基于某两级涡轮增压柴油车扭矩波动问题分析

张文博 马志杰

摘要：两级涡轮增压器通过气道阀门开关，在发动机不同转速下实现不同的气体流动方式，以满足发动机全转速范围的增压压力要求，提高车辆不同工况的加速性。本文通过改真空系统的设计，提高真空系统的容积，解决了采用两级涡轮增压器的柴油车辆在路试中产生的扭矩波动和加速迟滞等问题，并通过优化布置结构，进一步提高了真空系统真空度的稳定性。

Abstract： The two-stage turbocharger realizes different gas flow modes at different engine speeds through the airway valve switch， so as to meet the requirements of supercharging pressure in the whole engine speed range and improve the acceleration of vehicles under different working conditions. By changing the design of vacuum system and improving the volume of vacuum system， this paper solves the problems of torque fluctuation and acceleration hysteresis in the road test of diesl vehicles with two-stage turbocharger， and further improves the stability of vacuum system by optimizing the layout structure.

關键词：扭矩波动;两级涡轮增压器;真空度

Key words： torque fluctuation;two stage turbocharger;vacuum degree

中图分类号：TK421                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0039-03

0  引言

现代柴油机的升扭矩和升功率指标越来越高，更高的升扭矩意味着增压器更高的增压比，更高的升功率意味着更大尺寸的增压器轮系，即更大的增压器转动惯量。以上两方面进一步恶化了“涡轮迟滞”[1]，所以行业内某些发动机应运而生采用两级涡轮增压技术，相比单级增压系统，两级增压系统具有高压比、宽流量的优点[2]。同时，由于两级增压系统在低速匹配流量小、转子转动惯量小的高压级涡轮增压器，可以较好的改善发动机的低速扭矩和瞬态响应性[3]。两级涡轮增压器主要有机械增压配合涡轮增压和双涡轮增压系统两种方式[4]，其中双涡轮增压系统采用真空控制阀和管路控制增压器气道阀门开关，所以阀门的及时响应成为一个比较关键的问题。若阀门关闭耗时慢，关闭时间不及时，将直接反应在增压器增压压力不足，导致车辆在行驶过程中出现扭矩波动，或加速不畅等问题。本文针对实际应用两级涡轮增压器的柴油车辆在路试过程中出现的扭矩波动等问题，通过更改真空系统布置结构从而加快增压器气道阀门关闭响应的方式，进行研究、验证和解决。

1  问题背景

在本公司某一开发过程中的两级增压柴油机车辆路试时，出现增压器增压压力波动和真空度下降问题，如图1所示。其具体表现为：车辆行驶时，当发动机从转速降低到约1500rpm以下，增压器从两级切换到单级时，真空源的真空度从-93kPa升高到-21kPa，增压压力从223kPa下降到116kPa，车辆扭矩降低，加速响应慢。

2  系统介绍和根本原因

2.1 两级涡轮增压器

两级涡轮增压器结构上相比单级增压器增加了一个废弃涡轮和压气涡轮，且两组涡轮直径不同，转动惯量存在差异，靠近高压废气的（靠近排气歧管）为高压涡轮组，远离高压废气的为低压涡轮组，如图2所示。图3展示了两级涡轮增压器的基本工作原理：发动机低转速时，TBV关闭，WGV关闭，CBV关闭，废气先进入高压涡轮（HP turbocharger），再进入低压涡轮（LP turbocharger），但此时废气能量较低，低压涡轮基本不起作用;发动中转速时，TBV开启，WGV关闭，CBV关闭，此时废气能量较高，高低压涡轮同时工作，增压器由单级模式切换为两级模式;当发动机进入高转速时，TBV、WGV和CBV同时开启。TBV、WGV和CBV三个阀门的开关通过真空控制阀控制。

2.2 真空控制阀系统

两级涡轮增压器的TBV、WGV和CBV三个阀门，通过三个真空控制阀来控制它们的开关，如图4所示。而真空控制阀是由ECU控制的三通电磁阀，通常在电磁阀运动阶段，ECU提供给电路线圈定常高压电，在这期间电流逐渐达到最大值。当电磁阀闭合进入保持阶段，驱动模块提供给电路线圈一定常低电压，电流被降低到仅仅维持阀芯与内套处于闭合状态的数值。[5]

真空控制阀系统的真空源来自真空泵，真空泵由发动机凸轮轴带动，为系统提供真空度。从真空泵端连接的管路连接到三个电磁阀进口，再从电磁阀出口连接管路到增压器。电磁阀根据发动机转速进行开关，从而控制与增压器连接的管路中的真空度，进而控制增压器的内部通道阀门开关。

2.3 根本原因分析

根据路试实际表现，车辆加速响应慢主要来源于增压压力的降低，此为问题表象。同时分析真空度下降：因为真空度的大小、是否稳定，将直接影响增压器通道阀门的开关响应和速度。当真空度不足时，阀门将无法完全关闭，而当真空度建立较慢时，阀门也将关闭缓慢。根据实测数据和现有结构，分析得出根本原因为：当发动机转速降低到约1500rpm以下时，此时增压器将由两级切换为单级，即TBV将关闭，废气只流向两个涡轮而不被旁通。TBV关闭由图5中的C电磁阀控制，即电磁阀收到指令，打开内部开关，此时A管路中的气体将通过C传到B处的管路。而B处的管路此时有一定的真空度存在，但由于被A管路中的气体混和，A+B整个管路段真空度将会降低，从而导致TBV处真空度不够，而建立真空度又尚需一定时间，所以导致TBV处的气体被旁通，发动机增压压力不足，车辆实际表现为扭矩降低，加速响应慢。

3  结构更改和测试

3.1 真空罐

从根本原因角度出发，为避免电磁阀开启后，两段管路中的气体混合导致真空度下降，定义长期措施为增加一个真空罐在整个真空系统中，以增加整个真空系统的容积，减弱外部混合进来的气体对整个真空系统的真空度影响。如图6所示：其中D处为真空罐，其设计容积根据供应商推荐值——1～1.5L，初步选择1.5L，它由管路连接至一个三通管，三通管另两端分别连接真空助力器和真空泵的主吸氣口。真空泵的副吸气口连接至真空控制阀管路。这样，整个真空系统的容积将大大增加，即便TBV处的一小段管路的空气进入，也不会使整个真空系统的真空度损失很多。

3.2 实车验证

定义长期措施后，设计数据和制作样件，然后通过实车搭载验证方案可行性。试验结果表明（见图7）：随着发动机转速降低，增压器TBV阀由开启到关闭时，真空度从-88kPa下降到-76kPa，较为稳定。同时增压器增压压力也控制较好。

4  结构优化

在设计更改过程中，真空罐的管路与三通管相连，三通管引出管路连接真空泵。真空泵有主吸气口（图8中E）和副吸气口（图8中F），主吸气口连接真空助力器和真空罐，副吸气口连接真空控制阀的管路。在此真空泵结构中，E和F是相通的，真空罐中的真空源要通先过主吸气口，再通过副吸气口，才能传递到真空控制阀的管路中，若副吸气口直径较小，或内部存在其他结构，将影响真空度的传递。本文研究的发动机上的真空泵副吸气口内径为2.5mm，相对较小，为避免在某些复杂工况上影响真空孔控制阀管路中的真空度，从而影响增压压力、扭矩和加速性，将真空系统结构进行优化。

如图9将真空助力器的管路与真空罐的管路分开布置，并将真空控制阀的管路引出接头，将真空罐的管路与真空控制阀的管路直接相连。此时，增压器的真空系统将全部由真空泵的副吸气口来抽取真空，真空度的提供将更直接，真空度也会更加稳定。按此方案更改后的结构进行实车测试，测试结果符合预期。

5  电机控制

两级涡轮增压器通过控制不同气道阀门的开关来使发动机在任何转速下都能获得稳定和较大的增压压力，以使车辆在从低速到高速或其他复杂工况下都能实现良好、线性的扭矩输出，提供优质的驾驶感受。但通过真空控制阀控制的两级涡轮增压器，因阀门开关响应直接取决于电磁阀响应以及真空度的符合性和稳定性，在某些工况或地域，仍会可能发生气道阀门开关响应慢、动力输出迟滞等问题。在行业某些车辆上，已有使用电机控制气道阀门开关的两级涡轮增压器，其使用电机通过齿轮、阀杆等传动机构控制阀门的开关，响应快，控制及时。但此种增压器价格昂贵，应用较少。

6  结论

对于两级涡轮增压器的气道阀门控制，若采用真空阀控制，则应在设计前期分析和评估系统的真空度大小和稳定性，当增压器切换气道时，真空系统应满足阀门控制的最小真空度要求，并响应及时，防止出现真空波动，引起增压压力变化，导致车辆扭矩波动，出现加速响应迟滞等问题。

若增加真空罐来增加真空系统的容积，应考虑真空罐与真空控制阀管路之间的连接性，若非直接相连，应充分评估真空度在增压器切换气道时传递的及时性。

本文通过扩大两级涡轮增压器的真空系统容积，即增加1.5L真空罐和真空罐管路，解决了实车在路试过程中出现的扭矩波动和加速响应迟滞等问题。并通过优化布置结构，通过将真空罐、真空罐管路与真空控制阀管路直接相连的方式，再次提高真空系统真空度的稳定性。

目前国内以及行业内两级增压应用并不广泛，本研究旨在为两级涡轮增压器控制系统的设计提供铺垫、案例并抛砖引玉。

参考文献：

[1]卢安，杨于奇，张亚洲，等.优化增压器以改善发动机低速响应性的措施[J].内燃机，2020，2：10-12.

[2]张众杰，刘瑞林，杨春浩，等.柴油机两级涡轮阀可调增压系统变海拔控制策略研究[J].汽车工程，2020，42（2）：150-151.

[3]张淑华，孙晓娜，麻春辉.车用柴油机两级涡轮增压系统匹配研究[N].承德石油高等专科学校学报，2016，18（1）：33-34.

[4]宋学忠，付薛洁，牛帧.汽车发动机双增压技术[J].内燃机与配件，2016，7：10-12.

[5]李明杰，张爱宇，王超，等.真空控制阀功能失效分析[J].内燃机，2018，2：28-29.