可变喷嘴涡轮增压器课件

可变喷嘴涡轮增压器19八月2023李江动力工程2013222007可变喷嘴涡轮增压器05八月2023李江动力工程2第1节涡轮增压器组成结构第2节可变喷嘴涡轮增压器(VNT)目录19八月2023李江动力工程2013222007第1节涡轮增压器组成结构目录05八月2023李江涡轮增压器组成结构废气涡轮增压器主要是利用发动机排出的废气驱动涡轮，同时带动同轴的压气机高速旋转，压缩空气并将其送入进气歧管，从而增大进气密度。近年来，涡轮增压器在车用柴油机上应用已越来越普遍，其最大的特点是可大大改善发动机的燃油经济性，提高动力性，在一定程度上改善排放性。19八月2023李江动力工程2013222007涡轮增压器组成结构废气涡轮增压器主要是利用发动机排出的废气驱19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构图1-1径流式涡轮增压器结构及工作原理05八月2023李江动力工程2013222007涡轮增压器主要由压气机和涡轮两大部分组成压气机主要由压气机工作轮（叶轮）、扩压器、压气机蜗壳组成。涡轮主要由进排气壳、喷嘴环、工作轮组成。此外还有转轴、轴承、密封与隔热装置等1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007涡轮增压器主要由压气机和涡轮两大部分组成1.涡轮增压器19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构05八月2023李江动力工程201322200719八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构05八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007全浮动轴承截面示意图1.涡轮增压器组成结构05八月2023李江动力工19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构图1-2离心式压气机结构示意图1—进气道2—压气机叶轮

3—压气机蜗壳4—扩压器图1-3变截面蜗壳05八月2023李江动力工程201322200719八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构压气机蜗壳按流道沿圆周变化与否，可分为变截面蜗壳和等截面蜗壳。变截面蜗壳的截面面积沿圆周方向逐渐变大，符合越接近出口收集的空气越多这一规律。因此，流动损失小，效率高。其最大的特点是外形尺寸小，对缩小涡轮增压器的尺寸有利，其结构形式如图1-3所示。等截面蜗壳的流道截面是不变化的，其流动损失大，效率低，目前已很少使用。05八月2023李江动力工程201322200719八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构图1-4压气机叶轮的结构形式a)开式b)半开式c）闭式d)星形05八月2023李江动力工程2013222007压气机叶轮是压气机中唯一对空气做功的部件，它将在同一转轴上涡轮提供的机械能转变为空气的压力能和动能，压气机叶轮分为导风轮和工作叶轮两部分。中小型涡轮增压器将两者铸造成一体，大型涡轮增压器则是将两者装配在一起。导风轮是叶轮入口的轴向部分，叶片入口向旋转方向前倾，直径越大处前倾越多，其作用是使气流以尽量小的撞击进入叶轮。根据叶轮轮盘的结构形式不同，压气机叶轮可分为开式、半开式、闭式、星形等形式。开式叶轮没有轮盘，流动损失大，叶轮效率低，且叶片刚性差，易振动。闭式叶轮既有轮盘又有轮盖，流道封闭，流动损失小，叶轮效率高，但结构复杂，制造困难。19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构压气机叶轮是压气机中唯一对空气做功的部件，它将在同一转轴上涡1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007半开式叶轮只有轮盘，没有轮盖，其性能介于开式和闭式之间。但其结构较简单，制造方便，且强度和刚度都较高，在涡轮增压器中应用广泛。星形叶轮是在半开式叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块，减轻了叶轮质量，从而减小了叶轮应力，并保持一定的刚度，因此能承受很高的转速，多在小型涡轮增压器中应用。按叶片的长短，压气机叶轮还可分为全长叶片叶轮和长短叶片叶轮。全长叶片叶轮进口流动损失小，效率高，但对于小直径叶轮，进口处气流阻塞较为严重。因此，小型涡轮增压器中多采用长短叶片叶轮，图1-4是几种典型的压气机结构。1.涡轮增压器组成结构05八月2023李江动力工根据叶片沿径网的弯曲形式，压气机叶轮又可分为前弯叶片叶轮、后弯叶片叶轮和径向叶片叶轮等。前弯叶片叶轮的叶片沿径向向旋转方向弯曲，这种叶轮对空气的做功能力最大，但其做功主要是增加了空气的动能，对压力能却提高较少，这就要求空气的动能更多地要在扩压器和蜗壳中转化为压力能。因为扩压器和蜗壳的效率比叶轮低，因此导致压气机整体效率降低，故涡轮增压器中不采用这种叶轮。径向叶片叶轮的叶片径向分布，不弯曲。19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构根据叶片沿径网的弯曲形式，压气机叶轮又可分为前弯叶片叶轮、后径向叶片叶轮的叶片径向分布，不弯曲。这种叶轮的压气机效率比前弯叶片高，比后弯叶片的低，由于其强度和刚度最好，能承受较高的圆周速度，从而在增压比较低的涡轮增压器中得到较多应用。后弯叶片叶轮的叶片沿逆旋转方向弯曲，虽然它的作功能力小，但空气压力的提高大部分是在叶轮内完成的。这种叶轮由于压气效率高，应用也较多。前倾后弯式叶轮(也称后掠式叶轮)，如下图所示，其叶片沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾，这种叶轮不仅压气机效率高，而且高效率范围宽广，近年来在车用柴油机涡轮增压器上受到了重视和应用。19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构径向叶片叶轮的叶片径向分布，不弯曲。这种叶轮的压气机效率比前19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构前倾后弯式叶轮05八月2023李江动力工程2013222007扩压器的作用是将从压气机叶轮出口流出的高速空气进一步减速增压，以实现动能向压力能的转变。扩压器的效率是动能实际转化为压力能的转化量和没有任何流动损失的定墒过程动能转化为压力能的转化量之比。扩压器效率的高低对压气机的整体效率有重要的影响，按结构形式的不同，可将扩压器分为无叶扩压器和叶片扩压器两种。19八月2023李江动力工程20132220072涡轮增压器组成结构扩压器的作用是将从压气机叶轮出口流出的高速空气进一步减速增压

无叶扩压器实际上是一个环形通道。气流在扩压器中的轨迹近似是一对数螺旋线。即气流流动的痕迹在任意直径处与切线的夹角基本不变。正因为如此，空气的流动路线长，从而损耗大，效率低，扩压器出口容量小，在出口具有相同容量的条件下，效率要比叶片扩压器低。但无叶扩压器的流量范围宽，结构简单，易于制造，在经常变工况运行的小型涡轮增压器上使用广泛1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007无叶扩压器实际上是一个环形通道。气流在扩压器中的轨叶片扩压器是在环形通道上加上若干导向叶片，使气流沿叶片通道流动。叶片扩压器根据叶片形状不同又可分为平板形叶片扩压器和机翼形叶片扩压器。由于气流的流动路线短，流动损失小，故效率高。由于叶片构造角沿径向增大，使气流的流通面积迅速增大，因此扩压能力大。但当流量偏离设计工况，叶片入口气流角不等于叶片构造角时，将产生撞击损失，使效率急剧下降。在工况范围变化不大的大中型涡轮增压器上，常采用无叶扩压器和叶片扩压器的组合形式。气流先经过无叶扩压器，再进入叶片扩压器，气流的动能主要在叶片扩压器中转变为压力能1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007叶片扩压器是在环形通道上加上若干导向叶片，使气流沿叶片通道流1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007叶片扩压器1.涡轮增压器组成结构05八月2023李江动力1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构05八月2023李江动力压气机蜗壳压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的空气，并将其引导到发动机的进气歧管。由于从扩压器出风口出来的空气仍然具有较大速度，而蜗壳可将其动能进一步转化为压力能。因此，压气机蜗壳也具有扩压效果。1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007压气机蜗壳1.涡轮增压器组成结构05八月2023李压气机蜗壳按流道沿圆周变化与否，可分为变截面蜗壳和等截面蜗壳。变截面蜗壳的截面面积沿圆周方向逐渐变大，符合越接近出口收集的空气越多这一规律。因此，流动损失小，效率高。其最大的特点是外形尺寸小，对缩小涡轮增压器的尺寸有利，其结构形式如图1-6所示。等截面蜗壳的流道截面是不变化的，其流动损失大，效率低，目前已很少使用19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构图1—6变截面蜗壳压气机蜗壳按流道沿圆周变化与否，可分为变截面蜗壳和等截面蜗壳涡轮按燃气流过涡轮叶轮的流动方向，可将涡轮分为轴流式、径流式和混流式三类。在轴流式涡轮中，废气沿近似与叶轮轴平行的方向流过涡轮。轴流式涡轮体积大，流量范围宽，在大流量范围中有较高的效率。因此，在大型涡轮增器上被广泛采用。19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构涡轮05八月2023李江动力工程20132220在径流式涡轮中，废气的流动方向是近似沿径向由叶轮边缘向中心流动，在叶轮出口处转为轴向流出。径流式涡轮有较大的单级膨胀比，因此结构紧凑、体积小、质量轻，在小流量范围涡轮效率较高，且叶轮强度好，能承受很高的转速，在中小型涡轮增压器上得到广泛应用，其结构形式如下图所示。1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007在径流式涡轮中，废气的流动方向是近似沿径向由叶轮边缘向中心流19八月2023李江动力工程20132220071.涡轮增压器组成结构径流式涡轮示意图05八月2023李江动力工程2013222007进气壳（蜗壳）的作用，是把发动机排出的具有一定能量的废气，以尽量小的流动损失和尽量均匀分布引导到涡轮喷嘴环的入口。径流式向心涡轮的进气壳一般与排气壳连在一起，进气道设置在喷嘴环径向的周围，距离进气口越远，流通截面越小，使得流量沿圆周均匀地分布。由于进气流动损失小，因此多采用切向进气方式。1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007进气壳（蜗壳）的作用，是把发动机排出的具有一定能量的废气，以喷嘴环喷嘴环又称导向器，流通截面呈渐缩形，其作用是使具有一定压力和温度的废气膨胀加速并按规定的方向进入工作叶轮，喷嘴环可分为叶片角度可变与固定两种形式。1.涡轮增压器组成结构19八月2023李江动力工程2013222007有叶喷嘴环结构示意图喷嘴环1.涡轮增压器组成结构05八月2023李江近年来，车用增压柴油机的性能不断改善，平均有效压力大幅度提高，但普遍存在着低速转矩不足，加速性差，加速冒烟，冷起动困难等缺陷。随着增压压比的提高，低工况进气不足的问题尤显突出；加速性和排放更加恶化，同时涡轮增压器本身的性能及可靠性也制约着涡轮增压技术的发展。这些问题的出现，主要是由于柴油机与增压器的工作方式不同，二者难以良好的匹配。2.可变喷嘴涡轮增压器（VariableNozzleTurbine，简称VNT）19八月2023李江动力工程2013222007近年来，车用增压柴油机的性能不断改善，平均有效压力大幅度提高

而可变喷嘴技术可以有效解决前述问题。可变喷嘴环叶片可以绕着各自的轴心共同旋转，随着喷嘴环叶片角度的改变，涡轮机最小流通截面积以及排气进入涡轮的角度和速度都将发生变化，从而改变了涡轮机的转速和压气机出口端的增压压力。2.可变喷嘴涡轮增压器（VNT）19八月2023李江动力工程2013222007而可变喷嘴技术可以有效解决前述问题。2.可变喷嘴涡轮增发动机低速运转时，喷嘴环截面积减小，涡轮速度上升，增压压力增加，保证了低转速时的增压压力和进气量；发动机高速运转时，喷嘴环截面积增大，涡轮转速下降，防止增压器超速．发动机加速时，为了提高增压器的响应速度，可减小喷嘴环截面积，提高增压器转速，从而提高增压压力和进气量，满足瞬态工作时的进气要求。2.可变喷嘴涡轮增压器（VNT）19八月2023李江动力工程2013222007发动机低速运转时，喷嘴环截面积减小，涡轮速度上升，增压压力增19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器（VNT）05八月2023李江动力工程2013222007喷嘴环由许多绕着各自枢轴转动的喷嘴环叶片组成，喷嘴环叶片之间的通道决定着排气流通截面积的大小。喷嘴环叶片均匀地排成环状并与齿轮相连，齿轮受到喷嘴控制环的控制，当执行机构的拉杆来回移动时，喷嘴控制环往复摆动，通过啮合的齿轮，使得各喷嘴环叶片改变角度，从而实现改变喷嘴环出口截面积的目的。2.可变喷嘴涡轮增压器（VNT）19八月2023李江动力工程2013222007喷嘴环由许多绕着各自枢轴转动的喷嘴环叶片组成，喷嘴环叶片之间采用VNT后可以有效地满足增压器与柴油机的匹配要求，从而显著地改善柴油机的性能，下图所示为采用VNT与采用普通增压器之间的发动机性能比较2.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)19八月2023李江动力工程2013222007采用VNT后可以有效地满足增压器与柴油机的匹配要求，从而19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)西欧轿车及轻型车用涡轮增压发动机生产状况05八月2023李江动力工程2013222007大连理工郭鹏江等人以右图的柴油机为实验设备实验得到匹配VNT增压器和带旁通阀增压器的柴油机外特性性能对比。19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)发动机技术参数大连理工郭鹏江等人以右图的柴油机为实验设备实验得到匹配VNT19八月2023李江动力工程2013222007两种增压器外特性对比两种增压器外特性排放对比两种增压器外特性压后压力对比05八月2023李江动力工程2013222007从上述3图可以看出VNT增压器增加了低速区域的扭矩；改善了低速区域的烟度，在中高速区域与原机相差不大；所有转速范围内油耗率全面优于旁通增压器，油耗降低3%左右；但NOx的排放量在低速时要高于原机10*10-6，这主要是由于加大了进气量，形成富氧环境。由于旁通阀的高速放气，不致于使进气量过多而引起增压器过载，所以，在进行VNT增压器外特性标定时，力求增加低速时的进气量，高速时比旁通增压器低一些。19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)从上述3图可以看出VNT增压器增加了低速区域的扭矩；改善了低此外，吉林大学孙万臣等人在研究VNT对车用柴油机瞬态性能的影响时得到如下结论：(1)采用可变喷嘴涡轮增压器,合理匹配瞬态工况VNT喷嘴环面积,可以减小高瞬变率工况下发动机性能恶化的程度,有效改善涡轮增压柴油机瞬态工况的排气烟度。(2)瞬态工况下VNT喷嘴开度对排气烟度有明显的影响,在典型的加速工况和增负荷工况下分别存在最佳的VNT喷嘴开度,使进气量最大,排气烟度最低。(3)喷嘴环开度过小,将导致增压器效率下降,进气量降低,排气烟度增加。19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)此外，吉林大学孙万臣等人在研究VNT对车用柴油机瞬态性能的影可变喷嘴涡轮增压器实现“可变”的关键在于如何实现对执行器的精确控制，通过执行器的快速动作改变涡轮喷嘴流通截面积的大小，从而实现增压器与发动机良好匹配的目的。国内外在控制系统研究方面发展趋势相似，从最初的使用有限个涡轮区域覆盖发动机工作范围的简单控制，发展到用油门拉杆位置表征负荷大小的负荷控制。随着发动机电子控制技术的发展，可变喷嘴截面涡轮增压器控制系统的电子控制技术从上世纪80年代中期开始迅速发展起来。19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)可变喷嘴涡轮增压器实现“可变”的关键在于如何实现对执行器的精国外在可变喷嘴涡轮增压器的研究方面一直处于领先地位，日本、美国、德国等都已开发出了多种典型实用的可变喷嘴涡轮增压器形式。国外对可变喷嘴涡轮增压器控制系统的研究最早从上世纪80年代初便开始了，并且研制出了比较成熟的控制系统。在这方面日本尼桑（Nissan）、美国通用（GM）、德国大众（Volkswagen）等公司处于研究的先进行列。19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)国外在可变喷嘴涡轮增压器的研究方面一直处于领先地位，日本、美日本Nissan公司与美国AlliedSigal公司、GarrettAutomotiveGroup公司共同开发了一种可变喷嘴涡轮增压器，主要用于Nissan公司新型重型货车柴油机上。下图所示为该增压器的控制系统示意图主要由喷嘴叶片执行器、PCM单元阀（压力控制阀）、发电机、真空泵、控制单元及各种传感器和显示仪表等组成。其中，喷嘴叶片执行器为膜片式负压执行器，它的动力源为安装于发电机后端的真空泵，负压的大小由PCM阀控制。控制单元根据发动机的各种传感器信号向PCM阀发出控制信号，通过改变PCM阀开启和关闭的时间比（负载比）来调节由真空泵产生的负压的大小。负载比的确定是根据事先标定好的发动机运行MAP图进行比较和计算得到的。2.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)19八月2023李江动力工程2013222007日本Nissan公司与美国AlliedSigal公19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)Nissan公司的可变喷嘴涡轮增压器控制系统05八月2023李江动力工程2013222007该控制系统的控制方法是对增压压力进行闭环反馈控制，采用PI（比例―积分）控制算法。考虑到发动机在瞬态工况下增压压力的响应较稳态工况明显变差，为提高非稳态工况下系统的稳定性和平滑性，又加入了前馈控制作为PI控制算法的补充。其控制策略是将发动机稳态工况下由转速和负荷所决定的喷嘴开度负载比事先以MAP图形式存储于控制单元中，做为前馈控制值，并与PI控制值共同组成控制信号，以实现对PCM阀的控制。2.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)19八月2023李江动力工程2013222007该控制系统的控制方法是对增压压力进行闭环反馈控制，采用PI下图所示为美国GM公司开发的一种用于汽油机的可变喷嘴涡轮增压器控制系统。该系统由执行器、电子压力调节器（EPR）、电子真空调节器（EVR）、电子控制包（ECB）、电子控制模块（ECM）及各种传感器等组成。其中，执行器被设计为由膜片分隔成两个小气室的气动执行器，两个气室的压力分别来自于节气门后压气机前的进气歧管和增压后的进气歧管，两个气室产生的压力差作为驱动喷嘴叶片旋转的动力，由此可以保证气动执行器在各种工况下都能有效地克服来自喷嘴拉杆的阻力。另外，执行器两个气室中的压力又分别受EPR和EVR的控制，其控制信号来自于监控发动机转速、进气流量、节气门位置、中冷器温度等参数的ECM并受到ECB的调节。电子控制包同时还接收增压压力反馈信号，进行闭环控制。其控制策略是先制出稳态工况增压压力控制MAP图并存储于ECM中，将当前增压压力与ECM中的目标增压压力进行比较，电子控制包根据差值调节控制信号使执行器动作，进而实现增压压力的优化控制。2.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)19八月2023李江动力工程2013222007下图所示为美国GM公司开发的一种用于汽油机的可变喷嘴涡轮增19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)GM公司的可变喷嘴涡轮增压器控制系统05八月2023李江动力工程2013222007国内在可喷嘴涡轮增压器的研究方面落后于国外，只有清华大学、北京理工大学、吉林大学等少数几家单位在从事着增压器材料、结构改进、参数匹配等方面的研究。在控制系统研究方面，目前只有清华大学、北京理工大学、吉林大学、武汉理工大学做过这方面的初步研究。2.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)19八月2023李江动力工程2013222007国内在可喷嘴涡轮增压器的研究方面落后于国外，只有清华大学、北北京理工大学马朝臣等人为J6110Z柴油机匹配的VNT设计了一种机械式气动控制系统其示意图如右图所示。该增压器的喷嘴环叶片位置由一根摆杆控制，摆杆上分别与弹簧和气动执行器的推杆相连，通过弹簧拉力与气动执行器膜片两端压力差的平衡来驱动喷嘴环叶片旋转。涡轮增压器的设计点选在标定点，此时弹簧的拉力与作用于膜片上的压气机出口压力相平衡。19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)VNT机械式气动控制系统示意图北京理工大学马朝臣等人为J6110Z柴油机匹配的VNT北京理工大学王军秋等人研制了一种可变喷嘴涡轮增压器电子控制系统，该控制系统由电控单元ECU、涡轮截面开度执行器（力矩电机）、传感器及控制对象J6110Z柴油机等组成，其系统示意图如右图所示。传感器采集的参数（包括发动机转速n，压力p，执行器位移L）输入ECU；增压电控单元完成数据采集和工况判断后，把控制信号输出到执行器；执行器把控制输出信号变为机械位移，从而改变涡轮喷嘴截面的开度。19八月2023李江动力工程20132220072.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)可变喷嘴涡轮增压器控制系统示意图北京理工大学王军秋等人研制了一种可变喷嘴涡轮增压器电子控制系可变喷嘴涡轮增压器（VNT）作为可变截面涡轮增压器(VariableGeometryTurbine，简称VGT)的一种主要型式是通过改变喷嘴环流通截面积的大小而实现增压器与柴油机的匹配。VNT实现“可变”的关键在于如何实现对执行器的精确控制。近年来，随着电子技术的发展，VNT电控系统以其控制精度高、反应灵敏等优点而成为研究的重点。国外开发的电控系统一般成本较高，整体结构较复杂，而国内在该方面的研究则相对较少，可供借鉴的经验也不多。我国柴油机技术要与世界同步发展面临的技术突破之一就是可变喷嘴涡轮增压控制系统的研制,因此,对该项技术的突破,也是国内行业努力方向之一。2.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)19八月2023李江动力工程2013222007可变喷嘴涡轮增压器（VNT）作为可变截面涡轮增压器(Vari喷嘴环叶片是涡轮增压器的关键零件，其结构较为复杂，结构尺寸较小，精度要求高，