【文章內(nèi)容簡介】 增壓壓力和進氣量；發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，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)動機加速時，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氣量，滿足瞬態(tài)工作時的進氣要求。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。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)勢可 變 截 面 渦 輪 增 壓 器 的 汽 油 發(fā) 動 機 。 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 機 的 進 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 的 響 應(yīng) 時間 和 加 速 能 力 。 采 用 可 變 渦 輪 截 面 技 術(shù) 的 汽 油 發(fā) 動 機 在 所 有 轉(zhuǎn) 速 范 圍 內(nèi) 的 效 率均 明 顯 高 于 目 前 采 用 的 標 準 放 氣 閥 式 的 渦 輪 增 壓 器 。 相 應(yīng) 地 ， 在 各 個 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內(nèi)外研究現(xiàn)狀：從八十年代初開始，各國制造廠家和研究結(jié)構(gòu)對VGT增壓器進行了各種研究。最初的研究是在穩(wěn)態(tài)下手動控制VGT開度，引入轉(zhuǎn)速和負荷(油門齒桿位置)作為控制參數(shù)。八十年代中期開始，隨著發(fā)動機電子控制的發(fā)展，VGT控制已多數(shù)采用電子控制，實現(xiàn)了多參數(shù)輸入的控制。各國VGT研究的情況如下:，無葉禍殼內(nèi)嵌入軸向運動的活動壁，隨著壁的移動可以改變渦殼通道的截面值。德國MTU公司研制的VGT，其結(jié)構(gòu)是移動渦輪外壁，利用彈簧和渦輪轉(zhuǎn)動時的慣性力相平衡來自動調(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)速來無級調(diào)節(jié)截面，不需要執(zhí)行機構(gòu)，但必須選擇高溫性能的彈簧材料，同時，對渦輪建立精確的動平衡模型。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。這種方案動作簡單，而且行程一般不大，受力較小，容易驅(qū)動。它的主要問題是容易產(chǎn)生葉輪進口不對稱進氣，舌頭對氣流擾動大，使渦輪效率下降。英國Holset公司開發(fā)了移動遮擋板式 VGT增壓器。通過軸向移動噴嘴環(huán)套達到改變渦輪流通截面的目的。由于可調(diào)機構(gòu)是作軸向平移，結(jié)構(gòu)比較簡單，活動件少，因此可靠性較高。這種VGT和轉(zhuǎn)動葉片的VGT相比，效率稍低。美國Schwitzer 公司、Garrett公司、德國KKK公司研制的VGT增壓器都采用轉(zhuǎn)動噴嘴環(huán)葉片方案。這種方案是通過改變噴嘴環(huán)葉片角度來改變渦殼噴嘴環(huán)出口截面。隨噴嘴環(huán)葉片角度的變化，改變了進入葉輪的氣流進氣角，對廢氣有較好的引導(dǎo)作用，因此在整個工作范圍內(nèi)有較好的效率特性。這種方案的難點是噴嘴環(huán)計}片能否協(xié)調(diào)一致地改變角度，如何保證眾多的活動件在高溫的條件下工作的可靠性。美國Garrett渦輪增壓公司研制的VGT，其結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)動噴嘴環(huán)葉片，其原理是用增壓器產(chǎn)生的高壓氣體作為動力源，驅(qū)動轉(zhuǎn)動板，帶動一端插入導(dǎo)槽的噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)動，達到改變渦輪流通截面的目的。日本Nissan柴油機公司與美國 Alliedsigal和Garrett Automotive Group共同開發(fā)了無步距增壓壓力反饋控制系統(tǒng)。采用的是可轉(zhuǎn)動噴嘴葉片的TD4501增壓器。通過控制桿與外部搖臂相連的膜片式壓力執(zhí)行器驅(qū)動噴嘴葉片，使噴嘴面積可以無步距連續(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，通過改變PCM 閥開啟和關(guān)閉的時間比 (負載比)來調(diào)節(jié)控制壓力的大小。柴油機在穩(wěn)態(tài)工作時，采用PI控制，在瞬態(tài)工作時采用前饋。通過采用該系統(tǒng)使發(fā)動機的性能得到了改進，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。日本IHI公司在發(fā)動機上裝有一種四步控制的VGT系統(tǒng)，后來又采用模糊控制連續(xù)地調(diào)整葉片，執(zhí)行器為步進電機。微控制器利用來自發(fā)動機轉(zhuǎn)速，增壓壓力和供油泵齒桿位置信號，借助于模糊判斷方法，計算噴嘴n一十片的開度位置。通過實驗證明，在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下，這臺控制器都能連續(xù)地調(diào)整噴嘴開度。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。，對可調(diào)式增壓器轉(zhuǎn)葉位置與EGR閥開度的優(yōu)化組合進行了探討。在不犧牲燃油消耗率的前提下，使NOx排放較低。VGT在轎車上的運用:奔馳、寶馬和奧迪幾乎同時開發(fā)了大型VS柴油機，基本設(shè)計相同: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電動調(diào)節(jié)的，奧迪則通過氣流的壓力來控制。每一排汽缸由一個增壓器負責(zé)供氣，這樣，V8發(fā)動機就需要兩個渦輪增壓器，也就是通常所說的“雙渦輪增壓”。國內(nèi)的一些研究現(xiàn)狀：1958年以來，我國有關(guān)科研所、工廠和高等院校仿制和自行設(shè)計廢氣渦輪增壓器。對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)動力系設(shè)計了雙舌形擋板，一個擋板調(diào)節(jié)低速區(qū)，另一個擋板調(diào)節(jié)高速區(qū)。并將雙舌形擋板變截面渦輪增壓器與6130ZQ柴油機進行了匹配試驗，證明與普通增壓器相比，改善了柴油機的轉(zhuǎn)矩特性和低速經(jīng)濟性。抑制了高速時的增壓過量，與單舌形擋板變截面渦輪增壓器相比，更適合車用柴油機的變工況時的需要。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計了一種雙葉片整體式軸向移動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)移動時，能帶動葉片在高、低速葉片導(dǎo)向環(huán)之間沿渦輪軸線方向移動，從而改變流入渦輪氣流的速度和角度，以滿足不同運行工況對渦輪流通能力的要求。(2)北京理工大學(xué)車輛工程學(xué)院渦輪增壓實驗室自八十年代初致力于研究渦輪增壓器的可調(diào)技術(shù)。對舌頭式和軸向可移動遮擋板式可調(diào)渦輪增壓器都進行了裝機匹配試驗?？刂葡到y(tǒng)有采用電子控制，執(zhí)行器有機械式的，也有電液式執(zhí)行器，實現(xiàn)了對VGT開度的連續(xù)控制。王軍秋等人進行了電控VGT與J6110Z柴油機匹配性能研究。VGT采用的是軸向移動遮擋板式，以SY22型力矩步進電機為執(zhí)行器。主控制器選用16位單片機MCS8098，軟件用PL/M96高級語言編制，完成了整個系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)有自控和手控兩種運行模式。分別滿足發(fā)動機臺架試驗時手控需要和發(fā)動機與可變幾何增壓器匹配自控時的需要。郁秀峰等人對12150ZL電控增壓發(fā)動機進行VGT系統(tǒng)的實驗研究，采用“移動遮擋板”式VGT，原理是軸向移動噴嘴環(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)行器和四連桿機構(gòu)，完成了對VGT開度的連續(xù)控制。系統(tǒng)采用MC68HCS1IE2單片機為核心。完成多任務(wù)控制系統(tǒng)的管理和控制。為電控柴油機向柴油機綜合電控管理系統(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)能國家重點實驗室，在大眾TDI發(fā)動機上進行了可調(diào)噴嘴環(huán)(VNT)的電子控制系統(tǒng)的開發(fā)，采用的技術(shù)有如下特點:以步進電機為執(zhí)行器，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器和油門位置傳感器兩個信號查MAP圖，得到增壓壓力，再通過進氣溫度信號對此增壓壓力信號進行修正，得到目標增壓壓力，進行PID控制。在穩(wěn)態(tài)時，采用了隨VNT開度變化的參數(shù)PID控制，實現(xiàn)了對目標增壓壓力的良好控制。在瞬態(tài)時，采用不同于穩(wěn)態(tài)的PID參數(shù)并引入預(yù)測函數(shù)的控制方法，加強了系統(tǒng)在瞬態(tài)時的響應(yīng)速度，并在研制的軟硬件系統(tǒng)上進行了實驗。 本文研究內(nèi)容本文研究內(nèi)容是增壓器的一般設(shè)計方法以及增壓器發(fā)動機的匹配等。其中的重點是總結(jié)廢氣渦輪增壓器的一般設(shè)計方法，本文將重點闡述了渦輪增壓器設(shè)計原理。渦殼設(shè)計、葉輪設(shè)計、葉輪進口等部件的設(shè)計。通過設(shè)計方法的總結(jié)使讀者可以根據(jù)其中設(shè)計方法設(shè)計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” 。2 一般徑流渦輪增壓器的設(shè)計方法 設(shè)計思路渦輪葉輪是渦輪中的最重要的部件，因此本文的重點是如何設(shè)計渦輪葉輪。在這里應(yīng)強調(diào)說明兩點；首先，渦輪葉輪內(nèi)部流場是非常復(fù)雜的，是非定常、三維、黏性、可壓縮流動的。如果考慮葉輪頂部間隙內(nèi)泄漏流動、冷卻葉片的冷卻空氣流動、兩相流等，將使渦輪內(nèi)部流動變得更加復(fù)雜。初步設(shè)計階段不可避免地使用簡化計算模型以代表真實流動過程。其次。渦輪一般工作在高溫、高速條件下，氣流流動處于一種非定常脈動流動狀態(tài)。氣動設(shè)計應(yīng)考慮渦輪應(yīng)力分布水平及因氣流脈動產(chǎn)生的疲勞等強度問題。 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“2”和“3”分別表示葉輪的進口和出口。可以看出渦輪功是由上式右端三項決定的。對于徑流渦輪，式中右端第一項是正值。要想使右端第二項為正，必須保證 W 3大于 W 2即保證出口氣流相對速度大于進口氣流相對速度。要想使右端第三項為正，則應(yīng)使葉輪進口絕對速度大于出口絕對速度。對于徑流渦輪，進口葉片角 應(yīng)是零。由于強度上的要求應(yīng)使葉輪葉片沿徑向伸展，(這種2B?造型和離心壓氣機葉片造型不同，離心壓氣機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速度值最太，因此在這個位置上最容易出現(xiàn)堵塞流動現(xiàn)象，而堵塞流動現(xiàn)象常常會伴隨激波出現(xiàn)并產(chǎn)生流動損失。根據(jù)式(21)，如果氣流在葉輪出口的絕對速度有負的切向速度，即 ，則可使渦輪功率增加，如果渦輪出口沒有有效地擴散段轉(zhuǎn)化30C??氣流動能，將會產(chǎn)生很大的氣流動能損失而引起效率下降。對于出口速度為軸向方向時，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。如果氣流在葉輪進口相對速度方向為徑向流動，即 ，出口絕對速度為軸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)計靜子出口氣流角對渦輪性能有很大的影響，是渦輪設(shè)計中一個非常重要的參數(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)計的渦輪靜子有一個好的氣動性能。 渦輪靜子可分為有葉和無葉兩種基本形式，其部件有渦殼、噴嘴環(huán)。設(shè)計中除保證靜子進出口直徑和進出口面積要滿足氣動上的要求外，還要滿足機械加工和裝配上的要求。下面分別對這兩個部件的設(shè)計方法進行描述。 渦殼進入渦殼的氣體近似沿渦殼的切向流動，它也近似沿葉輪的切向方向流進葉輪。在渦殼中還存在一個徑向壓力梯度,以使氣流流動方向轉(zhuǎn)向渦輪葉輪。氣流在周向上有一個較大的速度分量。在無葉渦殼中，氣流還很容易受到葉輪產(chǎn)生的壓力脈動而出現(xiàn)回流現(xiàn)象，渦殼中產(chǎn)生的回流又和進入渦殼的主流混合后進人葉輪。渦殼內(nèi)流動十分復(fù)雜，存在的主要流動形式有流體流進葉輪，葉輪內(nèi)的壓力脈動影響著渦殼內(nèi)部流動，渦殼舌口區(qū)域的回流現(xiàn)象。所有這些流動現(xiàn)象使得很難通過計算獲得渦殼的最優(yōu)幾何尺寸。毫無疑問，渦殼的幾何尺寸會對整個渦輪性能產(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使渦輪效率提%，這是因為渦殼出口速度不同會導(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使渦輪葉輪作功能力減小。Chapple等(1980)對渦殼出口和葉輪出口平面上周向靜壓分布進行了測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)渦殼出口周向壓力不均勻會傳播到葉輪出口。此外，葉輪進口(即渦殼出口)壓力分布的不均勻性還能誘發(fā)葉片振動。Scrimshaw和Williams (1984)對無葉渦殼出口流場進行了測量，Scrimshaw對三個幾何相似渦輪進行了研究，這三個渦輪舌形間隙與葉輪直徑比是相同的，但是其間隙的絕對值是不同的。測量結(jié)果表明，三個渦輪上的流動角、靜壓和總壓損失各不相同，尤其在舌形區(qū)域差別會更大一些。在簡單的渦殼模型中，通常只考慮氣流存在徑向和切向流動速度，而沒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)的流動為理想流動，不考慮摩擦存在，則動量距守恒，渦殼內(nèi)部氣流流動將是以渦輪軸為軸心的自由渦運動。Tabakoff等(1980)的研究結(jié)果證實了根據(jù)自由渦理論獲得的結(jié)果和實驗結(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??帶有無葉渦殼的徑流渦輪對于不可壓流動，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。由上面三個公式得:m? (24)(1)2AmfK??????式中。 ,是角度為 的渦殼橫截面半徑。對于不可壓流動，或密度變化小的流動，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)流動速度在渦殼出口(即葉輪進日)周向上分布是均勻的，出口流動角度為