【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 增壓壓力和進(jìn)氣量；發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴環(huán)截面積增大，渦輪轉(zhuǎn)速下降，防止增壓器超速。發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，為了提高增壓器的響應(yīng)速度，可減小噴嘴環(huán)截面積，提高增壓器轉(zhuǎn)速，從而提高增壓壓力和進(jìn)氣量，滿足瞬態(tài)工作時(shí)的進(jìn)氣要求。這種控制方式的效果最好適用也比較廣泛，是目前有潛力的技術(shù)方法。這種可變噴嘴環(huán)的方法也是本文的研究重點(diǎn)。圖 13 可變舌型截面增壓器圖 14 可變噴嘴環(huán)渦輪增壓器 可變幾何渦輪增壓器的優(yōu)勢(shì)可 變 截 面 渦 輪 增 壓 器 的 汽 油 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 。 渦 輪 增 壓 系 統(tǒng) 的 心 臟 是 可 調(diào) 渦 流 截 面的 導(dǎo) 流 葉 片 。 這 些 導(dǎo) 流 葉 片 可 在 低 轉(zhuǎn) 速 、 低 排 氣 量 的 工 況 下 關(guān) 閉 ， 從 而 增 大 發(fā)動(dòng) 機(jī) 的 進(jìn) 氣 壓 力 。 與 傳 統(tǒng) 渦 輪 增 壓 器 相 比 ， 這 極 大 地 改 善 了 低 轉(zhuǎn) 速 時(shí) 的 響 應(yīng) 時(shí)間 和 加 速 能 力 。 采 用 可 變 渦 輪 截 面 技 術(shù) 的 汽 油 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 在 所 有 轉(zhuǎn) 速 范 圍 內(nèi) 的 效 率均 明 顯 高 于 目 前 采 用 的 標(biāo) 準(zhǔn) 放 氣 閥 式 的 渦 輪 增 壓 器 。 相 應(yīng) 地 ， 在 各 個(gè) 轉(zhuǎn) 速 范 圍內(nèi) 的 節(jié) 油 性 能 也 更 上 一 層 樓 。 可變幾何渦輪增壓器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：從八十年代初開(kāi)始，各國(guó)制造廠家和研究結(jié)構(gòu)對(duì)VGT增壓器進(jìn)行了各種研究。最初的研究是在穩(wěn)態(tài)下手動(dòng)控制VGT開(kāi)度，引入轉(zhuǎn)速和負(fù)荷(油門齒桿位置)作為控制參數(shù)。八十年代中期開(kāi)始，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制的發(fā)展，VGT控制已多數(shù)采用電子控制，實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)輸入的控制。各國(guó)VGT研究的情況如下:，無(wú)葉禍殼內(nèi)嵌入軸向運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)壁，隨著壁的移動(dòng)可以改變渦殼通道的截面值。德國(guó)MTU公司研制的VGT，其結(jié)構(gòu)是移動(dòng)渦輪外壁，利用彈簧和渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的慣性力相平衡來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)渦殼外壁的位置，從而調(diào)節(jié)流通截面，該系統(tǒng)能夠根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)速來(lái)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)截面，不需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但必須選擇高溫性能的彈簧材料，同時(shí)，對(duì)渦輪建立精確的動(dòng)平衡模型。日本三菱公司曾經(jīng)研制一種舌頭式的方案，并用于TF07型VGT增壓器。這種方案是在渦輪入口截面處設(shè)置繞固定軸旋轉(zhuǎn)的擋板。這種方案動(dòng)作簡(jiǎn)單，而且行程一般不大，受力較小，容易驅(qū)動(dòng)。它的主要問(wèn)題是容易產(chǎn)生葉輪進(jìn)口不對(duì)稱進(jìn)氣，舌頭對(duì)氣流擾動(dòng)大，使渦輪效率下降。英國(guó)Holset公司開(kāi)發(fā)了移動(dòng)遮擋板式 VGT增壓器。通過(guò)軸向移動(dòng)噴嘴環(huán)套達(dá)到改變渦輪流通截面的目的。由于可調(diào)機(jī)構(gòu)是作軸向平移，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，活動(dòng)件少，因此可靠性較高。這種VGT和轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的VGT相比，效率稍低。美國(guó)Schwitzer 公司、Garrett公司、德國(guó)KKK公司研制的VGT增壓器都采用轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴環(huán)葉片方案。這種方案是通過(guò)改變噴嘴環(huán)葉片角度來(lái)改變渦殼噴嘴環(huán)出口截面。隨噴嘴環(huán)葉片角度的變化，改變了進(jìn)入葉輪的氣流進(jìn)氣角，對(duì)廢氣有較好的引導(dǎo)作用，因此在整個(gè)工作范圍內(nèi)有較好的效率特性。這種方案的難點(diǎn)是噴嘴環(huán)計(jì)}片能否協(xié)調(diào)一致地改變角度，如何保證眾多的活動(dòng)件在高溫的條件下工作的可靠性。美國(guó)Garrett渦輪增壓公司研制的VGT，其結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴環(huán)葉片，其原理是用增壓器產(chǎn)生的高壓氣體作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)板，帶動(dòng)一端插入導(dǎo)槽的噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到改變渦輪流通截面的目的。日本Nissan柴油機(jī)公司與美國(guó) Alliedsigal和Garrett Automotive Group共同開(kāi)發(fā)了無(wú)步距增壓壓力反饋控制系統(tǒng)。采用的是可轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴葉片的TD4501增壓器。通過(guò)控制桿與外部搖臂相連的膜片式壓力執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)噴嘴葉片，使噴嘴面積可以無(wú)步距連續(xù)變化。壓力執(zhí)行器由壓力控制(PCM)閥控制，PCM閥接受微控制的信號(hào)，通過(guò)改變PCM 閥開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間比 (負(fù)載比)來(lái)調(diào)節(jié)控制壓力的大小。柴油機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，采用PI控制，在瞬態(tài)工作時(shí)采用前饋。通過(guò)采用該系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得到了改進(jìn)，保持了低的排放水平和較好的低速轉(zhuǎn)矩，降低了燃油消耗率，改善了瞬態(tài)過(guò)程的性能，降低了煙度?，F(xiàn)已裝在新型貨車上，并已投放市場(chǎng)。日本IHI公司在發(fā)動(dòng)機(jī)上裝有一種四步控制的VGT系統(tǒng)，后來(lái)又采用模糊控制連續(xù)地調(diào)整葉片，執(zhí)行器為步進(jìn)電機(jī)。微控制器利用來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增壓壓力和供油泵齒桿位置信號(hào)，借助于模糊判斷方法，計(jì)算噴嘴n一十片的開(kāi)度位置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下，這臺(tái)控制器都能連續(xù)地調(diào)整噴嘴開(kāi)度。與傳統(tǒng)的四分步控制法相比，它可以改善在加速條件下的排氣煙度。，對(duì)可調(diào)式增壓器轉(zhuǎn)葉位置與EGR閥開(kāi)度的優(yōu)化組合進(jìn)行了探討。在不犧牲燃油消耗率的前提下，使NOx排放較低。VGT在轎車上的運(yùn)用:奔馳、寶馬和奧迪幾乎同時(shí)開(kāi)發(fā)了大型VS柴油機(jī)，基本設(shè)計(jì)相同:都是V型8缸，每缸4氣門，都配有渦輪扇葉角度可變的增壓器，并采用中間冷卻器和共軌直噴技術(shù)。三家公司采用相似的渦輪增壓技術(shù)，它的核心是可變渦輪扇葉角度的渦輪增壓器。奔馳和寶馬的扇葉角度是通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)的，奧迪則通過(guò)氣流的壓力來(lái)控制。每一排汽缸由一個(gè)增壓器負(fù)責(zé)供氣，這樣，V8發(fā)動(dòng)機(jī)就需要兩個(gè)渦輪增壓器，也就是通常所說(shuō)的“雙渦輪增壓”。國(guó)內(nèi)的一些研究現(xiàn)狀：1958年以來(lái)，我國(guó)有關(guān)科研所、工廠和高等院校仿制和自行設(shè)計(jì)廢氣渦輪增壓器。對(duì)于可變渦輪增壓器的一些研究情況如下:(l)山東工業(yè)大學(xué)動(dòng)力系設(shè)計(jì)了雙舌形擋板，一個(gè)擋板調(diào)節(jié)低速區(qū)，另一個(gè)擋板調(diào)節(jié)高速區(qū)。并將雙舌形擋板變截面渦輪增壓器與6130ZQ柴油機(jī)進(jìn)行了匹配試驗(yàn)，證明與普通增壓器相比，改善了柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和低速經(jīng)濟(jì)性。抑制了高速時(shí)的增壓過(guò)量，與單舌形擋板變截面渦輪增壓器相比，更適合車用柴油機(jī)的變工況時(shí)的需要。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種雙葉片整體式軸向移動(dòng)可變噴嘴廢氣渦輪增壓器。其噴嘴葉片分為高速葉片和低速葉片，以臺(tái)階的形式制成一體。葉片數(shù)為12片，并與高、低速葉片導(dǎo)向環(huán)構(gòu)成了噴嘴環(huán)。葉片固定在葉片安裝環(huán)上，在葉片安裝環(huán)上還安裝了2根調(diào)節(jié)桿，調(diào)節(jié)桿往復(fù)移動(dòng)時(shí)，能帶動(dòng)葉片在高、低速葉片導(dǎo)向環(huán)之間沿渦輪軸線方向移動(dòng)，從而改變流入渦輪氣流的速度和角度，以滿足不同運(yùn)行工況對(duì)渦輪流通能力的要求。(2)北京理工大學(xué)車輛工程學(xué)院渦輪增壓實(shí)驗(yàn)室自八十年代初致力于研究渦輪增壓器的可調(diào)技術(shù)。對(duì)舌頭式和軸向可移動(dòng)遮擋板式可調(diào)渦輪增壓器都進(jìn)行了裝機(jī)匹配試驗(yàn)。控制系統(tǒng)有采用電子控制，執(zhí)行器有機(jī)械式的，也有電液式執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)VGT開(kāi)度的連續(xù)控制。王軍秋等人進(jìn)行了電控VGT與J6110Z柴油機(jī)匹配性能研究。VGT采用的是軸向移動(dòng)遮擋板式，以SY22型力矩步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行器。主控制器選用16位單片機(jī)MCS8098，軟件用PL/M96高級(jí)語(yǔ)言編制，完成了整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試。控制系統(tǒng)有自控和手控兩種運(yùn)行模式。分別滿足發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)手控需要和發(fā)動(dòng)機(jī)與可變幾何增壓器匹配自控時(shí)的需要。郁秀峰等人對(duì)12150ZL電控增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行VGT系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，采用“移動(dòng)遮擋板”式VGT，原理是軸向移動(dòng)噴嘴環(huán)套，遮擋一部分噴嘴環(huán)葉片高度，改變渦輪噴嘴截面。研制了VGT專用的電液執(zhí)行器和四連桿機(jī)構(gòu)，完成了對(duì)VGT開(kāi)度的連續(xù)控制。系統(tǒng)采用MC68HCS1IE2單片機(jī)為核心。完成多任務(wù)控制系統(tǒng)的管理和控制。為電控柴油機(jī)向柴油機(jī)綜合電控管理系統(tǒng)的方向發(fā)展作了有益的探索。(3)清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在大眾TDI發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了可調(diào)噴嘴環(huán)(VNT)的電子控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，采用的技術(shù)有如下特點(diǎn):以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行器，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和油門位置傳感器兩個(gè)信號(hào)查MAP圖，得到增壓壓力，再通過(guò)進(jìn)氣溫度信號(hào)對(duì)此增壓壓力信號(hào)進(jìn)行修正，得到目標(biāo)增壓壓力，進(jìn)行PID控制。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，采用了隨VNT開(kāi)度變化的參數(shù)PID控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)增壓壓力的良好控制。在瞬態(tài)時(shí)，采用不同于穩(wěn)態(tài)的PID參數(shù)并引入預(yù)測(cè)函數(shù)的控制方法，加強(qiáng)了系統(tǒng)在瞬態(tài)時(shí)的響應(yīng)速度，并在研制的軟硬件系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 本文研究?jī)?nèi)容本文研究?jī)?nèi)容是增壓器的一般設(shè)計(jì)方法以及增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配等。其中的重點(diǎn)是總結(jié)廢氣渦輪增壓器的一般設(shè)計(jì)方法，本文將重點(diǎn)闡述了渦輪增壓器設(shè)計(jì)原理。渦殼設(shè)計(jì)、葉輪設(shè)計(jì)、葉輪進(jìn)口等部件的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)方法的總結(jié)使讀者可以根據(jù)其中設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出了渦輪增壓器的主要參數(shù)。這也吻合了論文題目“可變幾何渦輪增壓器的研究與設(shè)計(jì)” 。2 一般徑流渦輪增壓器的設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì)思路渦輪葉輪是渦輪中的最重要的部件，因此本文的重點(diǎn)是如何設(shè)計(jì)渦輪葉輪。在這里應(yīng)強(qiáng)調(diào)說(shuō)明兩點(diǎn)；首先，渦輪葉輪內(nèi)部流場(chǎng)是非常復(fù)雜的，是非定常、三維、黏性、可壓縮流動(dòng)的。如果考慮葉輪頂部間隙內(nèi)泄漏流動(dòng)、冷卻葉片的冷卻空氣流動(dòng)、兩相流等，將使渦輪內(nèi)部流動(dòng)變得更加復(fù)雜。初步設(shè)計(jì)階段不可避免地使用簡(jiǎn)化計(jì)算模型以代表真實(shí)流動(dòng)過(guò)程。其次。渦輪一般工作在高溫、高速條件下，氣流流動(dòng)處于一種非定常脈動(dòng)流動(dòng)狀態(tài)。氣動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮渦輪應(yīng)力分布水平及因氣流脈動(dòng)產(chǎn)生的疲勞等強(qiáng)度問(wèn)題。 徑流渦輪增壓器基本工作原理單位質(zhì)量氣體流經(jīng)渦輪葉輪的能量方程為： （2????22223333/ /WmUCUWC??? ???????? ?1）式中，下標(biāo)“2”和“3”分別表示葉輪的進(jìn)口和出口?？梢钥闯鰷u輪功是由上式右端三項(xiàng)決定的。對(duì)于徑流渦輪，式中右端第一項(xiàng)是正值。要想使右端第二項(xiàng)為正，必須保證 W 3大于 W 2即保證出口氣流相對(duì)速度大于進(jìn)口氣流相對(duì)速度。要想使右端第三項(xiàng)為正，則應(yīng)使葉輪進(jìn)口絕對(duì)速度大于出口絕對(duì)速度。對(duì)于徑流渦輪，進(jìn)口葉片角 應(yīng)是零。由于強(qiáng)度上的要求應(yīng)使葉輪葉片沿徑向伸展，(這種2B?造型和離心壓氣機(jī)葉片造型不同，離心壓氣機(jī)由于工作溫度比較低，因此允許葉片在沿葉高方向上與半徑方向有一夾角存在)，這也就限制了進(jìn)口葉片角為零。分析葉輪出口速度三角形可以看出，葉輪出口輪緣處的葉片角和相對(duì)速度值最太，因此在這個(gè)位置上最容易出現(xiàn)堵塞流動(dòng)現(xiàn)象，而堵塞流動(dòng)現(xiàn)象常常會(huì)伴隨激波出現(xiàn)并產(chǎn)生流動(dòng)損失。根據(jù)式(21)，如果氣流在葉輪出口的絕對(duì)速度有負(fù)的切向速度，即 ，則可使渦輪功率增加，如果渦輪出口沒(méi)有有效地?cái)U(kuò)散段轉(zhuǎn)化30C??氣流動(dòng)能，將會(huì)產(chǎn)生很大的氣流動(dòng)能損失而引起效率下降。對(duì)于出口速度為軸向方向時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)速度與半徑成比例變化，而在出口處葉片在葉高方向上應(yīng)是沿徑向沿伸的。如果氣流在葉輪進(jìn)口相對(duì)速度方向?yàn)閺较蛄鲃?dòng)，即 ，出口絕對(duì)速度為軸20??向方向，即 ，有： ， 。式(21)可以改寫為：30??2CU??30?在這種情況下，葉輪單位輸出功只是葉輪旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)。2/WmU 靜子初步設(shè)計(jì)靜子出口氣流角對(duì)渦輪性能有很大的影響，是渦輪設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，本節(jié)的內(nèi)容是保證在要求的出口氣流前提角下所設(shè)計(jì)的渦輪靜子有一個(gè)好的氣動(dòng)性能。 渦輪靜子可分為有葉和無(wú)葉兩種基本形式，其部件有渦殼、噴嘴環(huán)。設(shè)計(jì)中除保證靜子進(jìn)出口直徑和進(jìn)出口面積要滿足氣動(dòng)上的要求外，還要滿足機(jī)械加工和裝配上的要求。下面分別對(duì)這兩個(gè)部件的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行描述。 渦殼進(jìn)入渦殼的氣體近似沿渦殼的切向流動(dòng)，它也近似沿葉輪的切向方向流進(jìn)葉輪。在渦殼中還存在一個(gè)徑向壓力梯度,以使氣流流動(dòng)方向轉(zhuǎn)向渦輪葉輪。氣流在周向上有一個(gè)較大的速度分量。在無(wú)葉渦殼中，氣流還很容易受到葉輪產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)而出現(xiàn)回流現(xiàn)象，渦殼中產(chǎn)生的回流又和進(jìn)入渦殼的主流混合后進(jìn)人葉輪。渦殼內(nèi)流動(dòng)十分復(fù)雜，存在的主要流動(dòng)形式有流體流進(jìn)葉輪，葉輪內(nèi)的壓力脈動(dòng)影響著渦殼內(nèi)部流動(dòng)，渦殼舌口區(qū)域的回流現(xiàn)象。所有這些流動(dòng)現(xiàn)象使得很難通過(guò)計(jì)算獲得渦殼的最優(yōu)幾何尺寸。毫無(wú)疑問(wèn)，渦殼的幾何尺寸會(huì)對(duì)整個(gè)渦輪性能產(chǎn)生很大影響。研究結(jié)果表明，由于渦殼橫截面形狀的不同會(huì)使渦輪效率提%，這是因?yàn)闇u殼出口速度不同會(huì)導(dǎo)致渦輪葉輪作功能力發(fā)生變化。渦殼出口速度分布的不均勻性也會(huì)使渦輪葉輪作功能力減小。Chapple等(1980)對(duì)渦殼出口和葉輪出口平面上周向靜壓分布進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)渦殼出口周向壓力不均勻會(huì)傳播到葉輪出口。此外，葉輪進(jìn)口(即渦殼出口)壓力分布的不均勻性還能誘發(fā)葉片振動(dòng)。Scrimshaw和Williams (1984)對(duì)無(wú)葉渦殼出口流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，Scrimshaw對(duì)三個(gè)幾何相似渦輪進(jìn)行了研究，這三個(gè)渦輪舌形間隙與葉輪直徑比是相同的，但是其間隙的絕對(duì)值是不同的。測(cè)量結(jié)果表明，三個(gè)渦輪上的流動(dòng)角、靜壓和總壓損失各不相同，尤其在舌形區(qū)域差別會(huì)更大一些。在簡(jiǎn)單的渦殼模型中，通常只考慮氣流存在徑向和切向流動(dòng)速度，而沒(méi)有考慮氣流在舌部出現(xiàn)的倒流及相互摻混現(xiàn)象。如果渦殼內(nèi)的流動(dòng)為理想流動(dòng)，不考慮摩擦存在，則動(dòng)量距守恒，渦殼內(nèi)部氣流流動(dòng)將是以渦輪軸為軸心的自由渦運(yùn)動(dòng)。Tabakoff等(1980)的研究結(jié)果證實(shí)了根據(jù)自由渦理論獲得的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是比較接近的。根據(jù)自由渦假設(shè)，由圖21可以寫出 （22)rCK??帶有無(wú)葉渦殼的徑流渦輪對(duì)于不可壓流動(dòng)，在角度為 的橫截面上質(zhì)量流量為? (23)mAC????假設(shè)質(zhì)量流量在渦殼不同周向位置上是分布均勻的，則有 (1)2?????式中 是總質(zhì)量流量。由上面三個(gè)公式得:m? (24)(1)2AmfK??????式中。 ,是角度為 的渦殼橫截面半徑。對(duì)于不可壓流動(dòng)，或密度變化小的流動(dòng)，r?為了在渦殼內(nèi)部獲得均勻的質(zhì)量分布，由上式可以看出 是 角的線型函數(shù)。/Ar?假設(shè)流動(dòng)速度在渦殼出口(即葉輪進(jìn)日)周向上分布是均勻的，出口流動(dòng)角度為