随着高功率密度、宽转速运行范围柴油机的不断发展,增压系统与柴油机匹配的要求也越来越高。相继涡轮增压系统是一种提高柴油机低速工况燃油经济性和瞬态响应性、降低碳烟排放的有效措施。当前相继增压系统一般是采用2台相同涡轮增压器或大小不同涡轮增压器的2阶段相继增压,当柴油机采用2阶段相继增压时,还需要采用进排气旁通、废气放气或旁通补燃等措施才能兼顾全工况性能。相继涡轮增压的阶段数越多,越能使增压系统的特性接近柴油机的需求,但是,目前存在的3阶段相继涡轮系统都要采用至少3台涡轮增压器,结构体积大且成本高。为此,本文针对一种新型的采用2台不同尺寸涡轮增压器并联的3阶段相继增压系统进行了研究。该系统通过在柴油机低速工况只采用小涡轮增压器、中速工况只采用大涡轮增压器以及高速工况采用大小2台增压器并联运行的方式来实现相继增压系统的3阶段可调,较好的解决了增压系统与柴油机的匹配矛盾。本文详细研究了大小涡轮3阶段相继增压系统的关键部件及测控系统的设计开发,掌握了其稳态匹配规律和瞬态切换控制策略,并探讨了其瞬态加速加载性能的问题。以D6114柴油机为基础进行了进排气切换阀门系统、气动执行机构系统和控制采集系统的设计研制,完成了柴油机大小涡轮相继增压系统的试验样机的开发。研制的高温排气切换阀门耐温高达750℃,切换阀门的全开至全闭时间小于0.1s,内外部泄漏等级均能达到相继增压系统的要求。在试验样机上,进行了不同增压器匹配的车用特性和推进特性的稳态试验研究,根据燃油经济性最优的原则确定了各特性下的大小涡轮3阶段相继增压系统的稳态匹配规律。与原机普通增压系统的对比试验结果表明,柴油机采用该相继增压系统后性能有了较大改善,尤其是在低速高负荷工况时,燃油消耗率下降达7.1%,碳烟降幅近70.2%,涡前排气温度降低12.6%。在大小涡轮3阶段相继增压系统瞬态切换试验中,通过控制进排气切换阀门的开闭顺序及延迟时间,改善切换过程的平稳性,从而得到该系统的瞬态切换控制策略。不同切换转速的试验结果表明,在同一类型的切换过程中(由小增压器切换至大增压器或由大增压器切换至小增压器),切换转速越高,切换时进气压力瞬时下降幅度越小而发动机转速下降幅度越大,但是恢复到目标值的时间越短。而且,在同一切换转速下,由大TC切换至小TC的发动机进气压力及转速下降幅度和恢复到稳定值的时间都比由小TC切换至大TC时少。大小涡轮相继增压系统上、下行切换试验结果表明,阀门切换过程中发动机转速波动范围随着负荷的升高而增大。在切换前后发动机负荷恒定的情况下,对切换前后发动机转速相同和切换前后喷油量相同等两种控制模式下的切换过程进行了试验对比,结果表明,前者的上、下行切换线之间的转速差高于后者。对柴油机采用大小涡轮相继增压系统的瞬态加速加载过程进行了试验研究,确定了该系统的加速优化切换方案。试验结果表明,在恒转速加转矩过程中,相同的加载时间下采用大小涡轮相继增压时发动机的pme上升速度快于原机,但恒定转速越高,二者的差别也越小。恒转矩加转速过程中,相同加速调节时间下的发动机转速上升时间随着发动机转矩的增高而增长,而且,由小增压器切换至大增压器而引起的发动机转速的降低值也随发动机负荷的升高而增加。在小增压器单独工作的许用工况范围内,发动机进行恒转矩加转速的过程时,单独采用小增压器时的加速性能最优。因此,在发动机加速过程中,初始工况是小增压器单独运行时,优化的相继增压系统切换方案是以小增压器单独运行的外特性边界为切换边界。