轉(zhuǎn)角除以閥門全開時的轉(zhuǎn)角)變化曲線。多截面混合閥最大有效相對開度最大，為0.73，蝶閥的最大有效相對開度為 0.47，未經(jīng)改進(jìn)的平面閥有效相對開度最小，為 0.28。

圖15 旁通閥對增壓壓力調(diào)節(jié)特性對比

圖16為不同閥門增益變化率對比。由圖16可見：未經(jīng)優(yōu)化的平面閥的增益變化率很大，為162.3，是另兩種閥門的十余倍；多截面混合閥增益變化率最小，達(dá)到最好的增益平衡性;蝶閥的增益變化率與多截面混合閥接近。

圖16 不同閥門的增益變化率

綜上，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的多截面混合閥的流量特性接近等百分比流量特性，調(diào)節(jié)特性略優(yōu)于蝶閥。最大有效相對開度為0.73，為平面閥的2.6倍；增益變化率為11.2，為平面閥的6.9%，對增壓壓力調(diào)節(jié)特性的優(yōu)化效果明顯。

6 結(jié)論

(1)針對船用柴油機(jī)兩級增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求，開展了典型蝶閥和平面型閥瓣旁通閥流量特性的對比分析，研究了不同閥門的調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)精度，表明蝶閥和平面閥的調(diào)節(jié)特性難以滿足寬流量高精度需求。

(2)通過對可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)典型偏置異型閥的閥瓣型線設(shè)計(jì)優(yōu)化，改進(jìn)了廢氣旁通閥的流量特性，使其符合等百分比流量特性。通過試驗(yàn)研究獲得了4種偏置異型閥流量特性曲線，在4種閥瓣中多截面混合閥瓣流量特性最接近等百分比流量特性。通過對多截面混合閥流場特性的分析，驗(yàn)證了經(jīng)設(shè)計(jì)的廢氣旁通閥的優(yōu)化性能。

(3)多截面混合閥有效開度范圍達(dá)到了0.73，為平面閥的2.6倍，增益變化率降低至平面閥的6.9%，對增壓壓力的調(diào)節(jié)特性優(yōu)化效果明顯，可以對增壓壓力起到有效、平穩(wěn)的控制作用。