帶廢氣調(diào)節(jié)閥的可變幾何渦輪增壓器性能試驗(yàn)研究

董素榮劉瑞林劉澤坤王航張金明

（1.軍事交通學(xué)院，天津 300161；2.中南大學(xué)，粉末冶金研究院，長沙 410083；3.康躍科技股份有限公司，壽光 262700）

帶廢氣調(diào)節(jié)閥的可變幾何渦輪增壓器性能試驗(yàn)研究

董素榮1劉瑞林1劉澤坤2王航3張金明3

（1.軍事交通學(xué)院，天津 300161；2.中南大學(xué)，粉末冶金研究院，長沙 410083；3.康躍科技股份有限公司，壽光 262700）

基于增壓器性能試驗(yàn)臺，對帶廢氣調(diào)節(jié)閥的可變幾何截面渦輪增壓器（VGT）進(jìn)行性能試驗(yàn)，得到不同VGT葉片開度的渦輪流通特性、廢氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性及壓氣機(jī)流量特性曲線。結(jié)果表明，隨著VGT葉片開度的增大，渦輪流通能力增大；廢氣調(diào)節(jié)閥在開啟角度5°～15°調(diào)節(jié)時，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速迅速下降，調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，但開啟角度超過20°時轉(zhuǎn)速基本不變，其調(diào)節(jié)能力達(dá)到極限；壓氣機(jī)最大折合流量達(dá)到0.31 kg/s，最高壓比達(dá)到2.98，不同轉(zhuǎn)速下的最高效率均在71%以上。

1 前言

可變幾何渦輪增壓器（VGT）通過調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)渦輪等效流通截面，能夠兼顧發(fā)動機(jī)的高速和低速性能，與發(fā)動機(jī)保持合理匹配，已在發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用[1～3]。盡管VGT具有增壓效率高、較好解決渦輪遲滯問題及較高的變海拔適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，但是受VGT增壓比（小于4）的限制，其對柴油機(jī)的高原功率恢復(fù)能力不及兩級渦輪增壓器[4～6]。因此，為了滿足柴油機(jī)變海拔高壓比、寬流量的需求，本文在增壓器試驗(yàn)臺上對設(shè)計(jì)的帶廢氣調(diào)節(jié)閥的VGT進(jìn)行試驗(yàn)，研究其渦輪流通特性、壓氣機(jī)流量特性和廢氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)是在某公司增壓器綜合試驗(yàn)臺上進(jìn)行的，該試驗(yàn)臺能夠自動控制渦輪增壓器的試驗(yàn)，是目前世界上最先進(jìn)、精度最高的增壓器綜合性能試驗(yàn)臺。

2.2 帶廢氣調(diào)節(jié)閥的VGT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

帶廢氣調(diào)節(jié)閥的VGT三維模型如圖1所示。廢氣調(diào)節(jié)閥集成在VGT渦輪殼體上，VGT葉片和廢氣調(diào)節(jié)閥的電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均通過支架安裝在增壓器殼體上。

VGT葉片旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)范圍為36.5°～77.9°（即31.4°），對應(yīng)葉片開度為100%～0。葉片開度由電動執(zhí)行器調(diào)節(jié)。

圖1 帶廢氣調(diào)節(jié)閥的VGT三維模型圖

廢氣調(diào)節(jié)閥采用繞軸旋轉(zhuǎn)開啟式閥門結(jié)構(gòu)，閥孔直徑為23 mm。

帶廢氣調(diào)節(jié)閥的VGT主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列。

表1 帶廢氣調(diào)節(jié)閥的VGT主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方法

a.VGT葉片開度調(diào)節(jié)方法

將葉片開度調(diào)至全關(guān)（葉片初始位置為全開，開度100%）位置，然后按20%、40%、60%、80%、100%的開度依次調(diào)節(jié)。

b.壓氣機(jī)性能試驗(yàn)方法

將廢氣調(diào)節(jié)閥置于全關(guān)位置，依據(jù)《GB T23341.2—2009渦輪增壓器第2部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行壓氣機(jī)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為60 000 r/min、80 000 r/min、100 000 r/min、110 000 r/min、120 000 r/min；每條轉(zhuǎn)速線均從喘振點(diǎn)到堵塞流量選7個測量點(diǎn)逐點(diǎn)測量。

c.渦輪機(jī)性能試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時，每條等渦輪相似轉(zhuǎn)速線均從小流量點(diǎn)到最大相似流量點(diǎn)逐點(diǎn)測量，其中最小相似流量點(diǎn)與最大相似流量點(diǎn)分別對應(yīng)壓氣機(jī)喘振點(diǎn)和阻塞點(diǎn)。依次對VGT葉片開度為20%、40%、60%、80%、100%時進(jìn)行渦輪機(jī)性能試驗(yàn)。

d.廢氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)

將VGT葉片開度設(shè)置在80%的位置，調(diào)節(jié)閥閉合時調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速為80 000 r/min，以5°為間隔，依次增大廢氣調(diào)節(jié)閥開啟角度，進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 渦輪機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

渦輪機(jī)性能主要由渦輪定熵效率、膨脹比、氣體流量和渦輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)表示。渦輪機(jī)性能曲線表示了在各種工況下渦輪主要工作參數(shù)的變化關(guān)系，是確定渦輪與發(fā)動機(jī)匹配合理與否的重要依據(jù)。圖2和圖3分別為VGT葉片不同開度下渦輪流量特性和效率特性曲線。

圖2 不同VGT葉片開度下渦輪流量特性曲線

圖3 不同VGT葉片開度下渦輪效率特性曲線

從圖2可以看出，渦輪相似流量范圍為13.0～38.5 kgK1/2/s/MPa，膨脹比范圍為1.26～3.60。VGT葉片處于20%開度時的渦輪流通能力與60%以上開度相比明顯降低，且20%～60%開度之間的渦輪流通能力增量遠(yuǎn)大于60%～100%開度之間的增量。在膨脹比為2.5時，20%開度的相似流量（17.2 kgK1/2/s/MPa）僅為60%開度（32.5 kgK1/2/s/MPa）的53%，而60%開度的相似流量為100%開度（38.0 kgK1/2/s/MPa）的22%；20%、40%、60%、80%與100%開度相比的相似流量差值依次減小，分別為8.8、6.5、3.6、3.6。

從圖3可以看出，渦輪最高效率為70%，其中20%～80%開度下的渦輪效率在不同速比的情況下相差較小，而100%開度下的渦輪效率明顯偏低，最大效率僅為45%。這表明該款增壓器在渦輪葉輪參數(shù)不變的情況下，噴嘴環(huán)葉片開度從20%～80%開度調(diào)節(jié)時，渦輪效率較高；而當(dāng)噴嘴環(huán)葉片達(dá)100%時渦輪效率降低，其原因是此時已超出最佳調(diào)節(jié)范圍，使渦輪反動度下降，效率下降。因此，該增壓器與柴油機(jī)匹配時噴嘴環(huán)葉片最佳開度應(yīng)設(shè)置在20%～80%之間。

3.2 廢氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4為VGT葉片開度80%、渦輪轉(zhuǎn)速為80 000 r/min時，兩次試驗(yàn)得到的渦輪轉(zhuǎn)速隨廢氣調(diào)節(jié)閥開度的變化曲線。由圖4可以看出，隨著廢氣調(diào)節(jié)閥開度的增大，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降。廢氣調(diào)節(jié)閥開度由完全關(guān)閉到開啟20°時，渦輪轉(zhuǎn)速由初始的80 000 r/min逐漸下降到70 000 r/min，再繼續(xù)增大廢氣調(diào)節(jié)閥開度，渦輪轉(zhuǎn)速基本不變，說明廢氣調(diào)節(jié)閥開啟20°時，流量已達(dá)到最大。同時，廢氣調(diào)節(jié)閥由5°開啟到15°時，渦輪轉(zhuǎn)速下降迅速，表明此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，因此在制定調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)策略時，應(yīng)采取小步長調(diào)節(jié)。

圖4 廢氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性曲線

3.3 壓氣機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5和圖6分別為廢氣調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉、不同噴嘴環(huán)葉片開度下壓氣機(jī)壓比特性和效率特性曲線。可知，壓氣機(jī)的流量范圍在0.05～0.31 kg/s之間，壓比在1.22～2.98之間；不同轉(zhuǎn)速、不同葉片開度壓氣機(jī)最高效率均在70%以上，最高達(dá)75%。除不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大流量點(diǎn)和60 000 r/min對應(yīng)的最小流量點(diǎn)外，其它流量對應(yīng)的壓氣機(jī)效率都在62%以上。

圖5 壓氣機(jī)壓比特性曲線

圖6 壓氣機(jī)效率特性曲線

圖7為壓氣機(jī)流量特性曲線。可以看出，壓氣機(jī)高效率圈呈封閉的橢圓形，處于壓氣機(jī)流量特性圖的中間位置，遠(yuǎn)離喘振線；壓氣機(jī)74%高效率圈很大，對應(yīng)的壓比范圍1.51～2.15、流量范圍0.13～0.21 kg/s；壓氣機(jī)特性線很陡，進(jìn)氣流量在0.08～0.20 kg/s之間時，壓氣機(jī)特性線斜率接近于1，這對提高柴油機(jī)低速動力性能十分有利。

圖7 壓氣機(jī)流量特性曲線

4 結(jié)束語

a.廢氣調(diào)節(jié)閥全關(guān)時，隨著VGT葉片開度的增大，渦輪相似流量依次增大，但差值依次減小。渦輪相似流量在13.0～38.5 kgK1/2/s/MPa之間，對應(yīng)的膨脹比為1.26～3.6，最高效率達(dá)到70%。

b.隨著廢氣調(diào)節(jié)閥開度的增大，渦輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，廢氣調(diào)節(jié)閥開啟角度達(dá)到20°時，流通能力達(dá)到最大。

c.壓氣機(jī)的流量范圍為0.05～0.31 kg/s，壓比在1.22～2.98之間變化，壓氣機(jī)74%高效率圈很大，對應(yīng)的壓比范圍為1.51～2.15、流量范圍為0.13～0.21 kg/s。

1 Akiko Kawamoto.Variable geometry system turbocharger for passenger car diesel engine.SAE 2001-01-0273.

2 王軍秋，王延生，劉毅,等.電控可變幾何渦輪增壓器與J6110Z柴油機(jī)匹配性能研究.車用發(fā)動機(jī)，1995（3）：6～10.

3 Ogawa H,Hayash M,Yashiro M,馬興國.重型貨車可調(diào)噴嘴渦輪增壓系統(tǒng)連續(xù)反饋控制的發(fā)展.車用發(fā)動機(jī)，1998（1）：9～15.

4 張海雷.柴油機(jī)變海拔渦輪增壓技術(shù)研究:[學(xué)位論文].北京:清華大學(xué),2008.

5 靳嶸，張俊躍，胡力峰，等.高原自適應(yīng)柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)研究.內(nèi)燃機(jī)工程，2011,32（4）:27～31.

6 董素榮，劉瑞林，許翔，等.軍車柴油機(jī)高原性能提升技術(shù).軍事交通學(xué)院學(xué)報，2013,3（15）:42～47.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年10月1日。

Experiment Study on Performance of the Variable Geometry Turbocharger with An Exhaust Adjusting Valve

Dong Surong1,Liu Ruilin1,Liu Zekun2,Wang Hang3,Zhang Jinming3
（1.Military Transportation University,Tianjin 300161;2.Powder Metallurgy Institute of Central South University, Changsha 410083;3.Kangyue Turbocharger Company Limited,Shouguang 262700）

The performance tests on the Variable Geometry Turbocharger(VGT)with an exhaust adjusting valve were carried out at turbocharger test bed.The turbine characteristic maps of the VGT blade different opening degree,the adjusting characteristic map of the exhaust adjusting valve and the compressor characteristic maps were obtained.Research results show that with the increase of VGT blade openings,the turbine flow increases gradually;when the exhaust adjusting valve open degree varies from 5°to 15°,the speed of the turbocharger decreases rapidly,and it had a high regulating ability.But when the exhaust adjusting valve opening is larger than 20°,the turbocharger speed is basically unchanged,and exhaust adjusting valve reaches the limit value of the regulating ability.Furthermore,the maximum flow of compressor is 0.31kg/s and the maximum compression ratio is 2.98,and the maximum efficiency at different speeds is above 0.71.

VGT,Exhaust adjusting value,Compressor,Performance

VGT 廢氣調(diào)節(jié)閥 壓氣機(jī) 性能

U464.135

A

1000-3703（2017）05-0055-03