摘要 電控變截面渦輪增壓系統(tǒng)，可充分利用柴油機(jī)的廢氣能量，克服常規(guī)增壓存在的低速扭 矩不足、部分負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性差和瞬態(tài)響應(yīng)遲緩的問題，能在不改變高轉(zhuǎn)速性能的同時，改善低 速性能，在增壓柴油機(jī)全工況范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高發(fā)動機(jī)功率、改善燃料經(jīng)濟(jì)性，對降低 內(nèi)燃機(jī)的污染、噪聲也有積極影響。電控可變噴嘴渦輪增壓器已成為當(dāng)今世界渦輪增壓行業(yè) 的最新發(fā)展趨勢。本文以渦輪增壓柴油機(jī)為研究對象，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真環(huán)境下 建立電控可變噴嘴渦輪增壓柴油機(jī)的動力學(xué)模型，對電控變截面渦輪增壓柴油機(jī)的性能、控 制方法和控制參數(shù)進(jìn)行研究。 首先，對變截面渦輪增壓器與柴油機(jī)的匹配要求作了說明，分析了變截面渦輪增壓器的 噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)角與發(fā)動機(jī)各參數(shù)的關(guān)系。然后，介紹了p i d 控制方法及適合于對變截面渦輪 增壓器進(jìn)行控制的數(shù)字增量式p i d 控制法。接著介紹計算機(jī)仿真技術(shù)及m a t l a b 仿真工具。 m a t l a b 非常適用于控制理淪的探討與仿真試驗(yàn)的研究，其中s i m u l i n k 是一個進(jìn)行動態(tài) 系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。從分析研究角度講，s i m u l i n k 模型不僅能讓用 戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細(xì)節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)問的信息 交換，掌握各部分之間的交互影響。最后，闡述了變截面渦輪增壓柴油機(jī)的工作原理并對其 模型進(jìn)行了系統(tǒng)描述，建立了渦輪增壓柴油機(jī)系統(tǒng)的動力學(xué)模型。通過穩(wěn)定邊界法設(shè)計p i d 控制器，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真環(huán)境下對渦輪增壓柴油機(jī)系統(tǒng)的動力學(xué)模型進(jìn)行仿真 分析。驗(yàn)證渦輪增壓柴油機(jī)系統(tǒng)的性能以及采用電控變截而調(diào)節(jié)以后，對于柴油機(jī)性能的改 善。并利用m a t l a b 仿真： 具對增壓器的非線性動力學(xué)模型進(jìn)行線性化處理，利用適當(dāng)簡 化的方法，建立的變截面渦輪增壓柴油機(jī)準(zhǔn)線性模型，在s i m u l i n k 仿真環(huán)境下能滿足動 態(tài)仿真的實(shí)時性要求，方便快捷地分析仿真結(jié)果?？梢酝ㄟ^仿真來研究變截面渦輪增壓系統(tǒng) 的控制方法及其可行性，并可以為不同的工況，確定不同的p i d 控制參數(shù)。通過仿真來研究 i 乜控變截面滿輪增壓系統(tǒng)對增壓柴汕機(jī)的理論研究和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用都具有指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵鬩：可變幾何截面渦輪增壓，電子控制，m a t l a b ，s i m u l i n k ，動念仿真 a b s t r a c t t h ev a r i a b l eg e o m e t r yt u r b o c h a r g e re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mm a yt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h e e x h a u s tg a se n e r g yo fd i e s e le n g i n ea n dg e to v e rt h ep r o b l e mi ng e n e r a lg a i n e dp r e s sw h i c hi s f a l ls h o r to fw r e s tr u l e si nt h et i m eo fl o ws p e e da n dt h ep r o b l e mt h a tt h ee n g i n ec a l l 。tw o r k sw i t h f u l lc a p a c i t yw h e ni np a r tl o a d ，t h et r a n s i e n tr e s p o n s er e m a i n ss l o w i tc a ni m p r o v et h ec a p a b i l i t y o fl o ws p e e da tt h es a m et i m eh i 【g hs p e e da n dh e i g h t e nt h ep o w e ro ft h ee n g i n ea n di m p r o v et h e f u e le c o n o m ya n dr e d u c et h ei n f l u e n c eo fp o l l u t i o na n dy a w p t h ev a r i a b l eg e o m e t r y t u r b o c h a r g e re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft u r b o c h a r g e r n o w a d a y s i nt h i sp a p e r ，t h ed i e s e le n g i n eo ft u r b o c h a r g e ri st h eo b j e c to fr e s e a r c h w es e tu pt h e d y n a m i cm o d e lo ft h ev a r i a b l eg e o m e t r yt u r b o c h a r g e re l e c t r o n i cc o n t r o ld i e s e le n g i n e i n m a t l a ba n ds t u d yi t sc a p a b i l i t ya n dt h em e a n sa n dp a r a m e t e ro fc o n t r 0 1 i nt h ef i r s tp l a c e ，w ee x p l a i nt h em a t c h i n gb e t w e e nt h ev g ta n dt h ed i e s e le n g i n ea n da n a l y s e b e t w e e nt h ep a r a m e t e rr e l a t i o no fe n g i n ea n dt h en o z z l ea r e a t h e n ，w ei n t r o d u c et h ei n c r e m e n t p i dc o n t r o lm e t h o da n dm a t l a be n v i r o n m e n t a tl a s t ，ar e a lt i m em o d e lf o rs i m u l a t i n gt r a n s i e n t c o n d i t i o n so fv e h i c l et u r h o c h a r g e dd i e s e le n g i n e sh a sb e e np r e s e n t e dt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h e e l e c t r o n i c c o n t r o l l e dt u r b o e h a r g e dd i e s e le n g i n e s t h es y s t e mi sd i v i d e di n t of o u rp a r t ，t h a ti s ， c o m p r e s s o r ，e n g i n e ，v a r i a b l eg e o m e t r ya r e a ，a n dt u r b i n ef r o mt h ev i e w p o i n to fs y s t e mc o n t r 0 1 t h e t i m eb e t w e e nt w ow o r k i n gc y c l e si st a k e na sc a l c u l a t i o nt i m es t e p ，a n dt h em e a np a r a m e t e r so f e a c hw o r k i n gc y c l ea sc a l c u l a t i o np u r p o s e t h em o d e lh a ss u c ha d v a n t a g e sa ss h o r t e rc a l c u l a t i o n t i m ea n db e t t e rr e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i c s t h em o d e lj su s e dt os i m u l a t et h et r a n s i e n tc o n d i t i o n so fa v e h i c l et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ew i t hv a r i a b l eg e o m e t r ya r e a t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a t t h ec a l c u l a t i o na c c u r a c ycanm e e tt h en e e d so fr e a lt i m et r a n s i e n tm o d e l i n ga n dm a ya n a l y z e s i m u l a t i o nr e s u l tw h i c hi sv e r yc o n v e n i e n c e t h i si sv e r yi n s t r u c ts i g n i f i c a n c ei nt h et h e o r ya n d a p p l i a n c ef i e l do ft u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n et 0 0 k e yw o r d s ：t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；v g t ；e l e c t r o n i cc o n t r o l ；m a t l a b 電子輔助渦輪增樂系統(tǒng)研究 1 緒論 1 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，帶動了汽車的發(fā)展，給世人在“行”上帶來了極大的便利，使得距離縮 小，人們的工作速度得以提高。無論在發(fā)達(dá)國家還是在發(fā)展中國家，對汽車的需求一直保持 持續(xù)增長。盡管已有發(fā)動機(jī)采用甲醇、乙醇、氫氣等作代用燃料，由于受到行駛距離和燃料 供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的限制，應(yīng)用范圍較小。 目前，汽油機(jī)和柴油機(jī)仍然是車輛的主要動力，隨 著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽油機(jī)技術(shù)和柴油機(jī)技術(shù)越來越靠近。汽油機(jī)正逐步采用柴油機(jī)中有 利于燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)措施；同樣，柴油機(jī)也在逐步采用汽油機(jī)中降低排放的技術(shù)措旌。隨 著汽車工業(yè)發(fā)展對車用內(nèi)燃機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放要求的不斷提高，渦輪增壓也逐漸成為 車用內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域最主要的發(fā)展方向之一【4 1 。在內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展歷程中渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用在提 高內(nèi)燃機(jī)的比功率和燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放等方面發(fā)揮了重要的作用，被譽(yù)為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史 上的第二個里程碑。據(jù)預(yù)測，今后我國汽車需求量將持續(xù)增長，2 0 0 0 年汽車需求量排在世 界第七位，2 0 1 0 將成為世界第三大汽車需求國。為了降低油耗和滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī) 的要求，車用增壓發(fā)動機(jī)越來越多，在歐洲等國，1 5 t 以上卡車幾乎全部采用增壓柴油機(jī)。 雖然，目前國內(nèi)車用增壓柴油機(jī)產(chǎn)量還不夠多，但隨著引進(jìn)機(jī)型的大量生產(chǎn)，我國車用增壓 發(fā)動機(jī)將會得到迅速發(fā)展。為了使增壓發(fā)動機(jī)更好地滿足汽車發(fā)展的需要，改善車用增壓發(fā) 動機(jī)性能的許多工作還有待進(jìn)一步開展。為了跟上世界發(fā)展潮流，我國應(yīng)積極開發(fā)研究渦輪 增壓系統(tǒng)1 1 4 i 。 1 1 1 渦輪增壓的現(xiàn)狀 自從本世紀(jì)初渦輪增壓發(fā)明以來，促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，改進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)的面貌。特別是 自7 0 年代渦輪增壓在車用發(fā)動機(jī)上得到推廣以后，更有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前已被世人 公認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展方向之一，迄今仍保持著方興未艾的發(fā)展勢頭。渦輪增壓是一項(xiàng)新技 術(shù)，幾十年的發(fā)展歷史有力地表明渦輪增壓是提高發(fā)動機(jī)功率和改善經(jīng)濟(jì)性的最有效的措 施，也足發(fā)動機(jī)強(qiáng)化的必然途徑，它已成為當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的重要方向。渦輪增壓是使柴油 機(jī)動力裝置降低成本、縮小體積、減輕重量最成功的方法。并且已經(jīng)證明，對于安裝尺寸受 爾j l 林業(yè)人學(xué)碩h ，。位論文 限制的用途如船舶、機(jī)車、卡車等是最受歡迎的。渦輪增壓在降低比油耗、減少噪聲以及高 原性能等方面勝過非增壓發(fā)動機(jī)1 5j 。 1 ) 渦輪增壓的需求 當(dāng)前，在中、重型車輛上已普遍選用柴油機(jī)作為動力。在西歐，轎車選用柴油機(jī)的比例 逐年上升，其中柴油機(jī)轎車市場占有率已達(dá)3 0 5 0 ?，F(xiàn)代柴油機(jī)已是高新技術(shù)產(chǎn)品的代 表之一，特別是像我國這樣一個城市入口密集、入均可使用資源少、污染重的大國，更應(yīng)重 視現(xiàn)代柴油機(jī)的研發(fā)?，F(xiàn)代柴油機(jī)具有節(jié)能、低污染的先天優(yōu)勢，能滿足日益嚴(yán)格的排放 法規(guī)要求，這得益于其普遍采用了渦輪增壓技術(shù)。通過采用渦輪增壓及渦輪增壓中冷技術(shù)可 提高氣缸充量容積效率，提高空燃比，大大增加功率：如功率保持不變，可降低廢氣煙度， 減少黑煙排放。同時提高了充量溫度，縮短了滯燃期，降低了燃燒噪聲。使重型柴油機(jī)n o x 降低8 0 ，微粒減少9 0 ，比油耗改善1 6 。目前，歐、美、日在重型柴油機(jī)上，已1 0 0 裝有增壓器，在中、小型柴油機(jī)上裝增壓器的比例達(dá)8 0 。國內(nèi)像一汽、東風(fēng)等大型柴油機(jī) 骨干企業(yè)都在致力采用、推廣渦輪增壓技術(shù)，不斷推出增壓型柴油機(jī)，但在轎車用柴油機(jī)及 相關(guān)增壓技術(shù)開發(fā)方面還未開展工作。國內(nèi)現(xiàn)有十余家渦輪增壓器制造廠，其中有美國蓋瑞 特在上海的獨(dú)資公司；英國霍爾塞特在無錫的控股公司，這兩家公司分別在國內(nèi)年產(chǎn)增壓器 1 5 萬余臺。此外還有遼寧東方增壓器公司；湖南江雁機(jī)械廠；山西大同天力增壓技術(shù)有限 公司；上柴增壓器公司：富源增壓器公司等。德國三k 公司，日本三菱公司等國外公司均 有意在中國建廠。無錫霍爾塞特公司主要給六缸機(jī)提供增壓器，占據(jù)國內(nèi)中、重柴油機(jī)總量 的7 0 以上。上海蓋瑞特公司主要給四缸機(jī)提供增壓器，占據(jù)國內(nèi)中、小柴油機(jī)總量的8 0 以上。國內(nèi)廠家大部分在走少量的配套，大量的配件發(fā)展道路。形成這種局面的原因主要在 于國外公司均有強(qiáng)大的技術(shù)支撐，其研發(fā)系統(tǒng)健全，產(chǎn)品更新快，適應(yīng)性強(qiáng)。無錫霍爾塞特 公司計劃近期在無錫建立其亞洲的技術(shù)研發(fā)中心，這說明國外公司除了在產(chǎn)品一k ，在技術(shù)上 也在向中國轉(zhuǎn)移。反觀國內(nèi)大部分廠家是以測繪、仿制及引進(jìn)生產(chǎn)許可證進(jìn)行生產(chǎn)，研發(fā)力 量薄弱，在加入w t o 后一段時期，將經(jīng)歷嚴(yán)峻的考驗(yàn)一i 。 2 ) 渦輪增壓的方法 發(fā)動機(jī)的增壓方法根據(jù)驅(qū)動增壓器所用能量來源的不同，一般分為三類：第一類是機(jī)械 增壓系統(tǒng)，增壓器由發(fā)動機(jī)曲軸通過齒輪( 或鏈條等) 直接驅(qū)動。第二類是廢氣渦輪增壓系統(tǒng)， 噌壓器是由發(fā)動機(jī)工作時排出的廢氣帶動的。第三類是復(fù)合增壓系統(tǒng)，即在發(fā)動機(jī)上，既采 e 日廢氣渦輪增壓器，又同時應(yīng)用機(jī)械驅(qū)動式增壓器。此外還有慣性增壓、氣波增壓等其他增 盯三方式。應(yīng)用在汽車發(fā)動機(jī)上的主要是廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。刑于機(jī)械增i ：，發(fā)動機(jī)自始至終 必須負(fù)擔(dān)機(jī)械式壓氣機(jī)帶來的損失，所以很少采用。而廢氣渦輪增壓裝置利蹋發(fā)動機(jī)排出廢 氣的能量驅(qū)動渦輪，再m 渦輪帶動離，f l , 式壓氣機(jī)就能達(dá)到增壓的目的。渦輪增壓器與發(fā)動機(jī) 一，一 電子輔助渦輪增托系統(tǒng)研究 只有氣體管路連接而無機(jī)械傳動，因此這種增壓方式比機(jī)械增壓結(jié)構(gòu)簡單，且不需要消耗功 率。 3 ) 廢氣渦輪增壓的優(yōu)點(diǎn) a 、在發(fā)動機(jī)重量及體積增加很少的情況下，發(fā)動機(jī)不需要作重大改變，即很容易提高 功率2 0 一5 0 。由于不象機(jī)械增壓時壓比受到限制，故近來高增壓的趨勢越來越明顯。高 增壓時功率提高甚至可大于1 0 0 。 b 、渦輪增壓由于回收了一部分廢氣能量，故增壓后發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性也會有明顯提高。一 般由于廢氣能量的回收能提高經(jīng)濟(jì)性3 一4 ，再加上相對地減少了機(jī)械損失及散熱損失， 提高了發(fā)動機(jī)機(jī)械效率和熱效率，使發(fā)動機(jī)渦輪增壓后油耗率可降低5 一1 0 。 c 、渦輪增壓發(fā)動機(jī)對海拔高度變化有較高的適應(yīng)能力，在高原地區(qū)工作時比不增壓發(fā) 動機(jī)功率下降要少的多，故渦輪增壓除了用來提高發(fā)動機(jī)功率外還常用作高原發(fā)動機(jī)恢復(fù) 功率。 d 、渦輪增壓后排氣噪聲相對減小，排氣煙度及排氣中有害成分也減少，故有利于減少 污染。 在增壓技術(shù)發(fā)展初期，由于渦輪增壓器結(jié)構(gòu)尚不完全可靠。效率也較低，故有些國家采 用機(jī)械增壓是可以理解的。但隨著渦輪增壓技術(shù)日趨成熟，必然會過渡到渦輪增壓上來，這 已被一些國家的演變情況所證實(shí)，且隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度的提高，機(jī)械增壓要消耗功率，壓 比受到一定的限制，也只有渦輪增壓才能滿足要求。經(jīng)過幾十年的實(shí)踐考驗(yàn)。近年來渦輪增 壓已發(fā)展成為一種主要的增壓方式，尤其在缸數(shù)多于4 、功率在3 0 千瓦以上的四沖程柴油 機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用1 1 鄂。 1 1 2 內(nèi)燃機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展 2 0 世紀(jì)6 0 年代開始，由于汽車保有量的迅速增加，汽車有害氣體和微粒的排放已超過 工業(yè)污染物的排放量而成為一大公害。各發(fā)達(dá)國家相繼制定了同益嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)。 1 9 7 3 年的石油危機(jī)，使人們認(rèn)識到自然資源的有限性與合理利用的必要性。所以排氣凈化 和節(jié)省能源是限制和推動汽車發(fā)展的兩大課題。傳統(tǒng)的機(jī)械化油器式汽油機(jī)受到了挑戰(zhàn)，為 了解決精確控制混合氣的空燃比，電控化油器和電子燃油噴射也就應(yīng)運(yùn)而生。多年來各種形 式的汽油機(jī)電控系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善。隨著單片機(jī)、存儲器的發(fā)展，使內(nèi)燃機(jī)電子控制的主 要任務(wù)也從單目標(biāo)以改善汽油機(jī)排放為主并可提高功率和降低油耗，而走向多目標(biāo)控制 即汽油機(jī)的綜合管理。以實(shí)現(xiàn)：電子燃油噴射控制、電子點(diǎn)火提前控制、廢氣再循環(huán)控 制、增壓器壓力控制以及內(nèi)燃機(jī)各： 況( 起動、怠速、全負(fù)荷、加速等) 控制等。電控系統(tǒng) 1 東北林業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文 的發(fā)展與現(xiàn)代控制理論和方法，大規(guī)模集成電路和傳感器的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起。電控內(nèi)燃 機(jī)一改內(nèi)燃機(jī)是典型的機(jī)械產(chǎn)品為機(jī)電一體化產(chǎn)品。2 0 世紀(jì)8 0 年代以來微電子技術(shù)的迅速 發(fā)展及其在汽油機(jī)電控方面的成功應(yīng)用，充分顯示出電控的靈活性和性能的優(yōu)越性。采用電 控可以改善駕駛性能，降低噪聲和振動，提供舒適、易操縱的行駛控制功能；可以借助于故 障顯示和自診斷功能改善車輛的安全性和維護(hù)保養(yǎng)的方便性；可以改善冷起動、穩(wěn)定息速和 良好的加速性等性能，從而推動和加速了柴油機(jī)電控的發(fā)展。 1 1 3 日益嚴(yán)格的環(huán)保要求 消除汽車保有量急劇增長對環(huán)境及能源利用的影響，是世界各國都必須面對的問題，最 有效的解決措施之一就是不斷嚴(yán)格排放法規(guī)和能源法規(guī)。9 0 年代以來排放法規(guī)日趨嚴(yán)格， 根據(jù)我國等效采用歐洲排放法規(guī)計劃，2 0 0 3 年執(zhí)行歐i i 標(biāo)準(zhǔn)，2 0 1 0 年與國際同步，要達(dá)到 上述標(biāo)準(zhǔn)，就要綜合應(yīng)用電子控制技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、廢氣增壓技術(shù)、排氣后處理技術(shù)等， 才能極大地提高內(nèi)燃機(jī)的綜合性能。一般來說在渦輪增壓技術(shù)上，有如下要求：歐i i 標(biāo)準(zhǔn)要 匹配良好的渦輪增壓器并帶放氣閥；歐i i i 標(biāo)準(zhǔn)要采用可變噴嘴( v g t ) 渦輪增壓器；歐i 標(biāo) 準(zhǔn)以上則要使用電控可變噴嘴( v g t ) 渦輪增壓器p ”。 1 1 4 渦輪增壓的發(fā)展趨勢： 渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展與增壓柴油機(jī)未來發(fā)展的要求密切相關(guān)，主要服從于未來的排放法 規(guī)要求和進(jìn)一步降低燃油消耗。渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)有更高的熱效率；在增壓系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的匹 配上有可能采用電子控制系統(tǒng)，使增壓系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)全工況內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳匹配，對 車用渦輪增壓器將要求尺寸更小，質(zhì)量更輕，效率更高，同時要求增壓器有良好的可靠性， 并可按發(fā)動機(jī)工況要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。 1 ) 常規(guī)渦輪增壓存在的問題 車用增壓柴油機(jī)，隨著增壓壓比的提高，低工況進(jìn)氣不足的問題尤顯突出，渦輪響應(yīng)滯 后不僅影響了加速性，還造成了車輛啟動時排放指標(biāo)的惡化，同時渦輪增壓器本身的性能及 可靠性也制約著渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前主要采取兩種辦法解決，一是采用新的增壓系統(tǒng)： 一是對增壓器本身進(jìn)行優(yōu)化。 2 ) 渦輪增壓系統(tǒng)的電控趨勢 a 、高工況放氣：足改善車用增壓柴油機(jī)低速工況的最常用措施，采用帶旁通閥的增壓 器，其原理是按增胍壓力要求通過螺旋彈簧預(yù)先胍緊橡膠膜片，一旦增壓壓力達(dá)到了彈簧的預(yù) 一d 一 電子輔助i 咼輪增樂系統(tǒng)研究 加負(fù)荷，放氣閥門就打開，使渦輪周圍的廢氣進(jìn)入排氣系統(tǒng)中。為了確保低速性能，放氣點(diǎn)一般 選在發(fā)動機(jī)最大扭矩點(diǎn)處，柴油機(jī)在高速工況工作時，通過旁通閥放出渦輪前的一部分廢氣， 以降低增壓器轉(zhuǎn)速和壓比來限制最大爆發(fā)壓力。這是國內(nèi)目前采用最多的方法，國外還采用 一種增壓壓力電子控制系統(tǒng)。同單純的由壓縮空氣操縱的、僅限制全負(fù)荷壓力的控制系統(tǒng)相 比，彈簧的預(yù)加負(fù)荷非常低，它按照增壓空氣溫度、點(diǎn)火提前角和燃油的特性等眾多參數(shù)來進(jìn) 行控制，允許最佳部分負(fù)荷增壓壓力的建立，在加速期間暫時的超高增壓也是允許的，其適應(yīng) 性更強(qiáng)【1 l 】。 b 、電動放氣渦輪增壓系統(tǒng)：美國特博達(dá)恩公司開發(fā)的電動放氣渦輪增壓系統(tǒng)主要用來 解決增壓柴油機(jī)渦輪滯后現(xiàn)象，其原理是把帶旁通閥增壓器的轉(zhuǎn)子部件總成和一臺電機(jī)相連 接，以便一且驅(qū)動渦輪的廢氣能量不足時用電機(jī)增力來提高加速時的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從低怠速達(dá)到 轉(zhuǎn)矩峰速，電機(jī)帶動增壓器轉(zhuǎn)動保證發(fā)動機(jī)的充氣量；當(dāng)渦輪增壓器轉(zhuǎn)子達(dá)到足以充分向發(fā)動 機(jī)充氣的速度時，電機(jī)與供電系統(tǒng)斷開。在高速工況，通過放氣閥放走多余的廢氣，以過剩的能 量轉(zhuǎn)換成電能，電機(jī)向電路回輸電流，通過合適的電子控制裝置，把電機(jī)中的電能分配給發(fā)動 機(jī)有用的方面。該系統(tǒng)可顯著改善發(fā)動機(jī)的低速特性，特別是啟動性能，大大減少車輛啟動時 的有害排放，消除渦輪滯后，改善油耗。 c 、增壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：是指順序增壓系統(tǒng)及兩級增壓系統(tǒng)，主要為了解決發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷特 性問題，可在降低燃油消耗的同時提高功率。在順序增壓系統(tǒng)中，通過轉(zhuǎn)換閥把多個增壓器并 聯(lián)起來，發(fā)動機(jī)低速時只有小增壓器在工作；中速時，j 、增壓器關(guān)閉，大增壓器打開；高速時，大、 小增壓器同時工作，以此實(shí)現(xiàn)低速時的高扭矩。與一般增壓發(fā)動機(jī)相比，采用順序增壓的發(fā)動 機(jī)，可使多臺增壓器都處于壓氣機(jī)最佳效率區(qū)，使發(fā)動機(jī)在不同工況范圍內(nèi)有不同的最佳配合 點(diǎn)。mtu 公司9 0 年代推出的5 9 5 系列柴油機(jī)把電子控制系統(tǒng)和相繼增壓結(jié)合起來，電子 控制系統(tǒng)的重要功能是控制相繼增壓系統(tǒng)增壓器的投入和斷開，并通過調(diào)控裝置調(diào)節(jié)中冷器 冷卻水溫度，使其隨負(fù)荷變化【6 j 。 d 、可變幾何截面渦輪增壓系統(tǒng)：是通過改變由轉(zhuǎn)速或質(zhì)量流量而確定的渦輪葉片角度， 可同時控制出導(dǎo)向葉片中通道寬度所決定的有效渦輪面積和轉(zhuǎn)子的燃?xì)膺M(jìn)口角，從而控制了 蝸輪的可用能量。當(dāng)發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，調(diào)節(jié)渦輪面積，改善徑流渦輪的廢氣能量利用程度； 高速時，由于增加了這些工作下的渦輪有效面積，不存在增壓器超速和發(fā)動機(jī)超壓的現(xiàn)象： 加速時，通過調(diào)節(jié)渦輪面積，也可以在短時間內(nèi)提供足夠的進(jìn)氣量，改善其加速性能。該系 統(tǒng)在歐、美、r 正得到廣泛的應(yīng)用，五十鈴6 wa 1 1 2l 柴油機(jī)即采用了可調(diào)渦輪噴嘴截面增 壓器，蓋瑞特公司、kkk 公司均研制了可調(diào)渦輪噴嘴截面增壓器?？ǖ侠斯驹趯ζ?b o c 3 8 l v 6 渦輪增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)行改造的時候，采用了電控可變幾何渦輪增壓方案，使得在 全部發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)增壓器具有非常寬廣的有效氣體流量范圍【”i 。 一5 一 爾北林業(yè)人學(xué)碩十學(xué)位論文 上述四種可變電子輔助渦輪增壓系統(tǒng)中，高工況放氣的渦輪增壓系統(tǒng)是解決渦輪增壓發(fā) 動機(jī)低速扭矩和瞬態(tài)響應(yīng)性能差的最簡單及成本最低的方案之一，目前在車用汽油機(jī)和小功 率車用柴油機(jī)上應(yīng)用較為廣泛，但對發(fā)動機(jī)低速性能的改善程度是有限的。變幾何截面渦輪 增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、需要較大的布置空間，但隨著多種綜合技術(shù)措施和變幾何截面渦輪 技術(shù)的發(fā)展，在中小功率柴油機(jī)、甚至在汽油機(jī)上也有取代高工況放氣方案的趨勢。建立控 制系統(tǒng)，把可變截面渦輪增壓系統(tǒng)與電子控制相結(jié)合，使變截面渦輪增壓器的調(diào)節(jié)與發(fā)動機(jī) 工況的變化相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，這在性能上是最為理想的，可使發(fā)動機(jī)在全工況范圍內(nèi) 與廢氣渦輪增壓器最佳匹配，從而達(dá)到發(fā)動機(jī)性能的全面優(yōu)化。電子輔助變截面渦輪增壓系 統(tǒng)，可充分利用柴油機(jī)的廢氣能量，在不改變高轉(zhuǎn)速性能的同時，改善低速性能，在增壓柴 油機(jī)全工況范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高發(fā)動機(jī)功率、改善扭矩特性、燃料經(jīng)濟(jì)性、加速性。電控 可變噴嘴渦輪增壓器已成為當(dāng)今世界渦輪增壓行業(yè)的最新發(fā)展趨勢。國內(nèi)還沒有大力研究， 無此類產(chǎn)品。歐、美、日等發(fā)達(dá)國家均已掌握該項(xiàng)技術(shù)，并有成熟產(chǎn)品供使用。吉林大學(xué)劉 巽均教授在點(diǎn)評第五界中國國際內(nèi)燃機(jī)展覽會時曾說，我國柴油機(jī)技術(shù)要與世界同步發(fā)展面 臨的技術(shù)突破之一就是可變噴嘴渦輪增壓系統(tǒng)的研制。因此，對該項(xiàng)技術(shù)的突破，也是國內(nèi) 行業(yè)努力方向之一【9 1 。 1 2 課題的目的意義及理論與技術(shù)經(jīng)濟(jì)價值 大功率柴油機(jī)無一例外地采用增壓技術(shù)，j 、功率柴油機(jī)也大量采用廢氣渦輪增壓。車用 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率變化范圍相當(dāng)大，而增壓( 尤其高增壓) 柴油機(jī)在外部負(fù)荷突變時的響應(yīng) 低，部分負(fù)荷性能變差，甚至啟動困難。因此增壓柴油機(jī)變工況和動態(tài)工況性能的研究尤為重 要，數(shù)值仿真技術(shù)隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展在各個領(lǐng)域得到了空前廣泛的應(yīng)用，對渦輪增 壓柴油機(jī)動態(tài)特性的仿真可全面地反映出增壓系統(tǒng)的特性，從而可省去多次試驗(yàn)及反復(fù)。另 外，在電控增壓柴油機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的初始階段，建立發(fā)動機(jī)模型并對其進(jìn)行仿真是非常重要 的環(huán)節(jié)。9 0 年代以來，國際控制界出現(xiàn)了功能強(qiáng)大的m a t l a b s i m u l i n k 仿真環(huán)境，該軟 件提供了豐富可靠的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、方便的w i n d o w s 編程等便利工具， 已成為最重要也是最有效的仿真手段之一p 7 1 。本文在s i m u l i n k 中建立了柴油機(jī)、增壓器 的動力學(xué)模型，并把它們連接起來進(jìn)行了電控可調(diào)噴嘴環(huán)開度增壓柴油機(jī)的動態(tài)仿真。利用 適當(dāng)簡化的數(shù)學(xué)模型建立起的增壓柴油機(jī)準(zhǔn)線性模型能滿足動態(tài)仿真的實(shí)時性要求。在 m a t l a b s i m u l i n k 環(huán)境下對渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)行動態(tài)仿真具有方便快捷等特點(diǎn)，仿真結(jié) 果對增壓系統(tǒng)，特別是電控柴油機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整有指導(dǎo)意義。為電控可變噴嘴渦輪增 壓系統(tǒng)的研制，提供理論和試驗(yàn)的依錒，證明電控可變噴嘴渦輪增壓系統(tǒng)是改善增壓發(fā)動機(jī) 一 一 i 乜子輔助渦輪增壓系統(tǒng)研究 性能的良好途徑。為電控可變噴嘴渦輪增壓發(fā)動機(jī)的應(yīng)用創(chuàng)造條件，以提高發(fā)動機(jī)性能，減 少環(huán)境的h 益惡化和能源的逐漸枯竭。 7 東北林業(yè)人學(xué)碩十學(xué)位論文 2 變截面可調(diào)渦輪增壓器 2 1 常規(guī)渦輪增壓發(fā)動機(jī)中存在的問題 常規(guī)渦輪增壓普遍存在著低速轉(zhuǎn)矩不足，瞬態(tài)響應(yīng)性差，加速冒煙，冷起動困難等缺陷。 這些問題的原因如下：渦輪增壓器和柴油機(jī)匹配時，由于活塞式發(fā)動機(jī)和葉片式增壓器的氣 體流通特性不同，它們只能在一定工作范圍內(nèi)有最佳的匹配性能。而車用柴油機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速 變化頻繁，在整個工作范圍內(nèi)，要求渦輪增壓器與柴油機(jī)有良好的匹配，對于常規(guī)內(nèi)燃機(jī)增 壓匹配點(diǎn)選在額定工況的發(fā)動機(jī)來說，是不可能的。當(dāng)發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速工作時，壓氣機(jī)提供 的增壓空氣的壓力降低，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量減少，空燃比失調(diào)，使發(fā)動機(jī)排放情況惡化，輸出轉(zhuǎn) 矩降低。如果渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)最佳匹配點(diǎn)選在低速工況以獲得大轉(zhuǎn)矩，則發(fā)動機(jī)在高速 工作時就有必要采取特殊措施以防止增壓器超速；如果最佳匹配點(diǎn)選在額定工況附近，則發(fā) 動機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時就有必要采取特殊措施，提高增壓比，增大發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量。另外，常規(guī)增 壓發(fā)動機(jī)同等功率的非增壓發(fā)動機(jī)相比，其瞬變響應(yīng)特性差，不能像自然吸氣發(fā)動機(jī)那樣對 轉(zhuǎn)速、負(fù)荷突然變化做出迅速響應(yīng)。這是由于增壓器與發(fā)動機(jī)沒有機(jī)械聯(lián)系，而是靠進(jìn)氣和 排氣聯(lián)系，在變工況時，壓力波傳遞需要一定時問，同時增壓器轉(zhuǎn)子存在時滯的問題，造成 發(fā)動機(jī)供油量與增壓器所提供的空氣量在瞬間不同步。于是，外界負(fù)荷變化時，雖然燃油的 供給量可以迅速增加，但進(jìn)入氣缸的空氣量不可能馬上增多，這導(dǎo)致燃油不能正常燃燒，發(fā) 動機(jī)排氣溫度，煙度均要增大。所以，和自然吸氣發(fā)動機(jī)相比，渦輪增壓發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng) 特性差。 2 2 變截面渦輪增壓器的優(yōu)點(diǎn)和工作原理 采用可變截面渦輪增壓的目的在于既保證發(fā)動機(jī)在低速時有較高的增壓壓力，從而有較 高的轉(zhuǎn)矩，又能保證發(fā)動機(jī)在額定工況點(diǎn)附近增壓壓力不至過高，以避免發(fā)動機(jī)過高的機(jī)械 負(fù)荷和渦輪增壓器的超速。通過渦輪增壓器的調(diào)節(jié)可改善增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配，從而達(dá)到 改善車用增壓發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的目的。不僅如此，采用可變截面渦輪增壓還可改善發(fā)動機(jī)部 分負(fù)荷時的性能和滿足高原地區(qū)發(fā)動機(jī)功率的恢復(fù)?？勺兘囟鴾u輪增壓與電子控制技術(shù)相結(jié) 合，則町實(shí)現(xiàn)金1 。況范剛內(nèi)發(fā)動機(jī)與增兒i 器的最佳匹眥，從而達(dá)到發(fā)動機(jī)性能的全面優(yōu)化。 8 電子輔助渦輪增壓系統(tǒng)研究 可變截面渦輪增壓是根據(jù)柴油機(jī)外部負(fù)荷的變化來改變噴嘴環(huán)葉片的角度，使進(jìn)入渦輪 葉片的氣流參數(shù)發(fā)生變化，通過渦輪焓降的變化實(shí)現(xiàn)渦輪功的變化，使壓氣機(jī)出1 3 的增壓壓 力發(fā)生變化，從而達(dá)到渦輪增壓器與柴油機(jī)在各工況下有良好的匹配。 在常規(guī)增壓發(fā)動機(jī)中，由于隨轉(zhuǎn)速的下降，壓氣機(jī)的增壓比會下降，于是造成進(jìn)氣不足。 要想保持壓氣機(jī)的增壓比不變，在壓氣機(jī)和渦輪的效率及機(jī)械效率變化不大時，渦輪膨脹比 應(yīng)保持不變。也就是隨著發(fā)動機(jī)廢氣排量的減少，減小渦輪流通截面，從麗實(shí)現(xiàn)研與死基 本不變，使發(fā)動機(jī)在整個工作范圍內(nèi)具有良好的性能。這一點(diǎn)可以從渦輪機(jī)的流量特性看出 來。圖2 1 是渦輪機(jī)的流量特性，可以看出，當(dāng)渦輪的流通截面不變時，隨著相對質(zhì)量流量 率的減少( 也即相對于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降) 膨脹比是逐漸下降的，但如果隨相對質(zhì)量流量率減 小，也即隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降而不斷減小渦輪流通截面a 的話( 從點(diǎn)3 到點(diǎn)1 ) ，可以實(shí)現(xiàn)坼 與玎。都保持不變，即采用可變截面渦輪增壓就可以達(dá)到調(diào)節(jié)的目的p ”。 相對 質(zhì)量 流量 爿2 4 ) 渦輪膨脹比 圖2 1 變截面渦輪增壓流量特性 2 3 變截面渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配的理論分析【1 】 變截面渦輪增壓是渦輪流通截面可以隨著發(fā)動機(jī)的工況變化而變化的增壓器。當(dāng)渦輪噴 嘴環(huán)處在某一個位置時，它就相當(dāng)于一個固定截面的渦輪，因此具有普通渦輪的流量特性和 效率特性。當(dāng)渦輪噴嘴環(huán)的角度改變時，渦輪的流通面積將發(fā)生變化，其流量特性和效率特 性將發(fā)生改變，理論上它可以與發(fā)動機(jī)在較寬廣的工況范圍內(nèi)保持良好的匹配，要實(shí)現(xiàn)這種 匹配的前提，必須確定在發(fā)動機(jī)不同工況下渦輪的最佳流通面積，對于可變噴嘴環(huán)葉片角度 的變截面渦輪增壓就是要確定最佳的噴嘴環(huán)葉片的轉(zhuǎn)角。 2 3 1 常規(guī)渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配 當(dāng)噴嘴環(huán)葉片處于某一位置時，變截面增壓渦輪的流量特性和效率特性與常規(guī)渦輪增壓 樣。常規(guī)渦輪增壓時，發(fā)動機(jī)與增壓器之問僅存在氣動聯(lián)系，發(fā)動機(jī)足往復(fù)式機(jī)械，而渦 9 自, - i l 林業(yè)大學(xué)碩十學(xué)位論文 輪增壓器是葉片式機(jī)械，這兩者的特性存在著本質(zhì)的差異，故匹配是比較復(fù)雜的。 總的說來，發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配有三個方而，即發(fā)動機(jī)與壓氣機(jī)的匹配、發(fā)動機(jī)與渦 輪的匹配和壓氣機(jī)與渦輪的匹配。 1 ) 發(fā)動機(jī)與壓氣機(jī)的匹配 發(fā)動機(jī)對壓氣機(jī)的要求是： a 壓氣機(jī)不但要達(dá)到預(yù)定的壓縮比，而且要具有高的效率。壓氣機(jī)的效率越高，在相同 的增壓壓力下，增壓后的空氣溫度就越低，得到的增壓空氣的密度就越高，增壓效果就越好。 b 不同用途的發(fā)動機(jī)對壓氣機(jī)特性的要求也是不同的，但是車用發(fā)動機(jī)由于轉(zhuǎn)速范圍 寬廣，就要求相應(yīng)的壓氣機(jī)特性具有寬廣的流量范圍，而且要有較寬的壓氣機(jī)高效率區(qū)。 將發(fā)動機(jī)的耗氣特性曲線與壓氣機(jī)特性相疊合就可以確定兩者匹配的好壞，判斷方法如 下： a 發(fā)動機(jī)的特性線應(yīng)穿過壓氣機(jī)的高效率區(qū)，而且最好使發(fā)動機(jī)的運(yùn)行線與壓氣機(jī)的高 效率的等效率圈相平行。對車用發(fā)動機(jī)則要求最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)正好位于壓氣機(jī)最高效率區(qū)附近。 b 發(fā)動機(jī)的耗氣特性線應(yīng)離開壓氣機(jī)喘振線有一定距離。如發(fā)動機(jī)耗氣特性線離喘振線 太近或相交，則在聯(lián)合工作時就有可能出現(xiàn)喘振。一般要求發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速的耗氣特性離開壓 氣機(jī)喘振線的距離也即所謂的喘振裕度約為10 的喘振流量。 2 1 發(fā)動機(jī)與渦輪的匹配 發(fā)動機(jī)對渦輪的要求是： a 在發(fā)動機(jī)整個運(yùn)行范圍內(nèi)渦輪具有較高的效率。由于徑流式渦輪本身具有較寬廣的 高效率區(qū)，加上在發(fā)動機(jī)按外特性工作時，渦輪效率變化較小。因此渦輪較易滿足這一要求。 b 渦輪要具有合適的流通能力，以保證提供給壓氣機(jī)所需要的功率。由于渦輪流通能力 的大小對匹配性能很敏感，所以發(fā)動機(jī)與渦輪匹配的好壞主要看渦輪流通能力的選擇是否合 適。對車用發(fā)動機(jī)應(yīng)同時將標(biāo)定點(diǎn)和最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的工況標(biāo)在渦輪流通特性上，在保證最大轉(zhuǎn) 矩點(diǎn)處有足夠的增壓壓力時，又不能使標(biāo)定點(diǎn)處的增壓器過度超速。在轉(zhuǎn)速十分寬廣的車用 發(fā)動機(jī)上往往這兩個要求不能同時兼顧，解決的一種辦法就是采用變截面渦輪增壓器。 3 ) j i 氣機(jī)與渦輪的匹配 壓氣機(jī)與渦輪的平衡條件為： a 轉(zhuǎn)速相等：渦輪與壓氣機(jī)是裝在同一根軸上的，因此渦輪的轉(zhuǎn)速與壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速相等。 b 流量連續(xù)：當(dāng)管道無泄漏時通過渦輪的燃?xì)赓|(zhì)量流量應(yīng)等于壓氣機(jī)流量與燃料質(zhì)量流 量之和。 c 功率，l 衡：在增壓器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)j ，渦輪的輸功率應(yīng)等于1 ! 氣機(jī)消耗的功率及機(jī)械損 1 0 電子輔助渦輪增壓系統(tǒng)研究 失功率之和。 4 1 發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配 要充分表明發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配情況，需要在壓氣機(jī)特性與發(fā)動機(jī)耗氣特性的迭加圖 上再標(biāo)出t ，( 渦輪前廢氣溫度) 線，只有這樣才能確定具體匹配時所達(dá)到的值。在發(fā)動 機(jī)與增壓器的匹配中，除了上述發(fā)動機(jī)與渦輪、壓氣機(jī)特性的匹配外，增壓器的總效率，7 。起 著重要作用。 從增壓器的總效率公式可以推出： 磚“叫_ 1 1 1 2 薏等( 1 一專) ( 2 _ 1 ) q 腳o 玎； 式中e 和可分別是渦前溫度和壓前溫度，叩。是增壓器總效率，當(dāng)弓，t ，以及渦輪和 壓氣機(jī)的流量一定時，對應(yīng)一個，就有個石，。當(dāng)渦前溫度一定時，材。越高則對應(yīng)于 的研的值就越低，從而發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣壓差越高，有利于進(jìn)行良好的掃氣，表示流過 渦輪的質(zhì)量流量，q 。表示流過壓氣機(jī)的質(zhì)量流量。當(dāng)增壓器總效率，7 硭高時，如上所述，進(jìn) 排氣壓差就大，其結(jié)果是增大了流經(jīng)發(fā)動機(jī)的空氣流量，提高了容積效率，由于泵吸正功加 大，還可稍微提高發(fā)動機(jī)的功率和相應(yīng)改善油耗指標(biāo)。 5 ) 變截面渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配要求 在采用變截面渦輪增壓器后，渦輪與發(fā)動機(jī)的匹配具有一個比較大的范圍，可以同時滿 足發(fā)動機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和標(biāo)定工況點(diǎn)都具有合適的流通能力。由于變截面渦輪增壓器具有流 通截面可變的特點(diǎn)，對變截面渦輪增壓器渦輪的要求如下： a 變截面渦輪增壓器渦輪的效率特性曲線的高效率區(qū)要盡量平坦和寬廣，使渦輪改變截 面后仍然具有較高的渦輪效率，也就是渦輪的效率不要下降太多。 b 變截面渦輪增壓器渦輪的流量特性曲線的工作段要盡可能平緩，以使同一膨脹比變化 幅度下渦輪有更寬廣的流量范圍。 c 要保證變截面渦輪增壓器渦輪有足夠的流量范圍。也就是渦輪的最大流通特性要大于 發(fā)動機(jī)的最大耗氣特性，同時渦輪的最小流通特性要小于最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的耗氣特 性。并且盡量保持比較高的效率，這樣才能通過減小渦輪截面來提高加速響應(yīng)性。 在變截面渦輪增壓的調(diào)節(jié)中，當(dāng)渦輪的截面減小時渦輪的膨脹比上升。將使增壓器轉(zhuǎn)速 上升，這樣將使增壓比上升。出于渦輪效率隨著可變截面的減小將有所下降，所以增壓比的 上升幅度比膨脹比的幅度要小。 , 4 i j i s 林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 2 噴嘴環(huán)出口面積與噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系 當(dāng)噴嘴環(huán)葉片的葉型確定以后，噴嘴環(huán)的出口面積與噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系就是一 一對應(yīng)的關(guān)系。噴嘴環(huán)的出口面積為：a 。= d xb 。n ，其中，d 為噴嘴葉片問垂直距離，b 。為 葉片寬度，n 為葉片數(shù)目。當(dāng)噴嘴環(huán)葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定以后，可以看出噴嘴環(huán)的葉片角度 和d 具有一個確定的函數(shù)關(guān)系。也就是噴嘴環(huán)葉片角度和噴嘴環(huán)出口面積具有一個確定的函 數(shù)關(guān)系，當(dāng)知道a 。后，就可以反算出葉片的轉(zhuǎn)角值a ，。下面是如何確定a 。 2 3 3 噴嘴環(huán)出口面積與增壓器和發(fā)動機(jī)參數(shù)的關(guān)系 渦輪的相似流量計算公式： 巧 q m t 。1 一。胛 p r a = 爿。a r 隔 壓孓麗 上式中：旦；【1 + p 坼雩一1 ) 】古 p 2 h 。= 南b 珊一審i k r - 1 ， 瓦；。蚧j d 2 22 d 。2 ： m ：厄瓦= 了 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式r i ，：c i ，。旦c o s o t ls j n 口：，c 。= ，取k = o 9 4 ，“，；型籌堡，為流量系數(shù)，a 為當(dāng)量 0 u d 面積，吩為級膨脹比，= 吾，只為渦輪葉輪出口壓力。p l , p ：分別為噴嘴環(huán)出口和葉輪出 l j 燃?xì)饷芏?，其中p 為反動度；a 。為噴嘴環(huán)山面積；a ，為葉輪f i 口喉門面積；h 。r 為渦 輪級等熵焓降，瓦為渦輪葉輪出口比甫徑，d ：。為渦輪”i 輪：1 口平均贏徑，d ：為葉輪出口 i 2 們 d 們 協(xié) 弦 沼 協(xié) l b l 二輔助渦輪增壓系統(tǒng)研究 外徑，d 。為渦輪葉輪出口輪轂直徑，m 為葉輪進(jìn)口相對速度，c ，。為葉輪進(jìn)口速度圓周分速 度，“。為渦輪圓周速度，d ，為葉輪入口直徑，c 。為葉輪進(jìn)口速度徑向分速度， c ”2c 1s i n c i 為葉輪進(jìn)口絕對速度，c - 。上c o s a l ，所以c l r2 - - c 鑫乞，s i h a l i a l 為噴嘴環(huán)出口 葉片角。 由以上可以看出，當(dāng)渦輪增壓器已經(jīng)選定后，對于設(shè)計工況，渦輪的反動度p 也是確定 的，當(dāng)已知了q m r , 巧，n 。，一時，就可以通過式( 2 2 ) 求出當(dāng)量面積，然后由( 2 - 3 ) 式可 以得出渦輪噴嘴環(huán)出m i c r a ，然后再由噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)角和噴嘴環(huán)出口面積的關(guān)系就可以 確定渦輪噴嘴環(huán)的轉(zhuǎn)角值。 2 3 4 葉輪的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)各參數(shù)的關(guān)系 葉輪轉(zhuǎn)速：n n 。6 。麥x 1 0 3 ( i n ) 上式中：“，= ( 2 8 ) ( 2 9 ) 即南r 瓶i k f - 1 1 ) ( ) ( 2 - 1 0 ) d ：。為壓氣機(jī)葉輪出口直徑，u 2 為壓氣機(jī)葉輪出口圓周速度，h c 為壓氣機(jī)的壓頭系數(shù)， 當(dāng)壓氣機(jī)選定以后，壓頭系數(shù)就確定了，h 。為壓氣機(jī)絕熱功，五為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度，互一l 。 由以上可知，要計算壓氣機(jī)消耗的功，還需要知道增壓比鞏。 2 3 5 渦輪質(zhì)量流量、渦前溫度、膨脹比和增壓比的計算過程 充入氣缸的空氣體積流量： q ：! 墜墜v 3 0 r ( 2 1 1 ) 式中：充量系數(shù)以在0 9 1 0 5 問選擇，n 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速( r m i n ) ，f 為氣缸數(shù)，v ，為氣缸工作容 積，f 為沖程數(shù)。 又根據(jù)燃油消耗量占( ) 計算充入氣缸的空氣質(zhì)量流墾 ，j 3 一 東北林業(yè)人學(xué)碩十學(xué)位淪丈 驢麗b o 1 ( 2 ) 弦蚴 式中：丸為過量空氣系數(shù)，l ?；瘜W(xué)計量空燃比，對于柴汕機(jī)f 。；1 4 3 則充入氣缸的空氣的密度： 臚靜= 麗b c j l o r n t v2 1 , 1 ( m ，1 協(xié) 吼j 眈o j 7 限據(jù)理想氣體狀態(tài)方程： 彤驢聃觀萬1 婚l 釓。盎1 ( 3 1 協(xié) p 4 n d 、 由以上兩式得： 兒- n i v 盟墜 ( 2 1 5 ) 4 , q o , x 1 2 0 x 1 0 6 ( m p a ) 由于中冷器與進(jìn)氣管道的影響，壓氣機(jī)所提供的空氣1 1 i , 2 p 。應(yīng)高于氣缸內(nèi)的空氣壓力p 。， p 。= p 。+ p 。+ p ，。( m ) ( 2 - 1 6 ) p 。為進(jìn)氣管道損失，p 。s 1 4 7 1 x 1 0 3 p a p 。為中冷器損失，p 。s3 4 3 3 x 1 0 3 p a 醫(yī)氣機(jī)的壓比： 萬。；一p c ( 2 1 7 ) p l 上式中，p 。為壓氣機(jī)進(jìn)口空氣壓力 ( m p a ) 。 醫(yī)氣機(jī)出口的溫度： = 瓦甚_ 1 ) + 】 p 蝴 式中，瓦為壓氣機(jī)進(jìn)i ：= 】空氣溫度，當(dāng)壓氣機(jī)選定后叩c ，在定的工況下就是確定的，可以通過提 哄的，i i i 曲線確定。當(dāng)沒有中冷器的時候，柴油機(jī)氣缸的進(jìn)氣溫度和壓氣機(jī)出口的溫度相等， 叩= 乙。 井c 過渦輪的燃?xì)獾牧髁浚?q 。r = q 。6 + q 。 ( 2 - 1 9 ) 上式中，q 。為燃油流量。考慮到內(nèi)燃機(jī)的掃氣的需要，壓氣機(jī)的供氣量口。= 丸，啦為 臼氣系數(shù)，對于四沖程柴汕機(jī)，丸= 1 1 - 1 4 。 以上的過程可以看到，只需要知道q 。，丸，丸，叮。，然后知道環(huán)境參數(shù)，就可以計算h 扎7 ，“ 。 電子輔助泓輪增壓系統(tǒng)研究 f 向是計算0 ，r 的過程： 在定壓系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)排氣總管中的平均溫度即為渦輪前的燃?xì)馄骄鶞囟取Ｒ虼?，可?內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的熱平衡方程中求算渦輪前的燃?xì)馄骄鶞箿囟惹桑ぷ餮h(huán)中加入的熱 量為燃料的化學(xué)能口，6 h 。及吸入增壓空氣的熱焓q ，。c ，；放出的熱量有內(nèi)燃機(jī)的指示功率 p ，、傳給冷卻水的熱量嘰q 。h 。、排氣帶走的熱量，c ，耳。 根據(jù)加入的熱量等于放出的熱量： 口，6 日。+ 口，。c t 一3 6 x 1 0 3 p f + q w q m h 。+ 口。r c 一巧 ( 2 2 0 ) ；一：堅(jiān)二! ! 塑堂堡! 竺壘墨二! ：! ! ! ! ：堡( 2 - 2 1 ) ；，= 一 q 。t c f 式中：q 。，口。，日，等質(zhì)量流量均以哆為單位；日。為燃油低熱值，柴油h 。= 4 3 9 5 3 ( ) ； q w 冷卻水帶走的熱量損