倪計民 劉 思 陳 泓 石秀勇 高旭南

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院 上海 201804)

引言

為了改善增壓柴油機的性能，可變幾何渦輪增壓技術(shù)逐漸受到了重視。國外對VNT(Variable Nozzle Turbocharging，VNT)可變渦輪增壓技術(shù)的研究進行得較早，研究結(jié)果顯示出了其在減小增壓器遲滯、提高低速增壓壓力和轉(zhuǎn)矩方面的能力［1～4］。近年來對增壓系統(tǒng)的研究主要集中在壓氣機葉輪幾何參數(shù)優(yōu)化及流場分析、增壓系統(tǒng)匹配控制以及可變幾何渦輪性能匹配等方面［5～7］，而在外特性工況和 ESC工況下對VNT開度進行優(yōu)化選擇的文獻相對較少。因此，本文將一款帶放氣閥渦輪增壓(Waste Gate，WG)的柴油機改為匹配一款VNT廢氣渦輪增壓器，對增壓柴油機外特性工況和ESC工況進行仿真計算研究，分別以經(jīng)濟性和動力性為評估指標(biāo)，對VNT開度進行優(yōu)化匹配。

1 柴油機建模與標(biāo)定

1．1 發(fā)動機基本參數(shù)

本文的研究對象是一款直列、四缸、高壓共軌、帶放氣閥渦輪增壓中冷柴油機(WG柴油機原機)，其基本結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如表1所示。

1．2 WG柴油機原機建模與標(biāo)定

1．2．1 柴油機GT－Power一維模型的建立

根據(jù)柴油機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用GT－Power軟件建立柴油機一維仿真模型，如圖1所示。

表1 WG柴油機原機基本參數(shù)

圖1 WG柴油機原機GT－Power一維仿真模型

1．2．2 柴油機GT－Power一維模型的標(biāo)定

以比油耗、功率、扭矩、充氣系數(shù)、排氣背壓和進氣歧管壓力為標(biāo)定參數(shù)，對WG柴油機原機GT－Power模型進行標(biāo)定。柴油機GT－Power模型的標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，外特性仿真模擬計算得到性能指標(biāo)曲線和試驗曲線比較吻合，誤差均在5%以內(nèi)。

1．2．3 VNT柴油機 GT－Power一維建模

對WG增壓柴油機原機計算模型進行修改，將WG帶放氣閥渦輪機模塊改為VNT可變渦輪機模塊。圖3為所建立的VNT與柴油機的匹配計算模型，輸入VNT壓氣機和渦輪機MAP圖、不同VNT開度的渦輪機MAP圖，并在GT－Power計算CASE中將VNT開度設(shè)置成指針變量［VNT］，以此模型來對不同VNT開度下的柴油機外特性和ESC運行工況進行優(yōu)化計算［8，9］。

圖2 柴油機外特性性能指標(biāo)仿真與試驗數(shù)據(jù)對比

2 VNT柴油機外特性工況仿真計算

分別計算VNT柴油機外特性工況下的轉(zhuǎn)矩、空燃比以及比油耗的變化，對比分析VNT渦輪增壓器對柴油機動力性的影響。

2．1 VNT柴油機外特性扭矩計算

應(yīng)用GT－Power軟件中的Optimizer模塊，以VNT渦輪機的開度為指針變量，規(guī)定VNT最小開度為0，最大開度為100%，計算過程中指針變量的計算步長為1%，并以外特性工況轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化得出柴油機外特性轉(zhuǎn)矩和VNT開度圖，如圖4所示。圖5為VNT柴油機與原機外特性轉(zhuǎn)矩對比，在外特性工況下柴油機的供油量不變。

從圖4和圖5可以看出，VNT柴油機以外特性工況運行時，VNT渦輪機的開度隨著功率的升高而變大;相比于WG柴油機原機，VNT柴油機外特性轉(zhuǎn)矩均有較大幅度提高，且最大轉(zhuǎn)矩工況的運行范圍拓寬，說明匹配VNT(某款量產(chǎn)產(chǎn)品)后能夠提升該款柴油機的動力性能。

圖3 VNT柴油機GT－Power一維仿真模型

2．2 VNT柴油機的空氣流量和比油耗的變化

圖4 VNT柴油機外特性轉(zhuǎn)矩和對應(yīng)VNT開度

圖5 VNT柴油機外特性轉(zhuǎn)矩和原機對比

VNT增壓系統(tǒng)提高了柴油機的進氣壓力，導(dǎo)致柴油機的進氣量增壓，在供油量一定的前提下，VNT柴油機空燃比增大，可以改善柴油機的燃燒過程，從而提升發(fā)動機的經(jīng)濟性和動力性。圖6為VNT增壓柴油機與原機在外特性工況下的空氣流量對比圖，可以看出VNT柴油機空氣流量明顯高于柴油機原機。分析認(rèn)為，VNT柴油機在不同外特性工況下使用合理的VNT開度，提高了增壓壓力，增加了發(fā)動機的進氣量，空燃比的提高使柴油機的燃燒更加充分，燃燒過程獲得改善，最終導(dǎo)致柴油機經(jīng)濟性提高，有效燃油消耗率呈現(xiàn)出了圖7的變化趨勢。

圖6 VNT柴油機與原機在外特性工況下空氣流量對比

2．3 VNT增壓器與柴油機聯(lián)合運行曲線

WG渦輪增壓器通過壓氣機出口壓力來控制渦輪進氣口處廢氣閥門的開啟，在柴油機高速高負(fù)荷時，廢氣閥門打開放掉部分廢氣，從而防止增壓器超速，以降低進氣歧管壓力。VNT渦輪增壓器是在渦輪進氣側(cè)安裝可移動導(dǎo)片，根據(jù)發(fā)動機工況實時調(diào)整葉片角度，從而改善渦輪增壓柴油機低速響應(yīng)性和加速性能，使增壓柴油機獲得良好的綜合性能。

圖7 VNT柴油機與WG柴油機原機在外特性工況下的有效燃油消耗率對比

VNT渦輪增壓系統(tǒng)提高了柴油機外特性工況點的增壓壓力和增壓進氣量，這有利于柴油機經(jīng)濟性的改善和動力性能的提高。圖8和圖9分別給出了WG渦輪增壓器(某量產(chǎn)產(chǎn)品)、VNT渦輪增壓器(某量產(chǎn)產(chǎn)品)與柴油機在外特性工況點的聯(lián)合運行曲線。

圖8 WG渦輪增壓器與柴油機的聯(lián)合運行曲線

圖9 VNT渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機的聯(lián)合運行曲線

從圖8和圖9可以看出，WG柴油機低轉(zhuǎn)速運行時，增壓器轉(zhuǎn)速較低，效率較差，而VNT柴油機外特性工況點的增壓壓比與增壓進氣量曲線均通過了壓氣機的高效率區(qū)域，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速提高，聯(lián)合運行曲線的高效率范圍寬廣，且外特性低工況點遠離喘振線，這表明VNT渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機匹配性能良好。

3 VNT柴油機ESC工況仿真計算

根據(jù)所確定的ESC工況，對VNT柴油機的VNT開度進行優(yōu)化計算，并計算ESC工況下的有效燃油消耗率加權(quán)值，分析VNT渦輪增壓器對柴油機經(jīng)濟性的影響。

3．1 VNT柴油機ESC計算工況的確定

根據(jù)柴油機ESC工況的計算方法，結(jié)合VNT增壓柴油機的外特性工況轉(zhuǎn)矩，計算了該VNT增壓柴油機的ESC運行工況，如表2所示。

表2 VNT渦輪增壓系統(tǒng)柴油機ESC工況

3．2 VNT柴油機ESC工況的VNT開度優(yōu)化計算

對于VNT柴油機的每個ESC運行工況，均存在最優(yōu)的VNT開度，使柴油機在此工況下運行時的有效燃油消耗率最低。采用GT－Power軟件中的Optimizer模塊，以柴油機ESC運行工況點的比油耗為優(yōu)化目標(biāo)，得出柴油機最優(yōu)VNT開度和有效燃油消耗率仿真優(yōu)化計算結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，對于VNT柴油機ESC運行工況，在轉(zhuǎn)速不變的條件下，隨著負(fù)荷的降低，VNT開度逐漸增大。分析認(rèn)為，在相同轉(zhuǎn)速下，隨著柴油機負(fù)荷的降低，空燃比變大，空氣量相對充分，此時VNT開度增大，可以實現(xiàn)在不明顯影響燃燒過程的情況下，達到降低泵氣損失的目的。因此，VNT開度隨負(fù)荷降低而增大，能夠降低柴油機的有效燃油消耗率。

圖11為VNT柴油機和WG柴油機原機ESC工況空燃比的對比，表明VNT柴油機在所有ESC運行工況范圍內(nèi)的空燃比大于WG柴油機原機，有利于柴油機熱效率的提高。

3．3 VNT柴油機ESC工況的加權(quán)油耗

圖10 VNT柴油機ESC運行工況最優(yōu)VNT開度和有效燃油消耗率

根據(jù)圖10的仿真計算結(jié)果，結(jié)合怠速油耗值，計算了VNT柴油ESC工況下的有效燃油消耗率加權(quán)值，與WG柴油機對比值如表3所示。

表3 VNT和WG柴油機ESC工況比油耗加權(quán)計算值

圖11 VNT柴油機和WG柴油機原機ESC運行工況空燃比

續(xù)表

從表3可以看出，VNT渦輪增壓系統(tǒng)改善了柴油機的進氣和燃燒過程，提升了柴油機的燃油經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

本文研究了VNT與柴油機的匹配特性，對VNT柴油機外特性工況和ESC工況下的VNT開度進行了優(yōu)化仿真計算研究，所得結(jié)論如下:

1)配置VNT的柴油機與WG柴油機原機相比，外特性轉(zhuǎn)矩均有較大幅度提高，說明采用合適的VNT可變渦輪增壓系統(tǒng)提升了柴油機的動力性能。

2)渦輪增壓器壓氣機與柴油機的聯(lián)合運行曲線表明，VNT柴油機外特性工況點的進氣量曲線通過了壓氣機的高效率范圍，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高，聯(lián)合運行曲線的高效率范圍擴展，說明此VNT渦輪增壓器與柴油機匹配性能良好。

3)VNT柴油機在不同外特性工況下使用合理的VNT開度，其空氣流量和比油耗與WG柴油機對比表明，VNT渦輪增壓系統(tǒng)使柴油機經(jīng)濟性得到提高。

4)VNT柴油機ESC工況加權(quán)比油耗值與WG柴油機原機相比有所降低，下降幅度約為3．8%，表明VNT柴油機具有良好的燃油經(jīng)濟性。

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