基于VGT的兩級可調增壓系統調節特性研究

董素榮 劉瑞林 林春成 張金明 李浩

（1.陸軍軍事交通學院，天津 300161；2.陸軍裝甲兵學院士官學校，長春 130117；3.康躍科技股份有限公司，壽光 262718）

主題詞：兩級可調增壓系統 VGT 渦輪調節閥 調節特性

1 前言

隨著人們對柴油機動力性、經濟性的不斷追求和排放法規的日益嚴格，單級渦輪增壓器已經不能滿足柴油機較寬流量范圍的使用需求，特別是高海拔動力輸出需要更多的新鮮充量供給，因而兩級可調高增壓技術成為必然的選擇。兩級增壓系統具有高增壓比、流量范圍大的特點，同時也有較好的動態響應特性[1-5]。

國外一些企業自20世紀70年代開始進行了兩級可調增壓系統的研究工作，并已運用于大型載貨汽車和乘用車上[6-8]。兩級可調增壓系統能否達到提高柴油機各項性能指標的要求，制定合理的控制策略是關鍵。而對兩級可調增壓系統調節參數的調節規律和調節能力研究，是兩級可調增壓系統控制策略制定的依據，是實現兩級可調增壓系統應用于柴油機的前提。

鑒于此，進行了基于高壓級VGT（Variable Geometry Turbocharger）的兩級可調增壓系統調節特性試驗研究，分析了兩級可調增壓器高壓級VGT葉片開度及高、低壓級渦輪調節閥開度對兩級可調增壓系統總壓比、高/低壓級增壓器轉速、渦前壓力等性能參數的調節能力和調節規律，為柴油機兩級可調增壓系統控制策略的制定提供指導。

2 試驗系統和試驗方法

2.1 試驗系統

基于單級渦輪增壓器性能試驗臺，搭建了VGT兩級可調增壓系統調節特性試驗系統，如圖1所示。該系統主要由兩級可調增壓器渦輪燃氣供給系統、壓氣機出口壓力調節系統及基于VGT的兩級可調增壓器組成。渦輪燃氣供給系統由空氣壓縮機提供氣源，通過渦輪進氣閥進入燃燒室，與燃料混合燃燒形成高溫高壓氣體，推動兩級渦輪高速旋轉，兩級渦輪帶動兩級壓氣機對進氣進行增壓。通過調節渦輪進氣閥開度和燃燒室的噴油量控制渦輪工作狀態，通過壓氣機放氣閥控制壓氣機出口壓力，調節壓氣機流量。

圖1 兩級可調增壓系統調節特性試驗系統

兩級可調增壓器的高壓級為可變截面渦輪增壓器（JK70S），低壓級為固定截面渦輪增壓器（JP100S），高、低壓級渦輪采用垂直連接，以減小燃氣流動損失，高壓級VGT葉片開度和高、低壓級渦輪調節閥均由電動執行器驅動。VGT葉片旋轉角度調節范圍為36.5°～77.9°，對應葉片開度為100%～0%。

兩級可調增壓器結構參數如表1和表2所示。

表1 高、低壓級壓氣機結構參數

表2 高、低壓級渦輪結構參數

2.2 試驗方法

2.2.1 VGT葉片調節特性試驗

試驗時，高、低壓級渦輪調節閥保持全關位置，VGT葉片開度調至20%，調節試驗系統進氣流量和噴油量，設定高壓級增壓器至某一固定轉速。逐漸增大VGT葉片開度至40%、60%、80%、100%，考察VGT葉片調節能力。

2.2.2 渦輪調節閥調節特性試驗

保持VGT葉片開度為60%（此時渦輪效率較高），高、低壓級調節閥全關不變，調節試驗系統使高壓級增壓器達到某一固定轉速。高壓級渦輪調節閥從全關逐漸增大開度（20%、40%、60%、80%、100%），考察高壓級渦輪調節閥調節能力。調節低壓級渦輪調節閥開度至40%和100%，重復上述試驗步驟，考察低壓級渦輪調節閥調節能力。

3 試驗結果與分析

3.1 高壓級VGT葉片開度調節特性

圖2和圖3分別為低壓級渦輪調節閥全關時，高、低壓級增壓器轉速和渦前壓力隨VGT葉片開度的變化曲線。

圖2 VGT葉片開度對高、低壓級轉速的影響

圖3 VGT葉片開度對高、低壓級渦前壓力的影響

由圖2和圖3可看出，隨高壓級VGT葉片開度的增加，高壓級增壓器轉速和渦前壓力降低，低壓級增壓器轉速和渦前壓力逐漸增加，但與高壓級相比增加幅度很小。同時，隨高壓級渦輪調節閥開度的增加，VGT葉片調節能力下降。在高壓級渦輪調節閥關閉的情況下，當VGT葉片開度從20%增加至100%時，高壓級增壓器轉速、渦前壓力分別下降36.0%和34.9%，低壓級增壓器轉速、渦前壓力分別上升22.2%和12.6%。在高壓級渦輪調節閥全開的情況下，當VGT葉片開度從20%增加至100%時，高壓級增壓器轉速、渦前壓力分別下降25.2%和25.8%，低壓級增壓器轉速、渦前壓力分別上升16.4%和10.1%。

在低壓級渦輪調節閥全關時，高、低壓級壓比隨VGT葉片開度的變化曲線如圖4所示。其變化趨勢與高、低壓級轉速的變化趨勢一致，但總壓比仍逐漸降低，如圖5所示。從圖4和圖5可看出，在高壓級渦輪調節閥關閉情況下，當VGT葉片開度從20%增加至100%時，高壓級壓比下降31.8%，低壓級壓比增大24.9%，兩級增壓器總壓比下降14.8%；在高壓級渦輪調節閥全開的情況下，當VGT葉片開度從20%增加至100%時，高壓級壓比下降19.5%，低壓級壓比增大14.1%，兩級增壓器總壓比下降8.2%。這是由于隨高壓級VGT葉片開度增加，高壓級渦輪流通截面積增大，流經高壓級渦輪的氣體膨脹做功逐漸減少，渦前壓力也逐漸降低，而低壓級渦前壓力逐漸增大，故高壓級轉速下降，低壓級轉速逐漸上升，進而導致高壓級壓比減小，而低壓級壓比增大。

圖5 兩級增壓器總壓比隨VGT葉片開度的變化曲線

3.2 高、低壓級渦輪調節閥調節特性

圖6 和圖7分別為在VGT葉片開度一定（60%）的情況下，高、低壓級增壓器轉速和渦前壓力隨渦輪調節閥開度的變化曲線。由圖6和圖7可看出，隨高壓級渦輪調節閥開度的增大，更多的廢氣流量繞過高壓級渦輪直接進入低壓級渦輪進行膨脹做功，使得高壓級增壓器轉速、渦前壓力降低，而低壓級增壓器轉速、渦前壓力升高。但由于低壓級增壓器流通截面積和轉動慣量大于高壓級，導致各項性能參數的變化幅度小于高壓級。當高壓級調節閥從全關到全開時，高壓級轉速下降14.0%，渦前壓力下降7.5%，低壓級轉速升高4.1%，渦前壓力僅升高0.8%。

從圖6和圖7可知，隨低壓級調節閥開度的增加，高壓級增壓器轉速和渦前壓力略有降低，低壓級增壓器轉速和渦前壓力均降低。這是由于低壓級渦輪調節閥開度增大，使得部分廢氣不經過低壓級渦輪膨脹做功而直接排出，導致低壓級增壓器轉速下降，渦前壓力和膨脹功降低。

圖6 渦輪調節閥開度對高、低壓級轉速的影響

圖7 渦輪調節閥開度對高、低壓級渦前壓力的影響

圖8 為高、低壓級壓比隨高、低壓級渦輪調節閥開度的變化曲線。

圖8 渦輪調節閥開度對高、低壓級壓氣機壓比的影響

由圖8可看出，隨高壓級渦輪調節閥開度的增加，高壓級壓比逐漸降低，低壓級壓比逐漸升高。當低壓級調節閥關閉，高壓級調節閥從關閉到完全開啟時，高壓級壓比降低10.5%，低壓級壓比升高6.1%。在低壓級調節閥全關到全開時，高壓級壓比有小幅增加，低壓級壓比卻大幅減小，低壓級調節閥開度對低壓級壓比影響更大。

圖9為兩級增壓器總壓比隨渦輪調節閥開度的變化曲線。由圖9可看出，隨高壓級調節閥開度的增加，兩級可調增壓系統總壓比不斷降低。雖然由圖8可知低壓級調節閥開度的增大對高壓級壓比有一定的提升作用，但因低壓級壓比的下降幅度更大，所以造成總壓比不斷降低。當低壓級調節閥關閉，高壓級調節閥全關到全開時，兩級增壓器總壓比下降5.0%。

圖9 兩級增壓器總壓比隨渦輪調節閥開度的變化曲線

3.3 VGT葉片和高、低壓級渦輪調節閥調節能力

表3為VGT葉片及高、低壓級渦輪調節閥開度對兩級可調增壓系統參數的影響結果。由表3可知，VGT葉片和高壓級調節閥對兩級可調增壓系統性能的調節規律一致，但VGT葉片對系統性能影響更大，VGT葉片調節能力是高壓級渦輪調節閥調節能力的2倍以上，可作為兩級增壓系統的主要調節參數，高壓級渦輪調節閥作為輔助調節參數。低壓級渦輪調節閥對高壓級增壓器調節能力較弱，但對低壓級增壓器有較強保護能力。

表3 二級可調增壓系統性能參數變化百分比

4 結束語

a.高壓級VGT葉片與高壓級渦輪調節閥調節規律相同，但VGT葉片調節能力更強，是高壓級調節閥調節范圍的2倍以上，低壓級渦輪調節閥對高壓級增壓器調節能力較弱。

b.隨高壓級VGT葉片開度的增加，高壓級轉速、渦前壓力及壓比降低，相反低壓級轉速、渦前壓力、壓比逐漸增大，兩級增壓器總壓比下降。

c.隨低壓級渦輪調節閥開度的增大，兩級可調增壓系統總壓比不斷降低。雖然低壓級調節閥的開啟對高壓級壓比有一定的提升作用，但低壓級壓比的下降幅度更大，造成總壓比不斷降低。