蝶阀在可调二级增压柴油机中的调节特性计算研究

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1、蝶阀在可调二级增压柴油机中的调节特性计算研究0概述可调二级增压系统是近年来提出的一种新的柴油机增压系统。该系统具有高低两级涡轮增压器，通过调节排气能量在两级涡轮中的分配实现了增压系统的可调节，解决了高平均有效压力涡轮增压柴油机与高低工况无法兼顾的矛盾。增压系统的可调是通过调节与高压级涡轮并联的旁通阀门来实现的，合理的旁通阀门调节规律可以实现柴油机的全工况优化运行，也是可调二级增压系统设计的重点。通过台架试验确定旁通阀的调节规律在时间上和成本上耗费巨大，因此基本上在系统定型阶段才应用试验方法。仿真计算方

2、法能够揭示柴油机与增压系统之间的耦合关系，具有耗时少、成本低的特点，在柴油机工程的选型匹配阶段和方案初定阶段得到大量应用。另一方面，由于可调二级增压计算模型的关键是调节阀的数字化建模，应用现有商业软件（如GT-POWER等）只能在模块库中寻找与调节阀相近的模块使用，精度上和自由度上均有所欠缺，所以本文在Matlab/Simulink环境下建立了基于平均参数法的可调二级增压柴油机模型，包括柴油机本体模型、涡轮增压器模型和调节阀模型。应用该平均参数模型，可以对可调二级增压系统的性能做出预测，并对不同的旁通

3、阀控制策略进行比较和评价。1柴油机可调二级增压系统图1为可调二级增压系统示意图。通过在二级增压系统中高压级———————————————————————————————————————————————较小的涡轮旁并联一个旁通调节阀实现了对增压系统的可调控制。低速时旁通阀关闭，排气首先通过当量面积较小的高压级涡轮快速建立起增压压力，实现了低速大转矩；同时，高压级涡轮较小的转动惯量也使得柴油机加速性能较好。排气通过高压级后继续在低压级膨胀，低压级压气机对进气进行预压缩提高了总增压比。随着转速升高，旁通阀逐

4、渐打开，一部分排气不通过高压级涡轮而直接在低压级涡轮中膨胀，相当于提高了排气端的总涡轮当量面积，降低了排气背压，改善了柴油机的经济性。高增压比也提供了高功率密度和高EGR率的可能性。可调二级增压系统的旁通阀既可以利用废气放气阀形式，也可以应用蝶阀形式。这是因为现代增压器的涡轮基本上均带有内置放气阀，所以废气放气阀形式的旁通阀可以利用现有的高压级涡轮上的内置放气阀作为旁通阀，但这种放气阀的调节能力较小，无法满足可调二级增压系统的要求，如加大放气阀则需要重新设计涡轮或涡轮与排气管的连接法兰等，因此不利于应

5、用现有的涡轮增压器。由于成本高，本文选择流阻小、调节能力强、控制方便的蝶阀作为二级增压的调节阀。2涡轮增压柴油机的平均参数模型柴油机的平均参数模型宏观上将柴油机的缸内燃烧做功过程、进排气流动过程、涡轮增压器的膨胀和压缩过程，以及可调二级增压系统特有的阀门对流量的调节过程通过一系列微分方程式和代数方程式来描述。通过求解方程，平均参数模型能够在一定精度的基础上快速揭示出涡轮增压柴油机各参数之间的联系。这些方程式有些是经过———————————————————————————————————————————

6、————守恒定律推导得来，有些是将试验数据和经验归纳拟合得到，下面将对其做出详细说明。2.1柴油机本体模型式中，A为温升因子，在空燃比α大于一定值后基本保持不变，在α较小的范围内由于燃烧不充分，A值随α下降而减小。2.2进排气系统管路的容积模型应用容积法建立进排气管的热力学模型，忽略进排气管中气体的脉动和分布不均匀性，认为各容积中的气体具有相同的热力学性质。控制容积内能量守恒方程为：式中，V为管路控制容积的体积；MV为容积内气体的质量；CV为等压比热容；TV为容积内的温度，由于容积内的均匀性假设，因此

7、可以得到Tout=TV。2.3涡轮增压器模型高温排气在涡轮中膨胀并输出轴功，可以通过将涡轮增压器等效成喷嘴的方法计算涡轮功，具体方程式为：2.4蝶阀的数字化建模如图2所示，蝶阀等效为一节流元件，可压缩流体流经蝶阀的理想流量可以通过求解伯努利方程得到，已知阀门前和流束最小截面处的压比p1/p0，以及阀门前截面积和最小截面处面积的比A1/A0就能得到流经阀门的流量。但流体流经阀门是典型的不可逆流动，最小截面处的实际流速小于计算值，存在不可逆损失；另一方面，因流束的收缩效应以及流动的惯性影响，实际流束的截面

8、积A0———————————————————————————————————————————————要小于喉口面积A'0，存在面积收缩系数。在实际应用中，对不可逆损失和面积收缩系数的确定比较困难，而且p1、p0的采测点位置也将对最终结果产生极大影响，并且p0并不是流过阀门的流体的最终稳定压力，所以很难直接求解伯努利方程得到流经蝶阀的气体流量。本文将采用一种基于试验的流量系数法来描述阀门的流通能力，其形式为：式中，QV为当阀门两端压力损失为0.1M