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 带废气调节阀的可变几何涡轮增压器性能试验研究

摘 要:基于增压器性能试验台,对带废气调节阀的可变几何截面涡轮增压器(VGT)进行性能试验,得到不同VGT叶片开度的涡轮流通特性、废气调节阀调节特性及压气机流量特性曲线。结果表明,随着VGT叶片开度的增大,涡轮流通能力增大;废气调节阀在开启角度5°~15°调节时,涡轮增压器转速迅速下降,调节能力较强,但开启角度超过20°时转速基本不变,其调节能力达到极限;压气机最大折合流量达到0.31kg/s,最高压比达

关键字:VGT 废气调节阀 压气机 性能


1 前言

可变几何涡轮增压器(VGT)通过调节装置调节涡轮等效流通截面,能够兼顾发动机的高速和低速性能,与发动机保持合理匹配,已在发达国家得到广泛应用。尽管VGT具有增压效率高、较好解决涡轮迟滞问题及较高的变海拔适应能力等优点,但是受VGT增压比(小于4)的限制,其对柴油机的高原功率恢复能力不及两级涡轮增压器。因此,为了满足柴油机变海拔高压比、宽流量的需求,本文在增压器试验台上对设计的带废气调节阀的VGT进行试验,研究其涡轮流通特性、压气机流量特性和废气调节阀调节特性。

2 试验系统和试验方法

2.1 试验系统

试验是在某公司增压器综合试验台上进行的,该试验台能够自动控制涡轮增压器的试验,是目前世界上最先进、精度最高的增压器综合性能试验台。

2.2 带废气调节阀的VGT结构特点

带废气调节阀的VGT三维模型如图1所示。废气调节阀集成在VGT涡轮壳体上,VGT叶片和废气调节阀的电动调节机构均通过支架安装在增压器壳体上。

VGT叶片旋转角度调节范围为36.5°-77.9°(即31.4°),对应叶片开度为100%-0。叶片开度由电动执行器调节。

(a)外形图(b)剖面图

图1 带废气调节阀的VGT三维模型图

废气调节阀采用绕轴旋转开启式阀门结构,阀孔直径为23mm。

带废气调节阀的VGT主要结构参数如表1所列。

表1 带废气调节阀的VGT主要结构参数

2.3 试验方法

a.VGT叶片开度调节方法

将叶片开度调至全关(叶片初始位置为全开,开度100%)位置,然后按20%、40%、60%、80%、100%的开度依次调节。

b.压气机性能试验方法

将废气调节阀置于全关位置,依据《GBT23341.2—2009涡轮增压器第2部分:试验方法》进行压气机性能试验。试验转速为60000r/min、80000r/min、100000r/min、110000r/min、120000r/min;每条转速线均从喘振点到堵塞流量选7个测量点逐点测量。

c.涡轮机性能试验方法

试验时,每条等涡轮相似转速线均从小流量点到最大相似流量点逐点测量,其中最小相似流量点与最大相似流量点分别对应压气机喘振点和阻塞点。依次对VGT叶片开度为20%、40%、60%、80%、100%时进行涡轮机性能试验。

d.废气调节阀调节特性试验

将VGT叶片开度设置在80%的位置,调节阀闭合时调节涡轮转速为80000r/min,以5°为间隔,依次增大废气调节阀开启角度,进行试验。

3 试验结果与分析

3.1 涡轮机性能试验结果与分析

涡轮机性能主要由涡轮定熵效率、膨胀比、气体流量和涡轮转速等参数表示。涡轮机性能曲线表示了在各种工况下涡轮主要工作参数的变化关系,是确定涡轮与发动机匹配合理与否的重要依据。图2和图3分别为VGT叶片不同开度下涡轮流量特性和效率特性曲线。

图2 不同VGT叶片开度下涡轮流量特性曲线

图3 不同VGT叶片开度下涡轮效率特性曲线

从图2可以看出,涡轮相似流量范围为13.0-38.5kgK1/2/s/MPa,膨胀比范围为1.26-3.60。VGT叶片处于20%开度时的涡轮流通能力与60%以上开度相比明显降低,且20%-60%开度之间的涡轮流通能力增量远大于60%-100%开度之间的增量。在膨胀比为2.5时,20%开度的相似流量(17.2kgK1/2/s/MPa)仅为60%开度(32.5kgK1/2/s/MPa)的53%,而60%开度的相似流量为100%开度(38.0kgK1/2/s/MPa)的22%;20%、40%、60%、80%与100%开度相比的相似流量差值依次减小,分别为8.8、6.5、3.6、3.6。

从图3可以看出,涡轮最高效率为70%,其中20%-80%开度下的涡轮效率在不同速比的情况下相差较小,而100%开度下的涡轮效率明显偏低,最大效率仅为45%。这表明该款增压器在涡轮叶轮参数不变的情况下,喷嘴环叶片开度从20%-80%开度调节时,涡轮效率较高;而当喷嘴环叶片达100%时涡轮效率降低,其原因是此时已超出最佳调节范围,使涡轮反动度下降,效率下降。因此,该增压器与柴油机匹配时喷嘴环叶片最佳开度应设置在20%-80%之间。

3.2 废气调节阀调节特性试验结果与分析

图4为VGT叶片开度80%、涡轮转速为80000r/min时,两次试验得到的涡轮转速随废气调节阀开度的变化曲线。由图4可以看出,随着废气调节阀开度的增大,涡轮机转速逐渐下降。废气调节阀开度由完全关闭到开启20°时,涡轮转速由初始的80000r/min逐渐下降到70000r/min,再继续增大废气调节阀开度,涡轮转速基本不变,说明废气调节阀开启20°时,流量已达到最大。同时,废气调节阀由5°开启到15°时,涡轮转速下降迅速,表明此范围内调节能力较强,因此在制定调节阀调节策略时,应采取小步长调节。

图4 废气调节阀调节特性曲线

3.3 压气机性能试验结果与分析

图5和图6分别为废气调节阀完全关闭、不同喷嘴环叶片开度下压气机压比特性和效率特性曲线。可知,压气机的流量范围在0.05-0.31kg/s之间,压比在1.22-2.98之间;不同转速、不同叶片开度压气机最高效率均在70%以上,最高达75%。除不同转速对应的最大流量点和60000r/min对应的最小流量点外,其它流量对应的压气机效率都在62%以上。

图5 压气机压比特性曲线

图6 压气机效率特性曲线

图7为压气机流量特性曲线。可以看出,压气机高效率圈呈封闭的椭圆形,处于压气机流量特性图的中间位置,远离喘振线;压气机74%高效率圈很大,对应的压比范围1.51-2.15、流量范围0.13-0.21kg/s;压气机特性线很陡,进气流量在0.08-0.20kg/s之间时,压气机特性线斜率接近于1,这对提高柴油机低速动力性能十分有利。

图7 压气机流量特性曲线

4 结束语

a.废气调节阀全关时,随着VGT叶片开度的增大,涡轮相似流量依次增大,但差值依次减小。涡轮相似流量在13.0-38.5kgK1/2/s/MPa之间,对应的膨胀比为1.26-3.6,最高效率达到70%。

b.随着废气调节阀开度的增大,涡轮转速逐渐下降,废气调节阀开启角度达到20°时,流通能力达到最大。

c.压气机的流量范围为0.05-0.31kg/s,压比在1.22-2.98之间变化,压气机74%高效率圈很大,对应的压比范围为1.51-2.15、流量范围为0.13-0.21kg/s。

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