匹配VGT柴油機(jī)的熱力參數(shù)特性與性能模擬

付錦云

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050）

渦輪增壓技術(shù)可有效地提高動(dòng)力性、改善燃燒、提高經(jīng)濟(jì)性、減少?gòu)U氣中的HC、CO 及C粒和降低噪聲。車用柴油機(jī)由于工況范圍寬，導(dǎo)致廢氣渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配產(chǎn)生矛盾，而VGT技術(shù)有效解決了這一矛盾，是改善廢氣渦輪增壓器與車用柴油機(jī)匹配性能較理想的方案［1-4］。

世界上有各種渦輪特性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，諸如轉(zhuǎn)葉式、舌形擋板式、可變喉口式等，其差別在于起作用的部位不同，對(duì)渦輪工作的熱效率影響不同。最常見可變幾何渦輪增壓器包含：變喉口增壓器、舌形擋板增壓器和可變噴嘴環(huán)增壓器（VNT）［5-7］。

本文首先介紹了VGT 的工作原理和優(yōu)點(diǎn)，然后從匹配要求和VGT 葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的參數(shù)特性兩方面對(duì)其與油機(jī)匹配進(jìn)行了熱力建模，最后給出了葉片轉(zhuǎn)角與發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，以及增壓比隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的模擬結(jié)果，并且進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

1 VGT 的工作原理與優(yōu)點(diǎn)

采用VGT 技術(shù)的渦輪增壓系統(tǒng)的核心是導(dǎo)流葉片，其作用是調(diào)節(jié)渦輪截面。從圖1中可以看出，在渦輪的外側(cè)，增加了一圈導(dǎo)流葉片，導(dǎo)流葉片的相對(duì)位置是固定的，但是葉片角度可以電控系統(tǒng)控制和調(diào)整。在系統(tǒng)工作時(shí)，廢氣順著導(dǎo)流葉片流到渦輪葉片上，通過葉片角度的調(diào)整，達(dá)到控制流經(jīng)渦輪葉片氣體的流量和流速，進(jìn)而控制渦輪轉(zhuǎn)速的目的。

圖1 采用VGT 技術(shù)的渦輪增壓系統(tǒng)

在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，排氣壓力低，導(dǎo)流葉片打開較小的角度，使得導(dǎo)入渦輪處的空氣流速加快，進(jìn)而增加渦輪處的壓力，順利推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，有效的減輕了渦輪遲滯的現(xiàn)象，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的響應(yīng)速度和加速性能。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，排氣的壓力逐漸增大，葉片打開的角度隨之逐漸增加，在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉片保持全開，減小了排氣背壓，達(dá)到了良好的增壓效果。而且由于葉片角度的改變能夠有效的控制渦輪的轉(zhuǎn)速，故而同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦輪的過載保護(hù)。

采用VGT 的目的有三個(gè)方面：（1）、在發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有較高的增壓壓力，進(jìn)而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩；（2）、發(fā)動(dòng)機(jī)在額定點(diǎn)附近運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪增壓壓力不致過高，避免發(fā)動(dòng)機(jī)過高的機(jī)械負(fù)荷和渦輪增壓器的超速.；（3）、發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷時(shí)，通過可變截面渦輪增壓，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。通過渦輪增壓器的調(diào)節(jié)改善增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的匹配，從而達(dá)到改善車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的目的。可變截面渦輪增壓與電控技術(shù)相結(jié)合后，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)全工況范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器的最佳匹配，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)性能全面優(yōu)化的目的。VGT 可變截面渦輪增壓器只能通過改變排氣入口的橫切面積來改變渦輪的特性，但是渦輪的尺寸并不會(huì)發(fā)生變化。

2 VGT柴油機(jī)的熱力性能參數(shù)分析

2.1 匹配性能要求

（1）要使得在同一膨脹比變化率下，渦輪流量范圍更廣，則VGT 渦輪的流量特性曲線的工作段應(yīng)盡量平坦。

（2）在渦輪改變截面后，要想保持較高的渦輪效率，則VGT 渦輪的效率特性曲線的高效率區(qū)應(yīng)盡量平緩和范圍寬。

（3）要使得VGT 渦輪有足夠的流量范圍，也就是渦輪的最大流通特性比發(fā)動(dòng)機(jī)的最大耗氣特性大，渦輪的最小流通特性比在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的耗氣特性小，并盡量保持較高的效率，才能通過減小渦輪截面的方法來提高加速時(shí)的響應(yīng)。

2.2 VGT 葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的參數(shù)特性

（1）噴嘴環(huán)出口面積An：

其中：d 為噴嘴葉片間垂直距離；bn為葉片寬度；N 為噴嘴葉片數(shù)。

渦輪的相似流量計(jì)算公式為［2］：

上式中：A 為當(dāng)量面積；An、AT分別為噴嘴環(huán)出口和葉輪出口喉部面積；π=p＊／p2為級(jí)膨脹比，p2為葉輪出口處的壓力；μ 為流量系數(shù)；ρ為反動(dòng)度；ρ1、ρ2 分別為噴嘴環(huán)出口和葉輪出口的工質(zhì)密度HST；為渦輪級(jí)等熵焓降；ˉD2為渦輪葉輪出口直徑比；G2m、D2、D0分別為渦輪葉輪出口的平均直徑、外徑、輪轂直徑；其他速度參數(shù)的含義不再羅列。

壓氣機(jī)的絕熱壓縮功Hc：

式中：T1為壓氣機(jī)進(jìn)口工質(zhì)溫度；π 為增壓比。

壓氣機(jī)出口的工質(zhì)溫度：Tc

渦輪前的燃?xì)馄骄鶞箿囟龋篢＊

式中：qw為冷卻水帶走的熱量損失百分率；Hu為燃油低熱值；φac為總過量空氣系數(shù)；CPC為空氣的定壓比熱容；CPT分別為空氣和燃?xì)獾亩▔罕葻崛荨?/p>

壓氣機(jī)的耗功為：

渦輪膨脹產(chǎn)生的功率為：

注意：對(duì)于壓氣機(jī)與膨脹機(jī)工質(zhì)分別對(duì)應(yīng)空氣與燃?xì)猓云湮镄詤?shù)分別使用空氣與燃?xì)獾奈镄詤?shù)。

3 性能模擬與討論

在過量空氣系數(shù)一定（1.85）以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，圖2給出了葉片轉(zhuǎn)角隨油門位置變化的模擬情況。在轉(zhuǎn)速不變的情況下，葉片轉(zhuǎn)角隨負(fù)荷的增大而減小。在油門開度為50%以下時(shí)，若保持較小的過量空氣系數(shù)，則葉片轉(zhuǎn)角數(shù)值會(huì)較大，甚至有可能超出可調(diào)葉片所允許轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

過量空氣系數(shù)一定時(shí)，圖3給出了葉片轉(zhuǎn)角隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的模擬情況，圖4給出了增壓比隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的模擬情況。從圖中可以看出，當(dāng)過量空氣系數(shù)保持不變時(shí)，葉片轉(zhuǎn)角會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大增壓比也隨之增大；在過量空氣系數(shù)增大時(shí)，葉片轉(zhuǎn)角應(yīng)逐漸減小，過量空氣系數(shù)隨增壓比的增大而增加。

圖2 葉片轉(zhuǎn)角隨發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置開度變化的模擬情況

圖3 在過量空氣系數(shù)不同的情況下，葉片轉(zhuǎn)角隨轉(zhuǎn)速變化的模擬情況

圖4 不同過量空氣系數(shù)時(shí)增壓比隨轉(zhuǎn)速變化的模擬情況

4 結(jié) 語

VGT 是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的改變調(diào)整渦輪流通截面的增壓器，該技術(shù)是改善廢氣渦輪，增壓器與車用柴油機(jī)匹配性能較理想的方案，除了具備常規(guī)渦輪所具備有的流量特性和效率特性外，當(dāng)渦輪噴嘴環(huán)的角度發(fā)生變化時(shí)，渦輪的流通面積也隨之變化，進(jìn)而改變了渦輪流量特性和效率特性。

1 蔣得明 內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓機(jī)械［M］.工業(yè)出版社，1986

2 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992

3 馬朝臣.郭林福.徑流式有葉渦輪流量特性預(yù)測(cè)及試驗(yàn)研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（6）：24～29

4 宋雪樺等.基于分布式技術(shù)的VGT 和EGR 控制研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2011（6）：30～38

5 王滸等.基于VGT 的EGR 對(duì)電控柴油機(jī)影響的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009（2）：109～115

6 Steve A mold，Mark G roskreutz.Advanced Variable Geometry Turbocharger for Diesel Engine Applications［C］.SAE Paper 2002-01-161，2002.

7 Volker Mueller，Ralf Christmann，Stefan Muenz.System Structure and Controller Concept for an Advanced Turbocharger／EGR System for a Turbocharged Passenger Car Diesel Engine［C］.SAE Paper 2005-01-3888，2005.

8 呂偉.可調(diào)渦輪增壓器（VGT）控制技術(shù)的研究［D］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003

9 張哲，馬朝臣.VGT 的發(fā)展及可調(diào)結(jié)構(gòu)配合間隙優(yōu)化方法的研究［J］.北京：車輛與動(dòng)力技術(shù)，2005（2）