內燃機兩級渦輪增壓技術的研究

潘旭 高昊

摘 要：近年來，隨著客戶要求的提高，對整車動力性、經濟性、舒適性提出更高的標準，同時為了兼顧日趨嚴格的法規要求，兩級渦輪增壓技術成為增壓技術的研究熱點和發展趨勢。論文針對某型號兩級增壓柴油機進行試驗，結果表明，兩級增壓有效提高了柴油機全工況性能，尤其是低速工況及部分負荷工況的動力性和燃油經濟性。

關鍵詞：兩級增壓；渦輪；發動機性能

中圖分類號： TK421 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）22-193-2

0 引言

隨著能源與環境問題日益明顯，且為適應越來越嚴格的排放法規要求，對內燃機的動力性與經濟性提出了更高的要求。因此，內燃機節能減排是備受關注的重大科學問題，也是國家能源戰略的重要環節。通過兩級渦輪增壓降低內燃機的排量，是內燃機節能和減排的關鍵技術之一。

1 兩級渦輪增壓技術的研究現狀

兩級增壓系統（Two-stage System）

兩級增壓技術將兩臺渦輪增壓器（大小可異同、可有無放氣閥、可廢氣渦輪或機械、電力驅動）聯合運行，通過控制系統可以按不同順序、不同比例的多種調節措施對空氣進行一級或兩級壓縮。某兩級渦輪增壓是兩個WGT增壓器進行串聯，通過真空調節器對增壓器的高、低壓技術進行控制，從而滿足內燃機各工況下進氣量的需求。

因此，近年來兩級渦輪增壓成為內燃機增壓領域受到關注的熱點之一。

但兩級增壓匹配復雜且難度大，是兩級增壓技術研究的主要難點。兩級增壓系統有大小、類型不同的兩級增壓器，兩級增壓器之間以及它們與發動機的氣動聯系更為復雜，對匹配提出了更高的要求。

另外，高低壓兩級增壓器在不同發動機工況下的運行特性及變化趨勢是不一致的。

2 兩級增壓器性能試驗及驗證

2.1 兩級增壓器性能試驗

論文選用某型號兩級渦輪增壓柴油機為研究對象，發動機主要參數見下表：

2.2 試驗結果：（匹配兩級增壓器與VGT增壓器的區別）

2.3 試驗總結

從以上圖示可以看出，為兼顧低速與高速的動力性，兩級增壓器是非常完美的一個選擇。

低速段，通過增壓器高壓級的工作來滿足動力性；高速段，通過增壓器低壓級的工作來滿足動力性。同時，在中負荷區域，油耗也有所降低。兩級增壓器在平原地區滿足動力性的要求，同時也彌補了高原地區因空氣稀薄導致的一系列動力性問題。

3 兩級增壓器控制原理

兩級增壓器控制原理如下圖所示。整個結構中需要控制三個閥，包括高壓渦輪旁通閥、低壓渦輪旁通閥和高壓壓氣機旁通閥，其中進氣側一個閥，廢氣側為兩個閥。

三個閥門的大體作用：高壓渦輪旁通閥控制進入高壓級渦輪和低壓級渦輪的廢氣比例，低壓渦輪旁通閥控制進入低壓級渦輪的廢氣量，而高壓壓氣機旁通閥則控制新鮮空氣進入高壓級壓氣機的比例，可以控制整個增壓系統是單級工作還是兩級工作。三個閥門均為負壓控制，氣動調節。高壓渦輪旁通閥和低壓渦輪旁通閥的開度是連續可調的，高壓壓氣機旁通閥開度不能連續可調，只有全開和全關兩種狀態。事實上，閥的開度如何控制取決于其真空管路上的控制閥類型，即真空切換閥和真空控制閥。

試驗原理：隨著發動機轉速的提高，低壓機壓氣機壓比一直上升，而高壓級壓氣機壓比先上升，隨后隨旁通閥的開啟而降低，總壓比完全滿足內燃機性能的需求；發動機中低轉速時，高低兩級壓氣機都具有較高的效率。當發動機處于低轉速工況運行時，旁通閥完全關閉，高溫排氣氣順次流經高低兩級增壓器的渦輪。隨著發動機轉速的提高，兩級渦輪的流量的增長量一樣，所以兩級增壓器的壓比都上升，總壓比及進氣能力都提高。然而，當總壓比太高時，即增壓壓力太大了，這樣，就要限制增壓器的開度，避免增壓器超速，從而造成增壓器的損壞。

4 兩級增壓器運行工況的分布

兩級增壓系統運行特點見下圖，發動機整個工況范圍內分為三個工作區域①、②、③。①和②區域為高壓級、低壓級同時工作，即兩級增壓；③區域為單級增壓，只有低壓級工作。②和③區域分別調節高壓渦輪旁通閥和低壓渦輪旁通閥來達到目標增壓壓力，即增壓壓力作為控制目標，閉環控制；而①區域三個閥全部關閉，增壓壓力不作為控制目標，也不進行控制，類似WGT 的單級增壓。

5 結論

通過對兩級增壓器的研究，匹配結果表明，兩級渦輪兼顧發動機的低速與轉速的性能，有效提高該柴油機全工況性能，提高了低速工況及部分負荷工況動力性和燃油經濟性。

參 考 文 獻

[1] 朱大鑫，渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業出版社，1992.