可變噴嘴渦輪增壓器課件

可變噴嘴渦輪增壓器19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007可變噴嘴渦輪增壓器05八月2023李江動(dòng)力工程2第1節(jié)渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)第2節(jié)可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)目錄19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007第1節(jié)渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)目錄05八月2023李江渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)廢氣渦輪增壓器主要是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪，同時(shí)帶動(dòng)同軸的壓氣機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，壓縮空氣并將其送入進(jìn)氣歧管，從而增大進(jìn)氣密度。近年來(lái)，渦輪增壓器在車用柴油機(jī)上應(yīng)用已越來(lái)越普遍，其最大的特點(diǎn)是可大大改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，提高動(dòng)力性，在一定程度上改善排放性。19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)廢氣渦輪增壓器主要是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣驅(qū)19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)圖1-1徑流式渦輪增壓器結(jié)構(gòu)及工作原理05八月2023李江動(dòng)力工程2013222007渦輪增壓器主要由壓氣機(jī)和渦輪兩大部分組成壓氣機(jī)主要由壓氣機(jī)工作輪（葉輪）、擴(kuò)壓器、壓氣機(jī)蝸殼組成。渦輪主要由進(jìn)排氣殼、噴嘴環(huán)、工作輪組成。此外還有轉(zhuǎn)軸、軸承、密封與隔熱裝置等1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007渦輪增壓器主要由壓氣機(jī)和渦輪兩大部分組成1.渦輪增壓器19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)05八月2023李江動(dòng)力工程201322200719八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)05八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007全浮動(dòng)軸承截面示意圖1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)05八月2023李江動(dòng)力工19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)圖1-2離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1—進(jìn)氣道2—壓氣機(jī)葉輪

3—壓氣機(jī)蝸殼4—擴(kuò)壓器圖1-3變截面蝸殼05八月2023李江動(dòng)力工程201322200719八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)蝸殼按流道沿圓周變化與否，可分為變截面蝸殼和等截面蝸殼。變截面蝸殼的截面面積沿圓周方向逐漸變大，符合越接近出口收集的空氣越多這一規(guī)律。因此，流動(dòng)損失小，效率高。其最大的特點(diǎn)是外形尺寸小，對(duì)縮小渦輪增壓器的尺寸有利，其結(jié)構(gòu)形式如圖1-3所示。等截面蝸殼的流道截面是不變化的，其流動(dòng)損失大，效率低，目前已很少使用。05八月2023李江動(dòng)力工程201322200719八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)圖1-4壓氣機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)形式a)開(kāi)式b)半開(kāi)式c）閉式d)星形05八月2023李江動(dòng)力工程2013222007壓氣機(jī)葉輪是壓氣機(jī)中唯一對(duì)空氣做功的部件，它將在同一轉(zhuǎn)軸上渦輪提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝獾膲毫δ芎蛣?dòng)能，壓氣機(jī)葉輪分為導(dǎo)風(fēng)輪和工作葉輪兩部分。中小型渦輪增壓器將兩者鑄造成一體，大型渦輪增壓器則是將兩者裝配在一起。導(dǎo)風(fēng)輪是葉輪入口的軸向部分，葉片入口向旋轉(zhuǎn)方向前傾，直徑越大處前傾越多，其作用是使氣流以盡量小的撞擊進(jìn)入葉輪。根據(jù)葉輪輪盤的結(jié)構(gòu)形式不同，壓氣機(jī)葉輪可分為開(kāi)式、半開(kāi)式、閉式、星形等形式。開(kāi)式葉輪沒(méi)有輪盤，流動(dòng)損失大，葉輪效率低，且葉片剛性差，易振動(dòng)。閉式葉輪既有輪盤又有輪蓋，流道封閉，流動(dòng)損失小，葉輪效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)葉輪是壓氣機(jī)中唯一對(duì)空氣做功的部件，它將在同一轉(zhuǎn)軸上渦1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007半開(kāi)式葉輪只有輪盤，沒(méi)有輪蓋，其性能介于開(kāi)式和閉式之間。但其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造方便，且強(qiáng)度和剛度都較高，在渦輪增壓器中應(yīng)用廣泛。星形葉輪是在半開(kāi)式葉輪的輪盤邊緣葉片之間挖去一塊，減輕了葉輪質(zhì)量，從而減小了葉輪應(yīng)力，并保持一定的剛度，因此能承受很高的轉(zhuǎn)速，多在小型渦輪增壓器中應(yīng)用。按葉片的長(zhǎng)短，壓氣機(jī)葉輪還可分為全長(zhǎng)葉片葉輪和長(zhǎng)短葉片葉輪。全長(zhǎng)葉片葉輪進(jìn)口流動(dòng)損失小，效率高，但對(duì)于小直徑葉輪，進(jìn)口處氣流阻塞較為嚴(yán)重。因此，小型渦輪增壓器中多采用長(zhǎng)短葉片葉輪，圖1-4是幾種典型的壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)。1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)05八月2023李江動(dòng)力工根據(jù)葉片沿徑網(wǎng)的彎曲形式，壓氣機(jī)葉輪又可分為前彎葉片葉輪、后彎葉片葉輪和徑向葉片葉輪等。前彎葉片葉輪的葉片沿徑向向旋轉(zhuǎn)方向彎曲，這種葉輪對(duì)空氣的做功能力最大，但其做功主要是增加了空氣的動(dòng)能，對(duì)壓力能卻提高較少，這就要求空氣的動(dòng)能更多地要在擴(kuò)壓器和蝸殼中轉(zhuǎn)化為壓力能。因?yàn)閿U(kuò)壓器和蝸殼的效率比葉輪低，因此導(dǎo)致壓氣機(jī)整體效率降低，故渦輪增壓器中不采用這種葉輪。徑向葉片葉輪的葉片徑向分布，不彎曲。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)根據(jù)葉片沿徑網(wǎng)的彎曲形式，壓氣機(jī)葉輪又可分為前彎葉片葉輪、后徑向葉片葉輪的葉片徑向分布，不彎曲。這種葉輪的壓氣機(jī)效率比前彎葉片高，比后彎葉片的低，由于其強(qiáng)度和剛度最好，能承受較高的圓周速度，從而在增壓比較低的渦輪增壓器中得到較多應(yīng)用。后彎葉片葉輪的葉片沿逆旋轉(zhuǎn)方向彎曲，雖然它的作功能力小，但空氣壓力的提高大部分是在葉輪內(nèi)完成的。這種葉輪由于壓氣效率高，應(yīng)用也較多。前傾后彎式葉輪(也稱后掠式葉輪)，如下圖所示，其葉片沿徑向后彎的同時(shí)還向旋轉(zhuǎn)方向前傾，這種葉輪不僅壓氣機(jī)效率高，而且高效率范圍寬廣，近年來(lái)在車用柴油機(jī)渦輪增壓器上受到了重視和應(yīng)用。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)徑向葉片葉輪的葉片徑向分布，不彎曲。這種葉輪的壓氣機(jī)效率比前19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)前傾后彎式葉輪05八月2023李江動(dòng)力工程2013222007擴(kuò)壓器的作用是將從壓氣機(jī)葉輪出口流出的高速空氣進(jìn)一步減速增壓，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向壓力能的轉(zhuǎn)變。擴(kuò)壓器的效率是動(dòng)能實(shí)際轉(zhuǎn)化為壓力能的轉(zhuǎn)化量和沒(méi)有任何流動(dòng)損失的定墑過(guò)程動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能的轉(zhuǎn)化量之比。擴(kuò)壓器效率的高低對(duì)壓氣機(jī)的整體效率有重要的影響，按結(jié)構(gòu)形式的不同，可將擴(kuò)壓器分為無(wú)葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器兩種。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)擴(kuò)壓器的作用是將從壓氣機(jī)葉輪出口流出的高速空氣進(jìn)一步減速增壓

無(wú)葉擴(kuò)壓器實(shí)際上是一個(gè)環(huán)形通道。氣流在擴(kuò)壓器中的軌跡近似是一對(duì)數(shù)螺旋線。即氣流流動(dòng)的痕跡在任意直徑處與切線的夾角基本不變。正因?yàn)槿绱?，空氣的流?dòng)路線長(zhǎng)，從而損耗大，效率低，擴(kuò)壓器出口容量小，在出口具有相同容量的條件下，效率要比葉片擴(kuò)壓器低。但無(wú)葉擴(kuò)壓器的流量范圍寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，在經(jīng)常變工況運(yùn)行的小型渦輪增壓器上使用廣泛1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007無(wú)葉擴(kuò)壓器實(shí)際上是一個(gè)環(huán)形通道。氣流在擴(kuò)壓器中的軌葉片擴(kuò)壓器是在環(huán)形通道上加上若干導(dǎo)向葉片，使氣流沿葉片通道流動(dòng)。葉片擴(kuò)壓器根據(jù)葉片形狀不同又可分為平板形葉片擴(kuò)壓器和機(jī)翼形葉片擴(kuò)壓器。由于氣流的流動(dòng)路線短，流動(dòng)損失小，故效率高。由于葉片構(gòu)造角沿徑向增大，使氣流的流通面積迅速增大，因此擴(kuò)壓能力大。但當(dāng)流量偏離設(shè)計(jì)工況，葉片入口氣流角不等于葉片構(gòu)造角時(shí)，將產(chǎn)生撞擊損失，使效率急劇下降。在工況范圍變化不大的大中型渦輪增壓器上，常采用無(wú)葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器的組合形式。氣流先經(jīng)過(guò)無(wú)葉擴(kuò)壓器，再進(jìn)入葉片擴(kuò)壓器，氣流的動(dòng)能主要在葉片擴(kuò)壓器中轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007葉片擴(kuò)壓器是在環(huán)形通道上加上若干導(dǎo)向葉片，使氣流沿葉片通道流1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007葉片擴(kuò)壓器1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)05八月2023李江動(dòng)力1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)05八月2023李江動(dòng)力壓氣機(jī)蝸殼壓氣機(jī)蝸殼的作用是收集從擴(kuò)壓器出來(lái)的空氣，并將其引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管。由于從擴(kuò)壓器出風(fēng)口出來(lái)的空氣仍然具有較大速度，而蝸殼可將其動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為壓力能。因此，壓氣機(jī)蝸殼也具有擴(kuò)壓效果。1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007壓氣機(jī)蝸殼1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)05八月2023李壓氣機(jī)蝸殼按流道沿圓周變化與否，可分為變截面蝸殼和等截面蝸殼。變截面蝸殼的截面面積沿圓周方向逐漸變大，符合越接近出口收集的空氣越多這一規(guī)律。因此，流動(dòng)損失小，效率高。其最大的特點(diǎn)是外形尺寸小，對(duì)縮小渦輪增壓器的尺寸有利，其結(jié)構(gòu)形式如圖1-6所示。等截面蝸殼的流道截面是不變化的，其流動(dòng)損失大，效率低，目前已很少使用19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)圖1—6變截面蝸殼壓氣機(jī)蝸殼按流道沿圓周變化與否，可分為變截面蝸殼和等截面蝸殼渦輪按燃?xì)饬鬟^(guò)渦輪葉輪的流動(dòng)方向，可將渦輪分為軸流式、徑流式和混流式三類。在軸流式渦輪中，廢氣沿近似與葉輪軸平行的方向流過(guò)渦輪。軸流式渦輪體積大，流量范圍寬，在大流量范圍中有較高的效率。因此，在大型渦輪增器上被廣泛采用。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)渦輪05八月2023李江動(dòng)力工程20132220在徑流式渦輪中，廢氣的流動(dòng)方向是近似沿徑向由葉輪邊緣向中心流動(dòng)，在葉輪出口處轉(zhuǎn)為軸向流出。徑流式渦輪有較大的單級(jí)膨脹比，因此結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，在小流量范圍渦輪效率較高，且葉輪強(qiáng)度好，能承受很高的轉(zhuǎn)速，在中小型渦輪增壓器上得到廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007在徑流式渦輪中，廢氣的流動(dòng)方向是近似沿徑向由葉輪邊緣向中心流19八月2023李江動(dòng)力工程20132220071.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)徑流式渦輪示意圖05八月2023李江動(dòng)力工程2013222007進(jìn)氣殼（蝸殼）的作用，是把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的具有一定能量的廢氣，以盡量小的流動(dòng)損失和盡量均勻分布引導(dǎo)到渦輪噴嘴環(huán)的入口。徑流式向心渦輪的進(jìn)氣殼一般與排氣殼連在一起，進(jìn)氣道設(shè)置在噴嘴環(huán)徑向的周圍，距離進(jìn)氣口越遠(yuǎn)，流通截面越小，使得流量沿圓周均勻地分布。由于進(jìn)氣流動(dòng)損失小，因此多采用切向進(jìn)氣方式。1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007進(jìn)氣殼（蝸殼）的作用，是把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的具有一定能量的廢氣，以噴嘴環(huán)噴嘴環(huán)又稱導(dǎo)向器，流通截面呈漸縮形，其作用是使具有一定壓力和溫度的廢氣膨脹加速并按規(guī)定的方向進(jìn)入工作葉輪，噴嘴環(huán)可分為葉片角度可變與固定兩種形式。1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007有葉噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖噴嘴環(huán)1.渦輪增壓器組成結(jié)構(gòu)05八月2023李江近年來(lái)，車用增壓柴油機(jī)的性能不斷改善，平均有效壓力大幅度提高，但普遍存在著低速轉(zhuǎn)矩不足，加速性差，加速冒煙，冷起動(dòng)困難等缺陷。隨著增壓壓比的提高，低工況進(jìn)氣不足的問(wèn)題尤顯突出；加速性和排放更加惡化，同時(shí)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。這些問(wèn)題的出現(xiàn)，主要是由于柴油機(jī)與增壓器的工作方式不同，二者難以良好的匹配。2.可變噴嘴渦輪增壓器（VariableNozzleTurbine，簡(jiǎn)稱VNT）19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007近年來(lái)，車用增壓柴油機(jī)的性能不斷改善，平均有效壓力大幅度提高

而可變噴嘴技術(shù)可以有效解決前述問(wèn)題?？勺儑娮飙h(huán)葉片可以繞著各自的軸心共同旋轉(zhuǎn)，隨著噴嘴環(huán)葉片角度的改變，渦輪機(jī)最小流通截面積以及排氣進(jìn)入渦輪的角度和速度都將發(fā)生變化，從而改變了渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓氣機(jī)出口端的增壓壓力。2.可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007而可變噴嘴技術(shù)可以有效解決前述問(wèn)題。2.可變噴嘴渦輪增發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴環(huán)截面積減小，渦輪速度上升，增壓壓力增加，保證了低轉(zhuǎn)速時(shí)的增壓壓力和進(jìn)氣量；發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴環(huán)截面積增大，渦輪轉(zhuǎn)速下降，防止增壓器超速．發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，為了提高增壓器的響應(yīng)速度，可減小噴嘴環(huán)截面積，提高增壓器轉(zhuǎn)速，從而提高增壓壓力和進(jìn)氣量，滿足瞬態(tài)工作時(shí)的進(jìn)氣要求。2.可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴嘴環(huán)截面積減小，渦輪速度上升，增壓壓力增19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）05八月2023李江動(dòng)力工程2013222007噴嘴環(huán)由許多繞著各自樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的噴嘴環(huán)葉片組成，噴嘴環(huán)葉片之間的通道決定著排氣流通截面積的大小。噴嘴環(huán)葉片均勻地排成環(huán)狀并與齒輪相連，齒輪受到噴嘴控制環(huán)的控制，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的拉桿來(lái)回移動(dòng)時(shí)，噴嘴控制環(huán)往復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)嚙合的齒輪，使得各噴嘴環(huán)葉片改變角度，從而實(shí)現(xiàn)改變噴嘴環(huán)出口截面積的目的。2.可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007噴嘴環(huán)由許多繞著各自樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的噴嘴環(huán)葉片組成，噴嘴環(huán)葉片之間采用VNT后可以有效地滿足增壓器與柴油機(jī)的匹配要求，從而顯著地改善柴油機(jī)的性能，下圖所示為采用VNT與采用普通增壓器之間的發(fā)動(dòng)機(jī)性能比較2.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007采用VNT后可以有效地滿足增壓器與柴油機(jī)的匹配要求，從而19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)西歐轎車及輕型車用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)狀況05八月2023李江動(dòng)力工程2013222007大連理工郭鵬江等人以右圖的柴油機(jī)為實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)得到匹配VNT增壓器和帶旁通閥增壓器的柴油機(jī)外特性性能對(duì)比。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)大連理工郭鵬江等人以右圖的柴油機(jī)為實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)得到匹配VNT19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007兩種增壓器外特性對(duì)比兩種增壓器外特性排放對(duì)比兩種增壓器外特性壓后壓力對(duì)比05八月2023李江動(dòng)力工程2013222007從上述3圖可以看出VNT增壓器增加了低速區(qū)域的扭矩；改善了低速區(qū)域的煙度，在中高速區(qū)域與原機(jī)相差不大；所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)油耗率全面優(yōu)于旁通增壓器，油耗降低3%左右；但NOx的排放量在低速時(shí)要高于原機(jī)10*10-6，這主要是由于加大了進(jìn)氣量，形成富氧環(huán)境。由于旁通閥的高速放氣，不致于使進(jìn)氣量過(guò)多而引起增壓器過(guò)載，所以，在進(jìn)行VNT增壓器外特性標(biāo)定時(shí)，力求增加低速時(shí)的進(jìn)氣量，高速時(shí)比旁通增壓器低一些。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)從上述3圖可以看出VNT增壓器增加了低速區(qū)域的扭矩；改善了低此外，吉林大學(xué)孫萬(wàn)臣等人在研究VNT對(duì)車用柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響時(shí)得到如下結(jié)論：(1)采用可變噴嘴渦輪增壓器,合理匹配瞬態(tài)工況VNT噴嘴環(huán)面積,可以減小高瞬變率工況下發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化的程度,有效改善渦輪增壓柴油機(jī)瞬態(tài)工況的排氣煙度。(2)瞬態(tài)工況下VNT噴嘴開(kāi)度對(duì)排氣煙度有明顯的影響,在典型的加速工況和增負(fù)荷工況下分別存在最佳的VNT噴嘴開(kāi)度,使進(jìn)氣量最大,排氣煙度最低。(3)噴嘴環(huán)開(kāi)度過(guò)小,將導(dǎo)致增壓器效率下降,進(jìn)氣量降低,排氣煙度增加。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)此外，吉林大學(xué)孫萬(wàn)臣等人在研究VNT對(duì)車用柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影可變噴嘴渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)“可變”的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的精確控制，通過(guò)執(zhí)行器的快速動(dòng)作改變渦輪噴嘴流通截面積的大小，從而實(shí)現(xiàn)增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)良好匹配的目的。國(guó)內(nèi)外在控制系統(tǒng)研究方面發(fā)展趨勢(shì)相似，從最初的使用有限個(gè)渦輪區(qū)域覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍的簡(jiǎn)單控制，發(fā)展到用油門拉桿位置表征負(fù)荷大小的負(fù)荷控制。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展，可變噴嘴截面渦輪增壓器控制系統(tǒng)的電子控制技術(shù)從上世紀(jì)80年代中期開(kāi)始迅速發(fā)展起來(lái)。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)可變噴嘴渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)“可變”的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的精國(guó)外在可變噴嘴渦輪增壓器的研究方面一直處于領(lǐng)先地位，日本、美國(guó)、德國(guó)等都已開(kāi)發(fā)出了多種典型實(shí)用的可變噴嘴渦輪增壓器形式。國(guó)外對(duì)可變噴嘴渦輪增壓器控制系統(tǒng)的研究最早從上世紀(jì)80年代初便開(kāi)始了，并且研制出了比較成熟的控制系統(tǒng)。在這方面日本尼桑（Nissan）、美國(guó)通用（GM）、德國(guó)大眾（Volkswagen）等公司處于研究的先進(jìn)行列。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)國(guó)外在可變噴嘴渦輪增壓器的研究方面一直處于領(lǐng)先地位，日本、美日本Nissan公司與美國(guó)AlliedSigal公司、GarrettAutomotiveGroup公司共同開(kāi)發(fā)了一種可變噴嘴渦輪增壓器，主要用于Nissan公司新型重型貨車柴油機(jī)上。下圖所示為該增壓器的控制系統(tǒng)示意圖主要由噴嘴葉片執(zhí)行器、PCM單元閥（壓力控制閥）、發(fā)電機(jī)、真空泵、控制單元及各種傳感器和顯示儀表等組成。其中，噴嘴葉片執(zhí)行器為膜片式負(fù)壓執(zhí)行器，它的動(dòng)力源為安裝于發(fā)電機(jī)后端的真空泵，負(fù)壓的大小由PCM閥控制?？刂茊卧鶕?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種傳感器信號(hào)向PCM閥發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)改變PCM閥開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間比（負(fù)載比）來(lái)調(diào)節(jié)由真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓的大小。負(fù)載比的確定是根據(jù)事先標(biāo)定好的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行MAP圖進(jìn)行比較和計(jì)算得到的。2.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007日本Nissan公司與美國(guó)AlliedSigal公19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)Nissan公司的可變噴嘴渦輪增壓器控制系統(tǒng)05八月2023李江動(dòng)力工程2013222007該控制系統(tǒng)的控制方法是對(duì)增壓壓力進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，采用PI（比例―積分）控制算法。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)工況下增壓壓力的響應(yīng)較穩(wěn)態(tài)工況明顯變差，為提高非穩(wěn)態(tài)工況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平滑性，又加入了前饋控制作為PI控制算法的補(bǔ)充。其控制策略是將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下由轉(zhuǎn)速和負(fù)荷所決定的噴嘴開(kāi)度負(fù)載比事先以MAP圖形式存儲(chǔ)于控制單元中，做為前饋控制值，并與PI控制值共同組成控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)PCM閥的控制。2.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007該控制系統(tǒng)的控制方法是對(duì)增壓壓力進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，采用PI下圖所示為美國(guó)GM公司開(kāi)發(fā)的一種用于汽油機(jī)的可變噴嘴渦輪增壓器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由執(zhí)行器、電子壓力調(diào)節(jié)器（EPR）、電子真空調(diào)節(jié)器（EVR）、電子控制包（ECB）、電子控制模塊（ECM）及各種傳感器等組成。其中，執(zhí)行器被設(shè)計(jì)為由膜片分隔成兩個(gè)小氣室的氣動(dòng)執(zhí)行器，兩個(gè)氣室的壓力分別來(lái)自于節(jié)氣門后壓氣機(jī)前的進(jìn)氣歧管和增壓后的進(jìn)氣歧管，兩個(gè)氣室產(chǎn)生的壓力差作為驅(qū)動(dòng)噴嘴葉片旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，由此可以保證氣動(dòng)執(zhí)行器在各種工況下都能有效地克服來(lái)自噴嘴拉桿的阻力。另外，執(zhí)行器兩個(gè)氣室中的壓力又分別受EPR和EVR的控制，其控制信號(hào)來(lái)自于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、節(jié)氣門位置、中冷器溫度等參數(shù)的ECM并受到ECB的調(diào)節(jié)。電子控制包同時(shí)還接收增壓壓力反饋信號(hào)，進(jìn)行閉環(huán)控制。其控制策略是先制出穩(wěn)態(tài)工況增壓壓力控制MAP圖并存儲(chǔ)于ECM中，將當(dāng)前增壓壓力與ECM中的目標(biāo)增壓壓力進(jìn)行比較，電子控制包根據(jù)差值調(diào)節(jié)控制信號(hào)使執(zhí)行器動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增壓壓力的優(yōu)化控制。2.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007下圖所示為美國(guó)GM公司開(kāi)發(fā)的一種用于汽油機(jī)的可變噴嘴渦輪增19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)GM公司的可變噴嘴渦輪增壓器控制系統(tǒng)05八月2023李江動(dòng)力工程2013222007國(guó)內(nèi)在可噴嘴渦輪增壓器的研究方面落后于國(guó)外，只有清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、吉林大學(xué)等少數(shù)幾家單位在從事著增壓器材料、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、參數(shù)匹配等方面的研究。在控制系統(tǒng)研究方面，目前只有清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、吉林大學(xué)、武漢理工大學(xué)做過(guò)這方面的初步研究。2.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007國(guó)內(nèi)在可噴嘴渦輪增壓器的研究方面落后于國(guó)外，只有清華大學(xué)、北北京理工大學(xué)馬朝臣等人為J6110Z柴油機(jī)匹配的VNT設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式氣動(dòng)控制系統(tǒng)其示意圖如右圖所示。該增壓器的噴嘴環(huán)葉片位置由一根擺桿控制，擺桿上分別與彈簧和氣動(dòng)執(zhí)行器的推桿相連，通過(guò)彈簧拉力與氣動(dòng)執(zhí)行器膜片兩端壓力差的平衡來(lái)驅(qū)動(dòng)噴嘴環(huán)葉片旋轉(zhuǎn)。渦輪增壓器的設(shè)計(jì)點(diǎn)選在標(biāo)定點(diǎn)，此時(shí)彈簧的拉力與作用于膜片上的壓氣機(jī)出口壓力相平衡。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)VNT機(jī)械式氣動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖北京理工大學(xué)馬朝臣等人為J6110Z柴油機(jī)匹配的VNT北京理工大學(xué)王軍秋等人研制了一種可變噴嘴渦輪增壓器電子控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由電控單元ECU、渦輪截面開(kāi)度執(zhí)行器（力矩電機(jī)）、傳感器及控制對(duì)象J6110Z柴油機(jī)等組成，其系統(tǒng)示意圖如右圖所示。傳感器采集的參數(shù)（包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，壓力p，執(zhí)行器位移L）輸入ECU；增壓電控單元完成數(shù)據(jù)采集和工況判斷后，把控制信號(hào)輸出到執(zhí)行器；執(zhí)行器把控制輸出信號(hào)變?yōu)闄C(jī)械位移，從而改變渦輪噴嘴截面的開(kāi)度。19八月2023李江動(dòng)力工程20132220072.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)可變噴嘴渦輪增壓器控制系統(tǒng)示意圖北京理工大學(xué)王軍秋等人研制了一種可變噴嘴渦輪增壓器電子控制系可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）作為可變截面渦輪增壓器(VariableGeometryTurbine，簡(jiǎn)稱VGT)的一種主要型式是通過(guò)改變噴嘴環(huán)流通截面積的大小而實(shí)現(xiàn)增壓器與柴油機(jī)的匹配。VNT實(shí)現(xiàn)“可變”的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的精確控制。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，VNT電控系統(tǒng)以其控制精度高、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)而成為研究的重點(diǎn)。國(guó)外開(kāi)發(fā)的電控系統(tǒng)一般成本較高，整體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而國(guó)內(nèi)在該方面的研究則相對(duì)較少，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)也不多。我國(guó)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控制系統(tǒng)的研制,因此,對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的突破,也是國(guó)內(nèi)行業(yè)努力方向之一。2.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)19八月2023李江動(dòng)力工程2013222007可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）作為可變截面渦輪增壓器(Vari噴嘴環(huán)葉片是渦輪增壓器的關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸較小，精度要求高，