顺序增压系统液压转换装置结构设计与评估试验研究.pdf

第 5期 总第 2 0 2期 2 0 1 2年 1 O月 车用发动机 VEH I CLE ENGI NE No． 5 Se r i a l No． 2 02 Oc t ．2 01 2 顺 顷序增压系统液压转换装置结构设计与评估试验研究 杨 磊 ， 任 兆欣 ，朱 向 国 ，吉建波 ， 徐 思友 ，李云 广。 ，王 萍 ，吴新 涛 1 ． 中国北方发动机研究所柴油机增压技术重点 实验 室，山西 大 同0 3 7 0 3 6 ； 2 ． 中北大学机 电工程学院 ，山西 太原0 3 0 0 5 1 ； 3 ． 中国北方发动机研 究所 ，山西 大 同0 3 7 0 3 6 ； 4 ． 中国北 方车辆研 究所，北京 1 0 0 0 7 2 摘 要 针对某增压柴油机 ， 设计 了一种 带有 液压执行 机构转换装置的顺序增压 系统 ， 并通过 台架试验评估该 系 统的性 能。试验 结果表 明， 带液压执行机构的顺序增压转换装 置具备 流量调节能力 ， 可 实现 受控增压 器的“ 寄存” ， 进 气阀和排 气阀由 自编的控制程序根据设定的开闭规律动作 ， 在 试验 过程 中工作稳定 。 关键 词柴油机 ； 顺序增压 系统 ；结构设计 ； 转换装 置 ； 液压控制 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 2 2 2 2 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 0 5 中图分 类号 T K4 2 1 ． 5 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 2 2 2 2 2 0 1 2 0 5 0 0 1 9 - 0 4 为改善高增压 柴油机低工况性 能， 目前 国际上 通常采用变截面涡轮增压技术和顺序增压技术 。顺 序 增压 系统相 对 于 可变 截 面 涡 轮增 压 系 统 来 说 ， 在 改 善低工 况性 能方 面更 有效 口 ] 。 目前 ， 国内研 究 机构 对 相继 增 压 技 术 的应 用 进 行 了试验 研究 和理 论 分 析 ， 主 要 集 中 于增 压 器 的选 取 、 切换点的确定和控制、 性能分析等方 面 。而 在顺序增压系统的研究过程中， 除了增压系统方案 、 切换 阶段 系统 的响 应 性 和扭 矩 衔 接 、 进 排 气 管 道 的 优化设 计 及与发 动 机 的 匹配 外 ， 调节 转 换 装 置 的选 材及可靠性 同样是决定顺序增压系统性能优劣的关 键 因素 。调节转 换 装 置 的形 式 多 样 ， 不 同转 换装 置 对 应 的顺序 增压 系统 的结 构和性 能 也不 同 。 国 内顺 序增 压调 节转换 装 置 中的执行 控制 机构 大都为气动装置 ， 液动执行装置很少见诸报道 。鉴 于液压 动力 的调 节转换 装 置能够 以柴 油机 润 滑油为 动力源实现阀门的开闭， 具有使柴油机结构紧凑、 体 积小的优点 ， 本研究针对某增压柴油机 ， 设计 了一种 带有 液 压执行 机 构转 换 装 置 的顺 序 增 压 系 统 ， 并 通 过 台架试 验评 估 了该系 统 的性能 。 1 顺序增压 系统 受控增压器及 其转换 装置 的原理与结构 顺序增压系统转换装置的三维模型见图 1 。由 图 1可见 ， 在受控增压器的压气机前安装进气 阀， 在 涡轮后安装排气 阀； 在压气机前进气 阀管 的直管段 与弯管段的连接位置处安装进气 阀片， 在涡轮后 的 阀管 中部 、 调节 阀 阀杆 的 位 置处 安 装 排 气 阀 片 。进 排气阀的开闭分别 由两套液压转换装置驱动。如果 发动机 满 负荷 时 ， 则 受 控 增 压 器 的 转换 装 置 控 制 阀 片开启 ， 主增压 器与 受控增 压 器 同时工 作 ； 如 果 发动 机负荷降低到一定程度后 ， 则受控增压器 的转换装 置 控制 阀 片关 闭 ， 受 控 增 压 器 不 工 作 ， 主 增 压 器 工 作 。由于转 换装 置 和 调节 阀 的存 在 ， 顺 序 增 压 系 统 可以接通或切断受控增压器 ， 以满足发动机不 同转 速 、 负荷 下对 进气 量 的要求 。 图 1 受控增压 器及 其转换装置的结构示意 从结构上看， 带有液压执行机构的转换装 置其 优点在 于 进气 阀 阀壳 由直 管 段 和 弯管 段 组 成 ， 易 于 阀板的安装及维护 ； 执行机构 中的液压油缸的伸缩 动作 由增压 器试 验 台架 的 润 滑 油驱 动 ， 在 整 车上 则 由柴油 机 的润滑 油 系统驱 动 。其缺 点 是液压 油 的黏 性 受温 度变 化 的影 响大 。 一 套完 整 的顺序 增压 液压 执行 机构 转换 装 置 由 1个电磁换 向阀、 1 个进气 阀、 1个排气阀、 2个液压 缸以及 曲柄连杆和附属管路组成 ， 图 2 示 出排气阀、 收稿 日期 2 0 I 2 - 0 4 1 9 ；修回 日期 2 0 1 2 - 0 9 2 9 作者简介 杨磊 1 9 8 3 ， 女 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 主要 研究 方向为增压器集成与 匹配 ； l y a n g n l e t t ． c o rn。 2 O 1 2年 1 O月 杨 磊 ，等 顺序增压系统液压转换装置结构设计 与评估试验研究 顺 序增 压 的控 制 系统 由控 制 器 、 电磁 阀和 执行 机 构组 成 。在 顺 序 增 压 系 统 的 电磁 阀 断 电状 态 下 进 、 排气阀同时打开 试验台点火 。此后 ， 控制进排 气阀 同 时关 闭， 控 制 主增 压 器转 速 在 3 0 0 0 0 5 0 0 0 r ／ mi n 、 涡轮进 气温 度在 6 0 0 5 0 ℃ 范 围 内 ， 稳定 运行 5 mi n后 ， 接 通 电磁 阀电源 ， 开始 试验 。 根据 自动控制程序对顺序增压系统液压转换装 置进 行连 续 1 0 0 0次 切 换 ， 进 排 气 阀开 度 变 化 规 律 见图 6 ， 图中 t 为阀板开启滞后时间， t 为阀板开启 运动时间， t 。 为阀板关 闭滞后 时间 ， t 为阀板关闭 运 动时 间 。进 排气 阀 的开启 时间 t 。 一 t t ， 关 闭 时间 t 。 一 t 。 t 。开启和关闭时间与阀自身的特 性及液压油有关有。 t 和 t 。 主要与控制进排气阀开 闭 的电磁 阀的 电磁特性 有关 ； 而 t 。 和 t 则 取决 于控 制 液压 油 和阀 的结构 特性 。评估 试验 中认 为 响应 时 间 t 和 t 。为 0 ， 则进排气 阀开 度变化规律 简化为 图 6 b 。以 4 0 S为一个切换周期 ， 令进排气阀在开闭 状态各保持 2 0 S ， 即切换频率为每 4 0 S 完成 1 次进 排气 阀的打开和关闭。 1 00 冰 、 匿 0 l 0 0 J l L - J 时间t ／ s a 阀门开度变化图特性 2 0 4 0 时间t ／ s h评估试验中进排气阀门开度控制规律的简化 图 6进 排 气 阀 开度 变化 规 律 评估试验仅对顺序增压液压转换装置的性能作 初 步 了解 ， 实 际应用 时 阀管 系 和 液 压执 行 机 构 的 安 装还需作进一步的优化 。一般情况下 ， 对顺序增压 系统 的切换 控 制是 以发 动 机 负荷 为 控 制 依 据 ， 如 以 发动机转速或增压器转速作为判断信号， 实现控制 执行机构动作 ， 驱动阀门打开或关闭； 本评估试验以 时 间 周 期 作 为 控 制 命 令 对 受 控 增 压 器 进 行 切 换 控 制 。 调节顺序增压系统 中受控增压器进排气阀门的 开闭， 考察其对主 、 受控增压器涡轮进 口温度和增压 器转速的影响。评估试验中共切换 1 0 0 0次， 每 1 h 记录 1 次数据 。图 7和图 8示出阀门最大开度与关 闭 时 的试 验 数据 。 由图 7可 见 ， 调 节 阀关 闭 时 ， 主 、 受控 增压 器 涡轮 进 口温 度 差 异 较 小 ； 调 节 阀处 在 最 大开 度 时 ， 主 、 受 控增 压 器 涡 轮 进 口温 度 差 异较 大 。 由图 8可见 ， 当阀门处在最大开度 时， 受控增压器涡 轮与主增压器做功能力相近 ， 受控涡轮转速与主涡 轮转速相近。当阀门关闭时 ， 受控增压器涡轮的涡 轮功较小 ， 增压器转速很低 ， 几乎没有起到作用 。导 致 受控 增压 器 涡轮功 较小 的直 接原 因是 受 控增压 器 涡轮的膨胀 比很 低 ， 通 过 的气 体 流 量 很 小 ， 使 受 控 增 压 器 处 于 惰 转 状 态 。 一 c ’ 量 函 样 、 赠 ＼ 赠 时 间t ， h a 调节阀关闭 时间t ／ h b 调节阀最大 开度 图 7 涡前温度 2 2 车用发动机 2 o 1 2年第 5 期 3 2 3 0 c 2 8 ’量 ● 、 2 6 辩 24 22 时间f ／ h h 凋节 阀最大开度 图 8增压器转 速 评估考核试验结束后， 将液压转换装置从考核 台架 上拆 下 ， 检 查 发现 ， 其 外 观正 常 ， 状 况 良好 。考 核结束后的高温阀和液压执行机构见图 9 。 图 9 考核试验后的液压转换装置 3 结束语 本研 究 以增 压 器润滑 油为 动力 源实现 顺序增 压 系统液 压转换 装 置 阀 门 的开 闭 。评估 试 验 表 明 ， 转 换 装置 具备 流量调 节能力 ， 可 实现受 控增 压器 的“ 寄 存” ； 但评估试验仅 以时间周期作为控制命令 ， 后续 研究须对控制程序进行完善， 实现以增压器转速作 为判断信号进行控制 ， 并解决液压转换装置的响应 性 问题 。 参考文献 [ 1 ] [ 2 1 E 3 ] [ 4 ] 张永 洋， 杨 彦涛 ， 王 禹华． 相 继增 压技 术的 应 用研 究 E J ] ． 柴油机 ， 2 0 0 9 ，3 1 4 2 3 2 8 ． 王希波 ， 张 哲， 朱骏 ， 等． 柴油机 相继增压技 术研 究 综述[ J ] ． 柴油机 ， 2 0 0 6 ，2 8 增刊 9 1 - 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j a c k e t wa s b u i l t ，t h e h e a t t r a n s f e r b o u n d a r y c o n d i t i o n s o f g a s s i d e wa s d e t e r mi n e d b y s i mu l a t i n g t h e wo r k i n g p r o c e s s ，a n d t h e n u me r i c a l s i m u l a t i o n wa s c a r r i e d o u t ． F i n a l l y ，t h e v e l o c i t y ，p r e s s u r e a n d h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t i n c o o l i n g wa t e r j a c k e t we r e a c q u i r e d a n d t h e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f ma i n h e a t e d c o mp o n e n t s wa s a l s o a c hi e v e d． Ke y wo r d s d i e s e l e n g i n e ； s t r o n g c o u p l i n g t h e o r y ； c o o l i n g w a t e r - j a c k e t ； n u m e r i c a l s i mu l a t i o n ；h e a t t r a n s f e r [ 编辑 姜晓博] 上接 第 2 2页 S t r u c t u r a l De s i g n a nd Ev a l u a t i o n Ex pe r i m e nt o f H y d r a u l i c S wi t c h De v i c e f o r S e q u e n t i a l S u pe r c ha r g i n g S y s t e m YANG Le i ，REN Z h a o x i n ，ZHU Xi a n g g u o ，J I J i a n b o ， XU Si y ou 。LI Yun g ua ng 。，W ANG Pi n g ，W U Xi n～ t a o 1 ．Na t i on a l Ke y La bo r a t or y o f Di e s e l En gi ne Tur b oc h ar g i n g Te c h no l o gy， Ch i n a No r t h En g i n e Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Da t o n g 0 3 7 0 3 6，Ch i n a ； 2 ．C o l l e g e o f M e c h a t r o n i e E n g i n e e r i n g，No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a ，Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1 ，Ch i n a ； 3 ．Ch i n a No r t h En g i n e Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Da t o n g 0 3 7 0 3 6 ，Ch i n a ； 4 ．Ch i n a No r t h Ve h i c l e Re s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 7 2，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r a t u r b o c h a r g e d d i e s e l e n g i n e ，t h e s e q u e n t i a l s u p e r c h a r g i n g s y s t e m wi t h a h y d r a u l i c a c t u a t o r wa s d e s i g n e d a n d i t s p e r f o r ma n c e wa s e v a l u a t e d t h r o u g h t h e b e n c h t e s t ．Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m c a n r e g u l a t e t h e a i r f l o w a n d ma k e t h e c o n t r o l l e d t u r b o c h a r g e r r u n a t i d l e s p e e d ． Th e i n t a k e v a l v e a n d e x h a u s t v a l v e a c t a c c o r d i n g t O t h e s e l f - d e v e l o p e d c o n t r o l pr o gr a m a nd r un s mo ot h l y dur i ng t h e t e s t ． Ke y wo r d s d i e s e l e n g i n e ； s e q u e n t i a l s u p e r c h a r g i n g s y s t e m；s t r u c t u r a l d e s i g n ；s w i t c h d e v i c e ； h y d r a u l i c c o n t r o l [ 编辑 李建新]