柴油机可变截面涡轮增压器控制及匹配

林在犁

（重庆科技学院，重庆401331） ＊

柴油机可变截面涡轮增压器控制及匹配

林在犁

（重庆科技学院，重庆401331）＊

以某型可变截面涡轮增压器为例，在分析其工作原理与基本特点的基础上，通过研究增压器结构动力学特性，进行了压气机特性参数计算和涡轮特性参数计算，以实现涡轮增压器与发动机的良好匹配。可对柴油机的涡轮增压器选型匹配提供指导。

柴油机；涡轮增压；选型匹配

柴油机广泛用作钻机设备动力，驱动绞车、钻井泵和转盘等工作机组。从发展趋势来看，提高增压度、改善变工况性能、降低燃油消耗率、控制排放仍为当前柴油机的研发重点［1－2］。涡轮增压技术由于可以大幅提高发动机的动力性能，并可以提高发动机的燃油经济性以及排放性能，目前已经广泛应用于车用柴油机上。如何实现涡轮增压器与发动机的良好匹配在涡轮增压技术的应用中一直是一个很重要的问题。

1 工作原理和特点

增压柴油机的转矩特性不仅受喷油特性的制约，而且还受涡轮增压器压气机供气量的限制。从喷油系统考虑，为获得合理的转矩特性，高速时采用正校正措施，低速时采用冒烟限制器，即负校正措施。

从压气机供气特性考虑，增压压力随柴油机转速升高而增加。如果满足低速时的供气量，则高速时就可能增压过度；如果高速时增压适量，则低速时可能供气不足。

由内燃机原理可知，驱动压气机的涡轮功率为

式中，PT为涡轮功率，kW；GT为流经涡轮的气体流量，kg／s；TT为涡轮进口温度，K；πT为涡轮膨胀比；ηT为涡轮效率；R、KT分别为排气常数和定嫡指数。

由式（1）可以看出：采用增压补燃措施提高涡轮进口温度TT可提高祸轮功率，从而可解决柴油机低速时供气不足的问题；采用放气法放掉柴油机高速时的部分排气，即减少流量GT可以降低高速时涡轮的功率，从而可降低增压器转速，减小增压压力，解决增压过量的问题。

可变截面涡轮增压器是解决柴油机低速供气不足、离速增压过量的最佳措施。涡轮喷嘴环出口面积为

式中，Sc为喷嘴环出口面积；Rc为喷嘴环截面形心半径；bc为喷嘴环出口处高度；α1为喷嘴环气流出口角。

可变截面涡轮流量特性如图1所示，可以看出：当涡轮的通流截面积不变时，随着相对质量流量的减少（也即相对于柴油机转速下降），膨胀比是逐渐下降的，如果随着相对质量流量减小而不断减小涡轮通流截面（从A3到A1，涡轮通流截面积A1＜A2＜A3），就可以使涡轮膨胀比保持不变。

图1 可变截面涡轮流量特性

2 与柴油机的匹配分析［3－4］

2.1 柴油机通流特性

对于增压四行程柴油机，流经柴油机的空气流量Ge可分为2部分：①在排气门关闭、进气门打开期间进入气缸的空气流量Ga，称为新鲜空气流量；②进、排气门叠开期间从进气门流入又从排气门流出的空气流量Gs，称为扫气空气流量。因此，Ge＝Ga＋Gs。

四行程柴油机吸入气缸的新鲜空气流量近似为

式中，n为柴油机转速，r／s；ρs为新鲜空气的密度，kg／m3；Ts为新鲜空气的温度，K；TK为进气行程下止点时的空气温度，K；Vh为柴油机排量，m3。

进气管内的增压压力为

式中，R为新鲜空气的气体常数，R＝287.06 J／（kg·K）。

将式（4）代人式（3），即得

应用式（5）计算时，进气行程下止点时的空气温度TK采用进气管内的进气温度Ts值。在进、排气门同时开启阶段，即气门重叠期间气缸才能进行扫气。为简化起见，用一个等效通流面积Seq来描述进气门通流面积Sa和排气门通流面积Se的综合通流效应，如图2所示。

图2 进、排气门等效通流面积

假设流体是不可压缩的，流体进人排气门通流面积的初速度等于0，各通流面积的流量系数相同，进气压力等于增压压力。为此得到扫气空气流量的计算公式为

式中，μ为等效流量系数；Seq为平均等效通流面积，m2；pi为进气管内增压压力，Pa；pe为涡轮进口前压力，Pa；k为绝热指数，k＝1.397。

将实际流量和理论流量的差异归结为流量系数μ，则μ值主要取决于气门升程，可将流量系数μ表达为气门升程的函数，即

利用柴油机的结构参数，在气门叠开阶段，用Matlab函数计算出的流量系数变化如图3所示。

进、排气门流量系数对曲轴转角积分后，依角度求平均即可得到平均流量系数，取其小者为计算值求得所需的流量系数为

瞬时等效通流面积为

气门瞬时几何通流面积S为

式中，Z为每缸的进气门（或排气门）数；β为气门座锥角（°）；hv为进、排气门的瞬时升程，按配气凸轮升程曲线计算，计算时用Matlab样条插值函数插值；dv为气门座喉口直径。

图3 气门叠开阶段进、排气门的流量系数变化

根据在气门叠开阶段Sa和Se随时间变化而变化的关系得到Seq的瞬时值（如图4）。将Seq对曲轴转角进行积分，得出等效通流面积对角度的积分，将其对曲轴转角进行平均得出此期间的平均等效通流面积Seq，即

式中，Δφ为进、排气门的重叠角，（°）。

图4 进、排气门的通流面积变化

进气管内增压压力和排气管内压力由试验测得。从以上计算过程可得到在柴油机工作范围内不同工况点的进气流量和增压压力比，从而得到柴油机的通流特性。

2.2 压气机特性曲线

压气机的工作状况可由空气流量、转速、进口压力及温度等参数确定。压气机特性曲线由涡轮增压器气动试验台测得，测试系统能够实时测量增压器转速以及压气机进口气体的温度、压力和流量等参数。试验时，在涡轮喷嘴叶片的整个动作范围内改变喷嘴叶片角度，分别得到对应于各个角度的压气机和涡轮特性参数，计算后得到修正的压气机和涡轮的通流特性曲线。

压气机修正流量为

式中，mC为实测压气机进气空气的流量，kg／s；pat为标准状态下大气压力，Pa；Tst为标准状态下温度，K为试验环境下大气压力，Pa；为试验环境下温度，K。

压气机修正转速为

式中，n为压气机实测转速，r／min。

2.3 可变截面涡轮的机构与特性

2.3.1 有叶喷嘴变截面涡轮增压器特性

喷嘴叶片在不同位置时变截面涡轮特性曲线如图5所示。由图5可知，在相同的膨胀比之下，改变喷嘴角度就可改变流量。可变截面增压器与柴油机匹配的增压压力和转矩特性如图6所示。由图6可知：随着喷嘴截面积逐步减小（截面④＜截面③＜截面②＜截面① ），增压压力相应升高，低速转矩增大。每调节1次截面积，增压压力发生1次突变，将每次调节时截面积变化量减小，而调节的次数增加，就可使增压压力变化曲线接近于连续变化。当然，结构和控制的复杂性也随之增加。

图5 变截面涡轮特性曲线

图6 可变截面增压器与柴油机匹配的增压压力和转矩特性

2.3.2 无叶涡壳变截面增压器

柴油机工况变化频繁，如果与之相匹配的增压器采用无叶涡壳变截面增压器，则可以在较宽的流量变化范围内获得较高的涡轮效率。为调节喷嘴出口气流速度的大小和方向，需在结构复杂性方面作出让步，而在涡壳内添加一些调节零件。工作可靠和结构简单是无叶涡壳变截面技术能否得以推广应用的关键，无叶涡壳变截面增压技术的变截面方案有2种。

1） 轴向变截面增压器。

在这种方案中，涡壳通道宽度B由轴向平行移动板控制，如图7所示。其通流特性与功率特性如图8～9所示。

图7 轴向变截面增压器结构

图8 轴向变截面涡轮流通特性

图9 轴向变截面涡轮功率特性

因活动板受热会膨胀，要使其轴向尺寸能调节，活动板与涡壳的间隙必须选择得当，太大会增加漏泄，影响效果，太小挡板又会卡住。另外，轴向位移必须全周同步。

2） 冀形变截面增压器。

受有叶喷嘴的启发，在无叶涡壳内设置1圈可调叶片，就形成由固定与可调翼形导向叶片组成的变截面增压器，其结构如图10所示。在该方案中：4片固定叶片与对应的可动叶片在全关闭状态时可使涡壳呈自由涡流状，改善了通流面积小时的涡轮效率；固定叶片处于可动叶片上游位置时，气流冲角并不改变，减少了因叶片转动而产生的撞击损失；固定叶片的支撑，使可动叶片侧隙泄漏降低到最低限度。配机试验结果表明，该增压器在很宽的转速范围内均具有较高的增压压力，因而柴油机转矩和功率比配用常规增压器有明显的改善。

图10 翼形变截面增压器结构

3 结语

可变截面涡轮增压柴油机可依据外部载荷的变化来改变喷嘴环叶片的角度、调节进入涡轮的气流参数、改变涡轮焓降和涡轮功率，使压气机出口的压力发生变化，从而使涡轮增压器与柴油机在各工况下均能良好匹配。在整个工作范围内可调整涡轮通流截面积的大小，使增压器工作在高效率区城，从而提高柴油机的燃油经济性。

［1］ 李克宁.新型钻井柴油机供油装置设计与应用［J］.石油矿场机械，2010，39（2）：90－92.

［2］ 髙志和，白承斌，张 燕，等.12V190型柴油机节油装置应用研究［J］.石油矿场机械，2011，40（6）：77－79.

［3］ 曲永哲，史永庆，齐 洁，等.XJ9029型修井机动力匹配方案设计计算［J］.石油矿场机械，2010，39（10）：37－40.

［4］ 张宗杰.动力机械及其系统电子控制［M］.武汉：华中科技大学出版社，2009.

Variable Control and Matching of Variable Geometry Turbo Charger of Diesel Engine

LIN Zai－li
（Chongqing University of Science ＆Technology，Chongqing401331，China）

Aiming at one variable geometry turbo supercharger，based on the analysis of its working principle and basis feature and the structure dynamic character，the character parameter and turbo character calculations of were made to achieve better matching for turbo supercharger with diesel engine.This study will be the working direction for the model selection of turbo supercharger.

diesel engine；turbo charger；model selection

1001－3482（2012）07－0026－04

TE924

A

2012－01－15

林在犁（1959－），男，四川邛崃人，副教授，主要从事内燃机等动力设备的教学与研究工作，E－mail：lin61220＠126.com。