柴油機兩級增壓等百分比流量調節旁通閥設計

冷 泠，程江華，王振彪，劉 勝，石 磊，鄧康耀

(1.上海交通大學 動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240；2.中國北方發動機研究所，天津300400)

0 概述

柴油機可調兩級增壓系統通過高壓級旁通閥實現高、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氣需求，是現代大功率柴油機增壓系統的研究熱點[2]。兩級渦輪增壓系統相關研究[3-4]表明渦輪旁通比是影響柴油機燃油經濟性、功率輸出性能的重要因素，廢氣旁通閥需要根據發動機運行工況在較寬的流量范圍內實現對旁通量的連續高精度調節[5]。廢氣旁通閥是可調兩級增壓系統的關鍵控制部件，其性能對系統控制具有顯著影響。文獻[6]中通過對渦輪增壓旁通閥進行改進，提升了增壓系統的可控性。

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]，當其應用于可調兩級增壓系統時可調節區域僅為5°，不利于寬流量范圍內調節。而現有研究[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小，在大開度下放大系數大，與增壓壓力和旁通流量的關系互補[9-10]，能夠改善對增壓壓力的調節特性。同時，具有等百分比流量特性的旁通閥有效開度區間大，在全開度范圍內增益變化率小，能夠滿足兩級可調增壓系統對旁通流量的大范圍高精度調節需求。

廢氣旁通閥閥瓣優化目標為使其流量特性具備等百分比特點[11]。本文中針對可調兩級增壓系統對旁通流量的大范圍高精度調節需求，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的可調兩級增壓系統新型旁通閥型線設計方法，開展旁通閥閥瓣的三維幾何優化研究，并進行不同閥瓣形式旁通閥的流通特性試驗和增壓壓力調節特性試驗，研究了不同廢氣旁通閥在大跨度流量調節下的控制精度，驗證了經優化設計的多截面混合閥不僅可以實現閥門關閉狀態的密封性，而且可以有效地提升可調兩級增壓大范圍旁通流量控制精度，進而實現柴油機全工況大跨度增壓壓力的精確調節。

1 研究對象

針對某6缸渦輪增壓中冷柴油機可調兩級增壓系統的廢氣旁通閥進行設計優化研究，以獲得滿足等百分比流量特性的旁通閥。柴油機主要性能參數如表1所示。

表1 發動機結構參數

2 廢氣旁通閥流量特性分析

目前，最常用的兩種可調兩級渦輪增壓系統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°開度區間內接近等百分比流量特性，其開度在20°～50°范圍內與等百分比流量特性符合度最高。在小開度時流量系數較小，隨著閥門開度變大，流量系數增大且增加幅度變大，適合用于可調兩級增壓系統；但為防止蝶閥閥板因受熱膨脹而發生卡死現象，在全關狀態下，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動機性能。

圖1 1 500 r/min、50%負荷下蝶閥流量和流量系數

平面型閥瓣廢氣旁通閥結構簡單，能夠克服蝶閥泄漏的缺點，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律與流量變化規律相似，具備快開型流量特性的特點，在較小開度即達到較大的流通能力。這一特性與增壓系統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現平穩的增壓壓力控制，不適合作為可調兩級增壓系統廢氣旁通閥。

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

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，二者都難以實現寬流量范圍的高精度調節。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，能夠實現對增壓壓力的大范圍高精度調節，最適合作為可調兩級增壓系統的廢氣旁通閥。

3 兩級增壓偏置異型閥瓣型線設計

本文中基于調節特性開展了兩級增壓旁通異型閥瓣優化設計研究，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的開度調節范圍大，有利于提高控制精度；大流量下單位流量對應的開度調節范圍小，流量敏感性高，響應性高。

用于柴油機可調兩級增壓系統的偏置異型閥結構如圖3所示。本文中設計了如圖4所示的平面閥瓣、半球閥瓣、直旋轉體閥瓣、多截面混合閥瓣等4種旁通異型閥瓣，并展開優化設計研究。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體閥與多截面混合閥設計開展研究。

圖3 偏置異型閥結構圖

圖4 4種偏置異型閥瓣模型

3.1 設計思路

目前，旁通閥閥瓣型線設計主要是在流量試驗基礎上結合圖解法進行[13-14]。考慮旁通閥流量系數在給定的閥體結構中基本固定，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計主要依據計算流量與流通面積關系，并以目標流通面積為目標設計閥瓣型線。

3.2 等百分比流量直旋轉體閥瓣型線設計

以閥座離旋轉軸最遠點到旋轉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形成最大閥瓣，此最大直旋轉體閥瓣滿足運行過程中不發生干涉。圖5為直旋轉體式最大閥瓣，圖中標出了5種開度下閥座所在位置。

圖5 直旋轉體式最大閥瓣及各開度閥座所在平面

根據最大閥瓣流量與不同可調比R下理想等百分比流量的比較，選取直旋轉體閥瓣的可調比為10。最大閥瓣基于等百分比流量優化，優化目標為使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°開度左端點水平面以下部分，改進后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。經兩次改進后直旋轉體閥瓣模型如圖6所示。

圖6 改進后直旋轉體閥瓣模型

3.3 等百分比流量多截面混合閥瓣型線設計與優化

多截面混合閥瓣的最大外輪廓為一個旋轉體被一個直圓柱截去后的復雜幾何結構。為了實現閥瓣幾何的參數化，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系，可以計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。基于此目標流通面積對閥瓣型線進行設計。將各閥座圓弧各點到閥瓣曲面的垂線連接在一起構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到目標流通面積。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構。最后獲得的流通面積隨開度的變化規律如圖10所示。

表2 等百分比流量流通面積目標

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 改進后多截面混合閥閥瓣幾何結構

圖10 等百分比流量流通面積目標與設計結果對比

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計，使閥門流量特性盡量靠近等百分比流量特性?；谠O計結果加工了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行試驗研究，試驗條件為進口壓力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，本文所設計的多截面混合閥的流量特性與等百分比流量目標特性最接近。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節特性更優。

圖13 不同閥門流量變化率隨開度的變化

閥門的流量特性、調節特性是由其在特定條件、不同開度下內部流場的狀況決定的。利用ANSYS三維仿真計算軟件對多截面混合閥在不同開度的流場特性進行了研究，計算得到基于多截面混合閥流場特性如圖14所示，從左側流出閥座的流體從閥板上方繞過閥板在右側與另一側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生了渦流現象。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際流通面積的影響，驗證了經過設計的多截面混合閥的優化性能。

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節特性比較

基于有效開度和增益變化率兩個調節特性評價指標，在可調兩級增壓系統廢氣旁通閥應用場景下，比較不同閥門調節特性的優劣。有效開度的定義為當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，這一參數表征了旁通閥對增壓壓力調節的平順程度，增益變化率越小，旁通閥對增壓壓力的調節在各開度下越均衡。

圖15為增壓壓力相對調節量隨閥門相對開度(閥門開度轉角除以閥門全開時的轉角)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，未經改進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節特性對比

圖16為不同閥門增益變化率對比。由圖16可見：未經優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，經過優化設計的多截面混合閥的流量特性接近等百分比流量特性，調節特性略優于蝶閥。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%，對增壓壓力調節特性的優化效果明顯。

6 結論

(1)針對船用柴油機兩級增壓系統調節需求，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節范圍和調節精度，表明蝶閥和平面閥的調節特性難以滿足寬流量高精度需求。

(2)通過對可調兩級增壓系統典型偏置異型閥的閥瓣型線設計優化，改進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，驗證了經設計的廢氣旁通閥的優化性能。

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