柴油机两级增压等百分比流量调节旁通阀设计

冷 泠，程江华，王振彪，刘 胜，石 磊，邓康耀

(1.上海交通大学 动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240；2.中国北方发动机研究所，天津300400)

0 概述

柴油机可调两级增压系统通过高压级旁通阀实现高、低压级涡轮的流量分配和压比分配[1]，以满足全工况范围的进气需求，是现代大功率柴油机增压系统的研究热点[2]。两级涡轮增压系统相关研究[3-4]表明涡轮旁通比是影响柴油机燃油经济性、功率输出性能的重要因素，废气旁通阀需要根据发动机运行工况在较宽的流量范围内实现对旁通量的连续高精度调节[5]。废气旁通阀是可调两级增压系统的关键控制部件，其性能对系统控制具有显著影响。文献[6]中通过对涡轮增压旁通阀进行改进，提升了增压系统的可控性。

目前通用废气旁通阀为平面型阀瓣废气放气阀，其流量特性近似为快开型[7]，当其应用于可调两级增压系统时可调节区域仅为5°，不利于宽流量范围内调节。而现有研究[8]表明，等百分比流量特性在任意开度下流量的相对变化值恒定，在小开度下放大系数小，在大开度下放大系数大，与增压压力和旁通流量的关系互补[9-10]，能够改善对增压压力的调节特性。同时，具有等百分比流量特性的旁通阀有效开度区间大，在全开度范围内增益变化率小，能够满足两级可调增压系统对旁通流量的大范围高精度调节需求。

废气旁通阀阀瓣优化目标为使其流量特性具备等百分比特点[11]。本文中针对可调两级增压系统对旁通流量的大范围高精度调节需求，分析了不同废气旁通阀流量特性，提出了以等百分比流量特性为目标的可调两级增压系统新型旁通阀型线设计方法，开展旁通阀阀瓣的三维几何优化研究，并进行不同阀瓣形式旁通阀的流通特性试验和增压压力调节特性试验，研究了不同废气旁通阀在大跨度流量调节下的控制精度，验证了经优化设计的多截面混合阀不仅可以实现阀门关闭状态的密封性，而且可以有效地提升可调两级增压大范围旁通流量控制精度，进而实现柴油机全工况大跨度增压压力的精确调节。

1 研究对象

针对某6缸涡轮增压中冷柴油机可调两级增压系统的废气旁通阀进行设计优化研究，以获得满足等百分比流量特性的旁通阀。柴油机主要性能参数如表1所示。

表1 发动机结构参数

2 废气旁通阀流量特性分析

目前，最常用的两种可调两级涡轮增压系统废气旁通阀是蝶阀和平面型阀瓣废气旁通阀。蝶阀的流量特性如图1所示，可在0°～20°开度区间内接近等百分比流量特性，其开度在20°～50°范围内与等百分比流量特性符合度最高。在小开度时流量系数较小，随着阀门开度变大，流量系数增大且增加幅度变大，适合用于可调两级增压系统；但为防止蝶阀阀板因受热膨胀而发生卡死现象，在全关状态下，蝶阀阀板与管壁之间需留有一定的空隙[12]，高压气体会由此处泄漏，在外特性工况下会影响发动机性能。

图1 1 500 r/min、50%负荷下蝶阀流量和流量系数

平面型阀瓣废气旁通阀结构简单，能够克服蝶阀泄漏的缺点，其流量特性如图2所示。由图2可见，随着阀门开度的增大，平面阀流量增加速率随阀门开度增大而减小，流量特性曲线的变化规律与流量变化规律相似，具备快开型流量特性的特点，在较小开度即达到较大的流通能力。这一特性与增压系统耦合会造成旁通阀的有效开度范围很小，对增压压力的增益在小开度非常大而在大开度下很小，因此平面型阀瓣废气旁通阀不易实现平稳的增压压力控制，不适合作为可调两级增压系统废气旁通阀。

图2 1 500 r/min、50%负荷下平面型阀瓣废气旁通阀流量和流量系数

通过蝶阀和平面型阀瓣废气旁通阀流量特性的对比可以看出，二者都难以实现宽流量范围的高精度调节。在旁通阀固有流量特性中，等百分比流量特性流量旁通比在小开度时变化速度较慢，在大开度下变化速度较快，具有等百分比流量特性的阀门有效开度范围大，同时在全开度下增益的变化不是很大，能够实现对增压压力的大范围高精度调节，最适合作为可调两级增压系统的废气旁通阀。

3 两级增压偏置异型阀瓣型线设计

本文中基于调节特性开展了两级增压旁通异型阀瓣优化设计研究，以满足各开度下等百分比流量特性要求：小流量下单位流量对应的开度调节范围大，有利于提高控制精度；大流量下单位流量对应的开度调节范围小，流量敏感性高，响应性高。

用于柴油机可调两级增压系统的偏置异型阀结构如图3所示。本文中设计了如图4所示的平面阀瓣、半球阀瓣、直旋转体阀瓣、多截面混合阀瓣等4种旁通异型阀瓣，并展开优化设计研究。平面阀与半球阀给定阀门直径和球形半径可以获得阀门形状，本文主要针对直旋转体阀与多截面混合阀设计开展研究。

图3 偏置异型阀结构图

图4 4种偏置异型阀瓣模型

3.1 设计思路

目前，旁通阀阀瓣型线设计主要是在流量试验基础上结合图解法进行[13-14]。考虑旁通阀流量系数在给定的阀体结构中基本固定，其流量特性主要决定于阀瓣和阀座间的流通截面积[15]，所以本文阀瓣型线设计主要依据计算流量与流通面积关系，并以目标流通面积为目标设计阀瓣型线。

3.2 等百分比流量直旋转体阀瓣型线设计

以阀座离旋转轴最远点到旋转轴的距离为半径作圆弧,取这个圆弧在阀座平面与阀座轴心之间的部分，并围绕阀座轴心旋转形成最大阀瓣，此最大直旋转体阀瓣满足运行过程中不发生干涉。图5为直旋转体式最大阀瓣，图中标出了5种开度下阀座所在位置。

图5 直旋转体式最大阀瓣及各开度阀座所在平面

根据最大阀瓣流量与不同可调比R下理想等百分比流量的比较，选取直旋转体阀瓣的可调比为10。最大阀瓣基于等百分比流量优化，优化目标为使20°、25°开度下的流量增大，尽量接近理想等百分比流量。首先切掉阀瓣15°开度左端点水平面以下部分，改进后20°开度的流量与等百分比流量非常接近；然后找出20°开度下阀瓣与阀座最近距离的点组成的曲线，并截取曲线所在面以下部分材料，以获得25°开度下的最大流量。经两次改进后直旋转体阀瓣模型如图6所示。

图6 改进后直旋转体阀瓣模型

3.3 等百分比流量多截面混合阀瓣型线设计与优化

多截面混合阀瓣的最大外轮廓为一个旋转体被一个直圆柱截去后的复杂几何结构。为了实现阀瓣几何的参数化，将其简化为若干圆边界混合形成的几何体。这些圆命名为控制圆，控制圆位于不同开度下阀座所在平面，如图7所示。

图7 多截面混合阀各开度下阀瓣控制圆位置

由等百分比流量特性流通面积与流量的关系，可以计算得到不同开度下等百分比流量特性所需的流通面积，如表2所示。基于此目标流通面积对阀瓣型线进行设计。将各阀座圆弧各点到阀瓣曲面的垂线连接在一起构成了阀瓣与阀座的最小流通截面，为一个空间曲面，其面积即阀瓣的流通面积。流通面积所在曲面如图8所示。通过改变控制圆的直径，使各开度下阀门流通面积达到目标流通面积。为使多截面混合阀流量特性满足等百分比流量特性，截去在阀门开度20°时近似最小流通截面所在位置以下部分，得到如图9所示的多截面混合阀阀瓣几何结构。最后获得的流通面积随开度的变化规律如图10所示。

表2 等百分比流量流通面积目标

图8 多截面混合阀各开度下流通面积所在曲面示意图

图9 改进后多截面混合阀阀瓣几何结构

图10 等百分比流量流通面积目标与设计结果对比

4 偏置异型旁通阀流量特性研究

通过对以上几种典型偏置异型旁通阀瓣型线的设计，使阀门流量特性尽量靠近等百分比流量特性。基于设计结果加工了4种偏置异型旁通阀，示于图11。

图11 加工的4种偏置异型旁通阀照片

对4种不同偏置异型旁通阀流量特性进行试验研究，试验条件为进口压力150 kPa，出口压力50 kPa。流量特性曲线如图12所示。从图12中可以看出，相同开度下，流量由大到小的阀门依次为平面阀、半球阀、直旋转体阀、多截面混合阀。主要原因是相同压差条件下，流量主要受实际流通面积的影响，平面阀具有最大流通面积，而多截面混合阀的流通面积最小。

图12 不同阀门流量特性比较

从图12中还可以看出，本文所设计的多截面混合阀的流量特性与等百分比流量目标特性最接近。不同阀门流量变化率随开度的变化见图13。由图13可知，平面阀在小开度时的流量变化率显著大于大开度时；多截面混合阀流量变化率随开度的增加而增大，接近最大开度时有所减小，在不同开度下相比平面阀对增压压力的调节特性更优。

图13 不同阀门流量变化率随开度的变化

阀门的流量特性、调节特性是由其在特定条件、不同开度下内部流场的状况决定的。利用ANSYS三维仿真计算软件对多截面混合阀在不同开度的流场特性进行了研究，计算得到基于多截面混合阀流场特性如图14所示，从左侧流出阀座的流体从阀板上方绕过阀板在右侧与另一侧流出的流体汇合流向出口处。在阀体角落处和流体汇合处均产生了涡流现象。随着阀门开度的增加，多截面混合阀流速缓慢增加，这主要受到阀门型线与阀门实际流通面积的影响，验证了经过设计的多截面混合阀的优化性能。

图14 多截面混合阀不同开度的流场特性

5 两级增压偏置异型阀调节特性比较

基于有效开度和增益变化率两个调节特性评价指标，在可调两级增压系统废气旁通阀应用场景下，比较不同阀门调节特性的优劣。有效开度的定义为当旁通阀逐渐开启至增压压力变化到最大变化范围的90%时旁通阀对应的开度范围。增益变化率定义为在阀门全开度下，阀门开度引起增压压力变化率的最大值与最小值之比，这一参数表征了旁通阀对增压压力调节的平顺程度，增益变化率越小，旁通阀对增压压力的调节在各开度下越均衡。

图15为增压压力相对调节量随阀门相对开度(阀门开度转角除以阀门全开时的转角)变化曲线。多截面混合阀最大有效相对开度最大，为0.73，蝶阀的最大有效相对开度为 0.47，未经改进的平面阀有效相对开度最小，为 0.28。

图15 旁通阀对增压压力调节特性对比

图16为不同阀门增益变化率对比。由图16可见：未经优化的平面阀的增益变化率很大，为162.3，是另两种阀门的十余倍；多截面混合阀增益变化率最小，达到最好的增益平衡性;蝶阀的增益变化率与多截面混合阀接近。

图16 不同阀门的增益变化率

综上，经过优化设计的多截面混合阀的流量特性接近等百分比流量特性，调节特性略优于蝶阀。最大有效相对开度为0.73，为平面阀的2.6倍；增益变化率为11.2，为平面阀的6.9%，对增压压力调节特性的优化效果明显。

6 结论

(1)针对船用柴油机两级增压系统调节需求，开展了典型蝶阀和平面型阀瓣旁通阀流量特性的对比分析，研究了不同阀门的调节范围和调节精度，表明蝶阀和平面阀的调节特性难以满足宽流量高精度需求。

(2)通过对可调两级增压系统典型偏置异型阀的阀瓣型线设计优化，改进了废气旁通阀的流量特性，使其符合等百分比流量特性。通过试验研究获得了4种偏置异型阀流量特性曲线，在4种阀瓣中多截面混合阀瓣流量特性最接近等百分比流量特性。通过对多截面混合阀流场特性的分析，验证了经设计的废气旁通阀的优化性能。

(3)多截面混合阀有效开度范围达到了0.73，为平面阀的2.6倍，增益变化率降低至平面阀的6.9%，对增压压力的调节特性优化效果明显，可以对增压压力起到有效、平稳的控制作用。