带不同类型调节阀的二级增压系统结构与性能对比_魏名山

1、第30卷第1期2009年2月文章编号:1000-0925(2009)01-051-04内燃机工程ChineseInternalCombustionEngineEngineeringVol.30No.1Feb.2009300012带不同类型调节阀的二级增压系统结构与性能对比魏名山1,张志1,何永玲1,马朝臣1,邢卫东2(1.北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081;2.柴油机高增压技术国家级重点实验室)ConfigurationandPerformanceComparisonsbetweenRegulatedTwo2StageTurbochargingSystemswithDiffere

2、ntValvesWEIMing2shan1,ZHANGZhi1,HEYong2ling1,MAChao2chen1,XING2dong2(1.SchoolofMechanicalandVehicleEngineering,BeijingInstituteTechnology,China;2.StateKeyLaboratoryofDiesel)Abstract:Configurationandperformancetheregulatedtwo2stageturbochargingsystemwithanandonewithaninsidewastegate.Thetwo2stageturbo

3、charginghtoccupiedlessspace,butthetwoturbinecasesshouldbetestthatthesystemwiththeoutsidebutterflyvalvehasregulationabilityformore,andmakethehighpressurestageturbinerunatidlespeed.Thesystemwiththeinsidewastegatecanbypassmorethan30%totalmassflow.摘要:对带外置式蝶阀的二级增压系统和带内置式旁通阀的二级增压系统进行了结构和性能比较。从结构上看,带内置式旁通阀

4、的二级增压系统结构更为紧凑,但2个涡轮箱都需要重新设计。由试验结果可知,带外置式蝶阀的二级增压系统具备更大的流量调节能力,可实现高压级增压器的短路,带内置式旁通阀的二级增压系统旁通废气量可达总流量的30%以上。关键词:内燃机;可调二级增压系统;结构;外置式蝶阀;内置式旁通阀;流量调节能力Keywords:ICengine;regulatedtwo2stageturbochargingsystem;configuration;outsidebutterflyvalve;insidewastegate;massflowregulation中图分类号:TK42118文献标识码:A0概述统3,4,并对

5、其结构和性能进行了比较。1带外置式蝶阀的二级增压系统原理与结构可调二级增压系统可提供较高的压缩比,大幅度提高发动机升功率,而且可以提供更为柔性的进气压力控制,可在发动机低速时提供较高的进气压力1,2。由于调节阀的存在,可调二级增压系统具有较强的涡轮流量调节能力,从而也可以对进气压比进行较大调节。不同的阀门会使二级增压系统结构产生很大的不同,使其体积和外形发生较大变化,同样也会使其性能大不相同。本文分别设计了带有外置式蝶阀和内置式旁通阀的2种可调二级增压系收稿日期:2008208208基金项目:柴油机高增压技术国家级重点实验室基金(9140C3307030603)带外置式蝶阀的二级增压系统三维模

6、型如图1所示。由图1可见,该二级增压系统的2个增压器轴向平行布置,高压级增压器尺寸较小,低压级增压器尺寸较大,在四通阀管的中部、调节阀阀杆的位置处安有阀片,发动机的排气从四通阀管的进口进入二级增压系统。如果发动机处在低速低负荷,则调节阀阀杆控制阀片关闭,排气先经过高压级涡轮膨胀,然后经弯管到达低压级涡轮入口,经低压级涡轮作者简介:魏名山(1975-),男,副教授,博士,主要研究方向为内燃机增压技术和柴油机排放控制技术,E2mail:mswei。52内燃机工程2009年第1期膨胀后排出。如果发动机处在高速高负荷,则调节阀阀杆控制阀片开启,部分排气直接进入低压级涡轮膨胀,部分排气先经过高压级涡轮膨

7、胀,再经过弯管,然后进入低压级涡轮膨胀。二级涡轮排气流量的分配,可由阀片无级调节。调节阀阀杆由发动机电控系统控制,可由电机驱动或者气动阀驱动。控制依据的参数应该至少包括:发动机转速、负荷、进气管压力等。涡轮箱进口进入二级增压系统,如果发动机处在低速低负荷,则排气先经过高压级涡轮膨胀,再从高压级涡轮箱出口进入低压级涡轮箱进口,在低压级涡轮中继续膨胀,然后排出;如果发动机处在高速高负荷,则阀片开启,部分排气直接进入低压级涡轮膨胀,部分排气先经过高压级涡轮膨胀,再进入低压级涡轮膨胀。排气的旁通量由执行器控制阀片的位置决定。带内置式旁通阀的二级增压系统模型带内置式旁通阀的二级增压系统从结构上看,图1带

8、外置式蝶阀的二级增压系统从结构上看,其优点在于,设计二级增压系统时,如果流通截面大小适当,则对二级增压器的涡轮箱基本不需要改动,阀片的控制也较易实现;其缺点在于,外形体积较大,且阀杆的密封较为困难。图2为外置式蝶阀的安装示意图。对于蝶阀的设计关键在于阀片和管壁之间的间隙要适当。这是因为如果没有间隙,则受热以后阀片容易转卡死;如果间隙过大,则相当于1个常开阀门,影响系统性能和调节效果。其优点在于,结构紧凑,外形体积较小,几乎没有气体密封的问题;其缺点是,由于接口的改变,2个涡轮箱都需要重新设计,根据要求的旁通量大小,一般也需要重新设计旁通阀孔、阀片和执行器。3外置式蝶阀的流量调节能力由于外置式蝶

9、阀的阀管流通面积较大,当阀门开启角度较大时,几乎可以实现流量100%的调节能力,即当外置式蝶阀开启角度较大时,由于蝶阀所在管道与高压级涡轮相比阻力较小,所以高压级涡轮将被短路,几乎所有排气直接经过调节阀到达低压级涡轮膨胀,而不经过高压级涡轮。带外置式蝶阀的二级增压系统试验台如图4所示。图2调节阀安装截面图2带内置式旁通阀的二级增压系统原理与结构图3为带内置式旁通阀的二级增压系统三维模型图。由图3可见,该二级增压系统的2个增压器轴向垂直布置,低压级增压器尺寸较大,高压级增压器尺寸较小。高压级增压器为双流道涡轮箱,低压级增压器为单流道涡轮箱。发动机的排气从高压级图4带外置式蝶阀的二级增压系统试验台

10、2009年第1期内燃机工程53由于二级增压系统结构较为紧凑,限于目前的流量测量技术,分别准确测量通过低压级涡轮和高压级涡轮流量的具体数值是比较困难的,但是可以根据压气机端的数据验证涡轮功的大小,从而间接证明蝶阀较强的调节能力。表1为阀门开度为70°时,二级增压系统在增压器试验台上冷吹测得的试验数据。由表1可见,当阀门开度处于70°时,高压级涡轮的涡轮功较小,涡轮增压器的转速很低,高压级压气机几乎没有起到压缩作用。导致高压级涡轮功较小的直接原因是高压级涡轮的膨胀比很低,通过的气体流量很小,使高压级涡轮增压器处于惰转状态。表1带外置式蝶阀的高压级涡轮惰转试验参数)调节阀开度/(

11、°处则存在1个低速区。从弯管速度矢量图中还可以看出,转弯处流体没有回流现象,也没有漩涡产生。4内置式旁通阀的流量调节能力内置式旁通阀的结构特点决定了阀孔的面积不可能很大,因为太大的阀孔面积将导致涡轮效率急剧降低,也会给结构设计带来困难,所以内置式旁通阀的流量调节能力比外置式蝶阀的低。因此,在任何情况下,都不会出现排气不经过高压级涡轮直接进入低压级涡轮的现象。为研究内置式旁通阀的流量调节能力,进行了带内(图6),分别,数值707476651961196.62631552.02231342.低压级增压器转速/rmin-1高压级增压器转速/rmin-1/高压涡轮进口压力/kPa高压涡轮进口

12、温度/高压涡轮出口压力/kPa高压涡轮出口温度/图6带内置式旁通阀的二级增压系统试验台由于同时实测2个涡轮流量非常困难,进行了阀门流量调节能力的计算模拟。通过计算模拟给出了阀门开度和流量分配的关系5。为了解气体在连接高压涡轮出口和阀管进口的弯管中的流动状态,对弯管的流动进行了数值模拟。图5为数值模拟得到的弯管速度矢量图。在进行流量特性试验时,相似转速是根据增压系统匹配发动机的模拟计算得出的增压器转速而确定的。试验结果如图7所示。由图7可见,涡轮流量特性曲线在阀门完全开启时相比阀门完全关闭时有较大变化。2条曲线的间距即为调节阀的流量,在同一膨胀比时,阀门开启后比关闭时涡轮流量大幅增加,说明调节阀

13、起到明显的放气调节作用。由图7可见,涡轮膨胀比为1.25和1.85时,调节阀放气量分别达34.8%和32.5%,在1.22.0的涡轮膨胀比变化范围内,调节阀放气量平均达30%以上。图5弯管速度矢量图由图5可见,管道从进口到出口流动比较均匀。这是因为从进口到出口管道的截面是逐渐变小的,所以速度沿着流线方向呈现整体增大趋势。转弯处速度变化较大,弯管内侧近壁面处存在1个高速区,外侧近壁面图7带内置式旁通阀的二级增压系统高压级涡轮流量特性54内燃机工程2009年第1期当高压级涡轮为双流道时,内置式旁通阀由于只能在一侧流道开口,所以会在一定程度上影响2个流道流量分配的均匀性,所以可能会使高压级涡轮效率受

14、到一定损失。为了解气流流经旁通阀时的流动损失情况,对排气流经旁通阀的过程进行了气动模拟计算。图8为速度矢量图。(2)带内置式旁通阀的二级增压系统外形结构紧凑,旁通流量可以达到总流量的30%以上。(3)选用何种阀门形式,需要根据发动机整机性能和结构的要求,考虑到整机压比和流量进行适当选择。对于总压比要求不高,但对于流量调节范围要求较大的应用对象,如高转速轻型轿车柴油机,可以考虑采用带外置式蝶阀的二级增压系统。外置式蝶阀可以对高压级涡轮短路的特点,使它实现一些更为复杂的控制逻辑,如用在高原型增压发动机上,在平原运行时可以关闭一级增压器。对于总压比要求较高,同时对于流量调节有一定要求的应用对象,如重

15、型卡车柴油机,。:two2stageturbochargingKKKsnewsystemforcommercialdieselenginesR.ThesixthInternationalConferenceonturbochargingandAirManage2mentSystems,1998:1272141.2ChiristmannR,SchmalzlHP.轿车与载货用发动机的两级可图8由图8,方向,气流越贴近阀片速度越小,越远离阀片速度越大,在腔体壁直角拐角处产生漩涡。阀片与腔体壁的间隙垂直向上的区域存在1个高速区。少部分气体流向开口较小的方向,在贴近腔体底面形成高速区,在其上方沿壁面向上速度逐渐增大,整个阀片后方形成较大低速区。5结论(1)带外置式蝶阀的二级增压系统外形体积较调增压系统J.国外内燃机,2006,38(1):12216.3张志.紧凑型二级增压系统结构设计与分析D.北京:北京理工大学,2008.4何永玲.二级增压系统结构设计与分析