可变喷嘴涡轮增压器教学提纲

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1、可变喷嘴可变喷嘴(pnzu)(pnzu)涡涡轮增压器轮增压器17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第一页，共56页。第第1 1节涡轮增压器组成结构节涡轮增压器组成结构(jigu)(jigu)第第2 2节可变喷嘴涡轮增压器节可变喷嘴涡轮增压器(VNT)(VNT)目目 录录17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第二页，共56页。1.1.涡轮增压器组成涡轮增压器组成(z chn)(z chn)结构结构废气涡轮增压器主要是利用发动机排出的废气驱动涡轮，同时带动(didng)同轴的压气机高速旋转，压缩空气并将其送入进气歧管，从而增大进气密度。近年来，涡轮增压器在车用柴

2、油机上应用已越来越普遍，其最大的特点是可大大改善发动机的燃油经济性，提高动力性，在一定程度上改善排放性。17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第三页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构图1-1径流式涡轮增压器结构及工作(gngzu)原理第四页，共56页。u涡轮增压器主要由压气机和涡轮两大部分组成涡轮增压器主要由压气机和涡轮两大部分组成u压气机主要由压气机工作轮（叶轮）、扩压器、压压气机主要由压气机工作轮（叶轮）、扩压器、压气机蜗壳组成。气机蜗壳组成。u涡轮主要由进排气壳

3、、喷嘴环、工作轮组成。涡轮主要由进排气壳、喷嘴环、工作轮组成。u此外还有转轴、轴承此外还有转轴、轴承(zhuchng)、密封与隔热装、密封与隔热装置等置等1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第五页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构第六页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构第七页，共56

4、页。1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007全全浮浮动动轴轴承承(zhuchng)截截面面示示意意图图第八页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构图1-2 离心式压气机结构(jigu)示意图1进气道 2压气机叶轮(yln) 3压气机蜗壳 4扩压器图1-3 变截面蜗壳第九页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z c

5、hn)结结构构压气机蜗壳按流道沿圆周变化与否，可分为变截面蜗壳和等截面蜗壳。变截面蜗壳的截面面积沿圆周方向(fngxing)逐渐变大，符合越接近出口收集的空气越多这一规律。因此，流动损失小，效率高。其最大的特点是外形尺寸小，对缩小涡轮增压器的尺寸有利，其结构形式如图1-3所示。等截面蜗壳的流道截面是不变化的，其流动损失大，效率低，目前已很少使用。第十页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构图1-4 压气机叶轮(yln)的结构形式a) 开式 b) 半开式 c）闭式 d) 星形第十一页，共56

6、页。压气机叶轮(yln)是压气机中唯一对空气做功的部件，它将在同一转轴上涡轮提供的机械能转变为空气的压力能和动能，压气机叶轮(yln)分为导风轮和工作叶轮(yln)两部分。中小型涡轮增压器将两者铸造成一体，大型涡轮增压器则是将两者装配在一起。导风轮是叶轮(yln)入口的轴向部分，叶片入口向旋转方向前倾，直径越大处前倾越多，其作用是使气流以尽量小的撞击进入叶轮(yln)。根据叶轮(yln)轮盘的结构形式不同，压气机叶轮(yln)可分为开式、半开式、闭式、星形等形式。开式叶轮(yln)没有轮盘，流动损失大，叶轮(yln)效率低，且叶片刚性差，易振动。闭式叶轮(yln)既有轮盘又有轮盖，流道封闭，流

7、动损失小，叶轮(yln)效率高，但结构复杂，制造困难。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构第十二页，共56页。1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007半开式叶轮只有轮盘，没有轮盖，其性能介于开式和闭式之间。但其结构较简单，制造方便，且强度和刚度都较高，在涡轮增压器中应用广泛。星形叶轮是在半开式叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块，减轻了叶轮质量，从而减小了叶轮应力，并保持一定的刚度，因此能承受很高的转速，多在小型涡

8、轮增压器中应用。按叶片的长短，压气机叶轮还可分为全长叶片叶轮和长短叶片叶轮。全长叶片叶轮进口流动损失小，效率高，但对于(duy)小直径叶轮，进口处气流阻塞较为严重。因此，小型涡轮增压器中多采用长短叶片叶轮，图1-4是几种典型的压气机结构。第十三页，共56页。根据叶片沿径网的弯曲形式，压气机叶轮又可分为前弯叶片叶轮、后弯叶片叶轮和径向叶片叶轮等。前弯叶片叶轮的叶片沿径向向旋转方向弯曲，这种叶轮对空气的做功能力最大，但其做功主要是增加了空气的动能，对压力能却提高较少，这就要求空气的动能更多地要在扩压器和蜗壳中转化为压力能。因为(yn wi)扩压器和蜗壳的效率比叶轮低，因此导致压气机整体效率降低，故

9、涡轮增压器中不采用这种叶轮。径向叶片叶轮的叶片径向分布，不弯曲。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构第十四页，共56页。径向叶片叶轮的叶片径向分布，不弯曲。这种叶轮的压气机效率比前弯叶片高，比后弯叶片的低，由于其强度和刚度最好，能承受较高的圆周速度(sd)，从而在增压比较低的涡轮增压器中得到较多应用。后弯叶片叶轮的叶片沿逆旋转方向弯曲，虽然它的作功能力小，但空气压力的提高大部分是在叶轮内完成的。这种叶轮由于压气效率高，应用也较多。前倾后弯式叶轮(也称后掠式叶轮)，如下图所示，其叶片沿径向后弯的同时还

10、向旋转方向前倾，这种叶轮不仅压气机效率高，而且高效率范围宽广，近年来在车用柴油机涡轮增压器上受到了重视和应用。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构第十五页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构前倾后弯式叶轮(yln)第十六页，共56页。扩压器的作用是将从压气机叶轮出口流出的高速空气进一步减速增压，以实现动能向压力能的转变。扩压器的效率是动能实际转化为压力能的转化量和没有任何流动损失的定墒过程动能

11、转化为压力能的转化量之比。扩压器效率的高低对压气机的整体效率有重要的影响，按结构形式(xngsh)的不同，可将扩压器分为无叶扩压器和叶片扩压器两种。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072 2 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构第十七页，共56页。 无叶扩压器实际上是一个环形通道。气流在扩压器中的轨迹近似是一对数螺旋线。即气流流动的痕迹在任意直径处与切线的夹角基本不变。正因为如此，空气的流动路线长，从而损耗大，效率低，扩压器出口容量小，在出口具有相同容量的条件下，效率要比叶片扩压器低。但无叶扩压器的流量范围(fnwi)宽，结构简单，易于制造，在经

12、常变工况运行的小型涡轮增压器上使用广泛1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第十八页，共56页。u叶片扩压器是在环形通道上加上若干导向叶片，使气流沿叶片通道流动。叶片扩压器根据叶片形状不同又可分为平板形叶片扩压器和机翼形叶片扩压器。由于气流的流动路线短，流动损失小，故效率高。由于叶片构造角沿径向增大，使气流的流通面积迅速增大，因此扩压能力(nngl)大。但当流量偏离设计工况，叶片入口气流角不等于叶片构造角时，将产生撞击损失，使效率急剧下降。在工况范围变化不大的大中型涡轮增压器上，常采用无叶扩压器和叶片

13、扩压器的组合形式。气流先经过无叶扩压器，再进入叶片扩压器，气流的动能主要在叶片扩压器中转变为压力能1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第十九页，共56页。1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007叶叶片片(ypin)扩扩压压器器第二十页，共56页。1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第二十一页，共56页。u压气机蜗壳

14、压气机蜗壳u压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的空压气机蜗壳的作用是收集从扩压器出来的空气，并将其引导到发动机的进气气，并将其引导到发动机的进气(jn q)歧管。歧管。由于从扩压器出风口出来的空气仍然具有较由于从扩压器出风口出来的空气仍然具有较大速度，而蜗壳可将其动能进一步转化为压大速度，而蜗壳可将其动能进一步转化为压力能。因此，压气机蜗壳也具有扩压效果。力能。因此，压气机蜗壳也具有扩压效果。1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第二十二页，共56页。压气机蜗壳按流道沿圆周变化(binhu)与否，可分

15、为变截面蜗壳和等截面蜗壳。变截面蜗壳的截面面积沿圆周方向逐渐变大，符合越接近出口收集的空气越多这一规律。因此，流动损失小，效率高。其最大的特点是外形尺寸小，对缩小涡轮增压器的尺寸有利，其结构形式如图1-6所示。等截面蜗壳的流道截面是不变化(binhu)的，其流动损失大，效率低，目前已很少使用17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构图16 变截面(jimin)蜗壳第二十三页，共56页。涡轮按燃气流过涡轮叶轮的流动方向，可将涡轮分为轴流式、径流式和混流式三类。在轴流式涡轮中，废气沿近似与叶轮轴平行的方向流过

16、涡轮。轴流式涡轮体积大，流量(liling)范围宽，在大流量(liling)范围中有较高的效率。因此，在大型涡轮增器上被广泛采用。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构第二十四页，共56页。在径流式涡轮中，废气的流动方向是近似沿径向由叶轮边缘向中心流动，在叶轮出口处转为轴向流出。径流式涡轮有较大的单级膨胀比，因此结构紧凑、体积小、质量轻，在小流量范围涡轮效率较高，且叶轮强度好，能承受很高的转速，在中小型涡轮增压器上得到(d do)广泛应用，其结构形式如下图所示。1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成

17、(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第二十五页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220071. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构径流(jngli)式涡轮示意图第二十六页，共56页。进气壳（蜗壳）的作用，是把发动机排出的具有一定能量的废气，以尽量小的流动损失和尽量均匀分布引导到涡轮喷嘴环的入口。径流式向心涡轮的进气壳一般与排气壳连在一起，进气道设置在喷嘴环径向的周围(zhuwi)，距离进气口越远，流通截面越小，使得流量沿圆周均匀地分布。由于进气流动损失小，因此多采用切向进气方式。

18、1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第二十七页，共56页。u喷嘴环u喷嘴环又称导向器，流通截面呈渐缩形，其作用是使具有一定压力和温度的废气膨胀加速(ji s)并按规定的方向进入工作叶轮，喷嘴环可分为叶片角度可变与固定两种形式。1. 1. 涡轮涡轮增增压压器器组组成成(z chn)(z chn)结结构构17 八月 2024李江 动力工程 2013222007有叶喷嘴(pnzu)环结构示意图第二十八页，共56页。u近年来，车用增压柴油机的性能不断改善，平均有近年来，车用增压柴油机的性能不断改善，平均有效

19、压力大幅度提高，但普遍存在着低速转矩不足，效压力大幅度提高，但普遍存在着低速转矩不足，加速加速(ji s)(ji s)性差，加速性差，加速(ji s)(ji s)冒烟，冷起动困冒烟，冷起动困难等缺陷。随着增压压比的提高，低工况进气不足难等缺陷。随着增压压比的提高，低工况进气不足的问题尤显突出；加速的问题尤显突出；加速(ji s)(ji s)性和排放更加恶化，性和排放更加恶化，同时涡轮增压器本身的性能及可靠性也制约着涡轮同时涡轮增压器本身的性能及可靠性也制约着涡轮增压技术的发展。这些问题的出现，主要是由于柴增压技术的发展。这些问题的出现，主要是由于柴油机与增压器的工作方式不同，二者难以良好的匹油

20、机与增压器的工作方式不同，二者难以良好的匹配。配。2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器（Variable Nozzle TurbineVariable Nozzle Turbine，简简称称VNTVNT）17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第二十九页，共56页。u 而可变喷嘴技术可以有效解决前述问题。u可变喷嘴环叶片可以绕着各自的轴心共同旋转，随着喷嘴环叶片角度的改变，涡轮机最小流通截面积以及排气进入涡轮的角度和速度都将发生变化，从而改变了涡轮机的转速和压气机出口端的增压(zn y)压力。2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu

21、)涡轮涡轮增增压压器（器（VNTVNT）17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第三十页，共56页。u发动机低速运转时，喷嘴环截面积减小，涡轮速度上升，增压压力增加，保证了低转速时的增压压力和进气量；发动机高速运转时，喷嘴环截面积增大，涡轮转速下降，防止增压器超速发动机加速(ji s)时，为了提高增压器的响应速度，可减小喷嘴环截面积，提高增压器转速，从而提高增压压力和进气量，满足瞬态工作时的进气要求。2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器（器（VNTVNT）17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第三十一页，共56页。17 八月

22、2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器（器（VNTVNT）第三十二页，共56页。u喷嘴环由许多绕着各自枢轴转动的喷嘴环叶片组喷嘴环由许多绕着各自枢轴转动的喷嘴环叶片组成，喷嘴环叶片之间的通道决定着排气流通截面成，喷嘴环叶片之间的通道决定着排气流通截面积的大小。喷嘴环叶片均匀地排成环状并与齿轮积的大小。喷嘴环叶片均匀地排成环状并与齿轮相连，齿轮受到喷嘴控制环的控制，当执行机构相连，齿轮受到喷嘴控制环的控制，当执行机构的拉杆来回移动时，喷嘴控制环往复摆动，通过的拉杆来回移动时，喷嘴控制环往复摆动，通过啮合的齿轮，使得各喷嘴

23、环叶片改变角度，从而啮合的齿轮，使得各喷嘴环叶片改变角度，从而(cng r)(cng r)实现改变喷嘴环出口截面积的目的。实现改变喷嘴环出口截面积的目的。2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器（器（VNTVNT）17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第三十三页，共56页。u采用采用 VNT VNT 后可以有效后可以有效(yuxio)(yuxio)地满足增压器与柴油地满足增压器与柴油机的匹配要求，从而显著地改善柴油机的性能，下图机的匹配要求，从而显著地改善柴油机的性能，下图所示为采用所示为采用 VNT VNT 与采用普通增压器之间的发动机性与采用

24、普通增压器之间的发动机性能比较能比较2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第三十四页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)西欧(Xu)轿车及轻型车用涡轮增压发动机生产状况第三十五页，共56页。大连理工郭鹏江等人以右图的柴油机为实验设备实验得到匹配VNT增压器和带旁通(pn tn)阀增压器的柴油机外特性性能对比。17 八月 2024李江 动力工程 2013222007

25、2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)发动机技术参数第三十六页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 2013222007两种增压器外特性(txng)对比两种增压器外特性排放(pi fn)对比两种增压器外特性压后压力(yl)对比第三十七页，共56页。从上述3图可以看出VNT增压器增加了低速区域的扭矩；改善了低速区域的烟度，在中高速区域与原机相差不大；所有转速范围内油耗率全面优于旁通增压器，油耗降低3%左右；但NOx的排放量在低速时要高于原机10* 10-6，这主要是由于加大了进气量，形成富氧环境。由于旁通阀的高速放气，不致于使进气量

26、过多而引起增压器过载，所以(suy)，在进行VNT 增压器外特性标定时，力求增加低速时的进气量，高速时比旁通增压器低一些。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)第三十八页，共56页。此外，吉林大学孙万臣等人在研究VNT对车用柴油机瞬态性能的影响时得到如下结论：(1)采用可变喷嘴涡轮增压器,合理匹配瞬态工况VNT喷嘴环面积,可以减小高瞬变率工况下发动机性能恶化的程度,有效改善涡轮增压柴油机瞬态工况的排气烟度。(2)瞬态工况下VNT喷嘴开度对排气烟度有明显的影响,在典型的加速工况和增负荷工

27、况下分别存在最佳的VNT喷嘴开度,使进气量最大,排气烟度最低。(3)喷嘴环开度过小,将导致增压器效率(xio l)下降,进气量降低,排气烟度增加。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)第三十九页，共56页。可变喷嘴涡轮增压器实现“可变”的关键在于如何实现对执行器的精确控制，通过执行器的快速动作改变涡轮喷嘴流通截面积的大小，从而实现增压器与发动机良好匹配的目的。国内外在控制系统研究方面发展趋势相似，从最初的使用有限个涡轮区域覆盖(fgi)发动机工作范围的简单控制，发展到用油门拉杆位置表征

28、负荷大小的负荷控制。随着发动机电子控制技术的发展，可变喷嘴截面涡轮增压器控制系统的电子控制技术从上世纪 80 年代中期开始迅速发展起来。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)第四十页，共56页。u国外在可变喷嘴涡轮增压器的研究方面一直处于领先国外在可变喷嘴涡轮增压器的研究方面一直处于领先地位，日本、美国地位，日本、美国(mi u)(mi u)、德国等都已开发出了多、德国等都已开发出了多种典型实用的可变喷嘴涡轮增压器形式。国外对可变喷种典型实用的可变喷嘴涡轮增压器形式。国外对可变喷嘴涡轮

29、增压器控制系统的研究最早从上世纪嘴涡轮增压器控制系统的研究最早从上世纪 80 80 年代初年代初便开始了，并且研制出了比较成熟的控制系统。在这方便开始了，并且研制出了比较成熟的控制系统。在这方面日本尼桑（面日本尼桑（NissanNissan）、美国）、美国(mi u)(mi u)通用（通用（GMGM）、）、德国大众（德国大众（VolkswagenVolkswagen）等公司处于研究的先进行列。）等公司处于研究的先进行列。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)第四十一页，共56页。u日本

30、日本(r bn) Nissan (r bn) Nissan 公司与美国公司与美国 Allied Sigal Allied Sigal 公司、公司、Garrett Garrett Automotive Group Automotive Group 公司共同开发了一种可变喷嘴涡轮增压器，主要公司共同开发了一种可变喷嘴涡轮增压器，主要用于用于 Nissan Nissan 公司新型重型货车柴油机上。下图所示为该增压器的控公司新型重型货车柴油机上。下图所示为该增压器的控制系统示意图主要由喷嘴叶片执行器、制系统示意图主要由喷嘴叶片执行器、PCMPCM单元阀（压力控制阀）、单元阀（压力控制阀）、发电机、真空

31、泵、控制单元及各种传感器和显示仪表等组成。其中，发电机、真空泵、控制单元及各种传感器和显示仪表等组成。其中，喷嘴叶片执行器为膜片式负压执行器，它的动力源为安装于发电机后喷嘴叶片执行器为膜片式负压执行器，它的动力源为安装于发电机后端的真空泵，负压的大小由端的真空泵，负压的大小由 PCM PCM 阀控制。控制单元根据发动机的各阀控制。控制单元根据发动机的各种传感器信号向种传感器信号向 PCM PCM 阀发出控制信号，通过改变阀发出控制信号，通过改变 PCM PCM 阀开启和关闭阀开启和关闭的时间比（负载比）来调节由真空泵产生的负压的大小。负载比的确的时间比（负载比）来调节由真空泵产生的负压的大小。

32、负载比的确定是根据事先标定好的发动机运行定是根据事先标定好的发动机运行 MAP MAP 图进行比较和计算得到的。图进行比较和计算得到的。2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第四十二页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)Nissan 公司(n s)的可变喷嘴涡轮增压器控制系统第四十三页，共56页。u该控制系统的控制方法是对增压压力进行闭环反该控制系统的控制方法是对

33、增压压力进行闭环反馈控制，采用馈控制，采用 PI PI（比例（比例积分）控制算法。考积分）控制算法。考虑到发动机在瞬态工况下增压压力的响应虑到发动机在瞬态工况下增压压力的响应(xingyng)(xingyng)较稳态工况明显变差，为提高非稳较稳态工况明显变差，为提高非稳态工况下系统的稳定性和平滑性，又加入了前馈态工况下系统的稳定性和平滑性，又加入了前馈控制作为控制作为 PI PI控制算法的补充。其控制策略是将控制算法的补充。其控制策略是将发动机稳态工况下由转速和负荷所决定的喷嘴开发动机稳态工况下由转速和负荷所决定的喷嘴开度负载比事先以度负载比事先以 MAP MAP 图形式存储于控制单元中，图形

34、式存储于控制单元中，做为前馈控制值，并与做为前馈控制值，并与 PI PI控制值共同组成控制控制值共同组成控制信号，以实现对信号，以实现对 PCM PCM 阀的控制。阀的控制。2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第四十四页，共56页。下图所示为美国GM 公司开发的一种用于汽油机的可变喷嘴涡轮增压器控制系统。该系统由执行器、电子压力调节器（EPR）、电子真空调节器（EVR）、电子控制包（ECB）、电子控制模块（ECM）及各种传感器等组成。其中，执行器被设计为由膜片分隔成两个小气室的气动执

35、行器，两个气室的压力分别来自于节气门后压气机前的进气歧管和增压后的进气歧管，两个气室产生的压力差作为驱动喷嘴叶片旋转的动力，由此可以保证气动执行器在各种工况下都能有效地克服来自喷嘴拉杆的阻力。另外，执行器两个气室中的压力又分别受 EPR和 EVR 的控制，其控制信号来自于监控发动机转速、进气流量、节气门位置、中冷器温度等参数的 ECM 并受到 ECB 的调节。电子控制包同时还接收增压压力反馈信号，进行闭环控制。其控制策略是先制出稳态工况增压压力控制 MAP图并存储于 ECM 中，将当前(dngqin)增压压力与 ECM 中的目标增压压力进行比较，电子控制包根据差值调节控制信号使执行器动作，进而

36、实现增压压力的优化控制。2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第四十五页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)GM 公司的可变喷嘴(pnzu)涡轮增压器控制系统第四十六页，共56页。u国内在可喷嘴涡轮增压器的研究方面落后于国内在可喷嘴涡轮增压器的研究方面落后于国外，只有清华大学、北京理工大学、吉林大国外，只有清华大学、北京理工大学、吉林大学等少数几家单位在从事着增压

37、器材料、结构学等少数几家单位在从事着增压器材料、结构改进改进(gijn)(gijn)、参数匹配等方面的研究。在控、参数匹配等方面的研究。在控制系统研究方面，目前只有清华大学、北京理制系统研究方面，目前只有清华大学、北京理工大学、吉林大学、武汉理工大学做过这方面工大学、吉林大学、武汉理工大学做过这方面的初步研究。的初步研究。2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第四十七页，共56页。u北京理工大学马朝臣等人北京理工大学马朝臣等人为为 J6110Z J6110Z 柴油机匹配的柴油机匹配的

38、VNT VNT 设计了一种机械式气设计了一种机械式气动控制系统其示意图如右动控制系统其示意图如右图所示。该增压器的喷嘴图所示。该增压器的喷嘴环叶片位置由一根摆杆控环叶片位置由一根摆杆控制，摆杆上分别与弹簧和制，摆杆上分别与弹簧和气动执行器的推杆相连，气动执行器的推杆相连，通过弹簧拉力与气动执行通过弹簧拉力与气动执行器膜片两端压力差的平衡器膜片两端压力差的平衡来驱动喷嘴环叶片旋转来驱动喷嘴环叶片旋转(xunzhun)(xunzhun)。涡轮增压。涡轮增压器的设计点选在标定点，器的设计点选在标定点，此时弹簧的拉力与作用于此时弹簧的拉力与作用于膜片上的压气机出口压力膜片上的压气机出口压力相平衡。相平

39、衡。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)VNT 机械式气动(q dn)控制系统示意图第四十八页，共56页。北京理工大学王军秋等人研制了一种可变喷嘴涡轮增压器电子控制系统(kn zh x tn)，该控制系统(kn zh x tn)由电控单元 ECU、涡轮截面开度执行器（力矩电机）、传感器及控制对象 J6110Z 柴油机等组成，其系统示意图如右图所示。传感器采集的参数（包括发动机转速 n，压力 p，执行器位移 L）输入 ECU；增压电控单元完成数据采集和工况判断后，把控制信号输出到执行器

40、；执行器把控制输出信号变为机械位移，从而改变涡轮喷嘴截面的开度。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)可变喷嘴(pnzu)涡轮增压器控制系统示意图第四十九页，共56页。u可变喷嘴可变喷嘴(pnzu)(pnzu)涡轮增压器（涡轮增压器（VNTVNT）作为可变截面涡轮增压器）作为可变截面涡轮增压器(Variable Geometry Turbine(Variable Geometry Turbine，简称，简称 VGT) VGT) 的一种主要型式是通的一种主要型式是通过改变喷嘴过改变喷嘴(

41、pnzu)(pnzu)环流通截面积的大小而实现增压器与柴油机环流通截面积的大小而实现增压器与柴油机的匹配。的匹配。VNT VNT 实现实现“可变可变”的关键在于如何实现对执行器的精确的关键在于如何实现对执行器的精确控制。近年来，随着电子技术的发展，控制。近年来，随着电子技术的发展，VNT VNT 电控系统以其控制精电控系统以其控制精度高、反应灵敏等优点而成为研究的重点。国外开发的电控系统度高、反应灵敏等优点而成为研究的重点。国外开发的电控系统一般成本较高，整体结构较复杂，而国内在该方面的研究则相对一般成本较高，整体结构较复杂，而国内在该方面的研究则相对较少，可供借鉴的经验也不多。我国柴油机技术

42、要与世界同步发较少，可供借鉴的经验也不多。我国柴油机技术要与世界同步发展面临的技术突破之一就是可变喷嘴展面临的技术突破之一就是可变喷嘴(pnzu)(pnzu)涡轮增压控制系统涡轮增压控制系统的研制的研制, ,因此因此, ,对该项技术的突破对该项技术的突破, ,也是国内行业努力方向之一。也是国内行业努力方向之一。2. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)17 八月 2024李江 动力工程 2013222007第五十页，共56页。喷嘴环叶片是涡轮增压器的关键零件，其结构较为复杂，结构尺寸较小，精度要求高，其加工质量和几何精度直接关系到涡轮增压器的工

43、作性能。由于涡轮增压器喷嘴环叶片工作在高温(500-1000)高压(03Mpa)下，承受高温高压燃气的冲击，因此叶片需要具有良好的高温性能、耐磨性能，这对叶片的材料提出了较高的要求，目前，国内外制造叶片的材料大都是高温合金(hjn)和耐热合金(hjn)，但这些材料容易氧化，机械加工比较困难，铸造性能不好，精密铸造成本高。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)第五十一页，共56页。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)

44、涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)可变喷口涡轮增压器工作(gngzu)原理第五十二页，共56页。目前，国内外涡轮增压器喷嘴环叶片加工主要采用的工艺过程是精铸或精锻毛坯，然后进行机械加工和光精加工。机械加工一般是在铣床上用成形铣刀加工或仿形加工及其他的特种加工技术，在光精加工之前一般要进行磨削加工，国内一般采用砂轮手工打磨的方法，这种方法存在很多弊端，例如工人(gng rn)的工作环境较差、劳动负荷大，加工效率和加工精度较低，稳定性和一致性较差。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT

45、)第五十三页，共56页。所以，目前国内涡轮增压器喷嘴环叶片生产企业迫切需求一种经济性能好，加工精度高，生产效率高，操作方便的磨床设备，在保证精度的前提下降低(jingd)叶片的加工成本。从而填补国内涡轮增压器喷嘴环叶片加工专用磨床的空白，提高我国涡轮增压器喷嘴环叶片制造的技术水平。17 八月 2024李江 动力工程 20132220072. 2. 可可变喷变喷嘴嘴(pnzu)(pnzu)涡轮涡轮增增压压器器(VNT)(VNT)第五十四页，共56页。随着我国国民经济的快速发展和科学技术水平的不断提高，以及产业结构的不断升级。相信用不了多久，在我国科研人员的努力下，我国定会在涡轮增压器的电子控制系

46、统和材料、部件的生产设备方面取得关键性突破(tp)，从而能在涡轮增压器研发生产方面跻身世界先进行列。17 八月 2024李江 动力工程 2013222007结束语结束语第五十五页，共56页。其他其他(qt)(qt)形式的可变截面形式的可变截面17 八月 2024李江 动力工程 2013222007可变喉口增压器结构简单，可变喉口增压器结构简单，成本成本(chngbn)低廉，但效率较低低廉，但效率较低舌形挡板舌形挡板VGT结构简单，调节方便，易实结构简单，调节方便，易实现自动控制，但由于流动损失较大，调节现自动控制，但由于流动损失较大，调节范围范围(fnwi)有一定限制，增压器总效率有一定限制，增压器总效率低低第五十六页，共56页。