重型柴油機匹配VNT的仿真研究

趙艷婷，殷 勇，陳 鎮，韓 瀟，殷 實

(東風汽車有限公司 東風商用車技術中心，武漢 430056)

渦輪機的流量特性是指渦輪機校正質量流量與渦輪膨脹比之間的關系。對于徑流式渦輪來說，不同的渦輪轉速對應不同的流量特性曲線，如圖1所示。對于傳統的渦輪增壓器，如果它匹配在柴油機的額定點，則在低速工況時，由于進氣流量減少，渦輪膨脹比也相應降低，即渦輪入口處的氣體壓力下降，渦輪做功能力降低，導致壓氣機壓比下降，柴油機充氣不足，最終導致動力輸出減少。如果匹配點選在柴油機的低速工況，則高速時會使渦輪膨脹比過大，出現增壓器超速和增壓壓力過高的現象。變截面渦輪可以通過調整渦輪有效流通面積來實現渦輪流量特性在一定范圍內的調節。

某重型柴油機配用VNT（可變噴嘴渦輪增壓器），希望以此為契機探索重卡柴油機實現歐5排放法規的新途徑、新方法。

1 帶VNT的柴油機模型

利用一維發動機性能仿真軟件avl-boost軟件搭建dCi11-EGR柴油機模型如圖2所示。并將校正后的模型里面的傳統渦輪增壓器特性數據替換為VNT特性數據，假設替換前后柴油機噴油量不變，摩擦不變，燃燒參數不變。

不同的VNT開度對應設置不同的特性圖，如圖3所示。

圖4比較了三個型號的傳統渦輪機與當前VNT的特性圖，由圖可見該VNT渦輪機的流量范圍很廣，甚至覆蓋圖中所示傳統的三個渦輪機的流量范圍。

2 帶VNT的柴油機仿真結果

2.1 VNT與動力性經濟性

在對該模型進行多個轉速多種開度的模擬仿真之后，得到結果見圖5至圖7。

對于外特性下的幾個工況點，如圖5和圖6所示，隨著VNT開度的增加，扭矩和功率都有先增大后減小的趨勢，即存在一個最大扭矩（功率）點。隨著轉速的增加，最大扭矩（功率）點對應的VNT開度值增大。由圖可見，各轉速下隨著VNT開度的增大，發動機比油耗先減小后增大，這與最大扭矩（功率）點所對應的最佳VNT開度的趨勢一致。

當渦輪開度較大時，渦輪流通面積較大，因而使相同流量下的渦輪膨脹比降低，做功能力減弱，降低了渦輪增壓器的轉速，進而降低了壓氣機的壓比和流量。但由于沒有隨著渦輪開度的變化相應地調整燃油噴射量，所以柴油機的性能不但沒有增加，反而隨噴渦輪開度的增大，柴油機的輸出扭矩和功率都有所降低。

顯然，如果在減小渦輪開度的同時相應調節柴油機的供油量，使空燃比與原機值相當或略大，則柴油機的扭矩會得到提高，功率輸出將有所增加，經濟性也會得到改善，更重要的是可以改善增壓柴油機的低速扭矩特性，提高其扭矩儲備系數。

當渦輪開度在適當的范圍內調節時，雖然也存在著一定的柴油機排氣背壓，但在一定的渦輪開度的調節范圍內，能夠保證有效掃氣，為提高柴油機的扭矩和輸出功率創造了條件。

當渦輪開度過分小時，由于柴油機排氣背壓較高，對掃氣過程產生不良影響，甚至使廢氣倒流，造成廢氣殘余量較高，因此柴油機工作惡化。

鑒于以上分析，本研究所用VNT開度從0.5開始。見圖8。從0.5到0.72的開度即覆蓋了該柴油機從低怠速到額定工況的使用范圍。表明該VNT相對于該柴油機偏大。同時，幾個高速工況即使在最大扭矩的VNT開度左右變化開度，扭矩值的變化很小。

2.2 VNT與排放性

由圖9可見，在VNT開度較小時的發動機外特性下，各轉速都能夠保證較高的EGR率。這正是由于VNT開度小，導致排氣背壓高，直接導致EGR回路的壓差大，因而能讓更多的廢氣實現再循環。

由圖10和圖11可見，AFR和壓氣機壓比的變化趨勢一致。在較適宜的VNT開度內(大于0.5)逐漸減小。圖11可見，幾個高速工況的壓比最大處卻并不是扭矩最大處，說明每個工況都有最佳壓比，對應著最大扭矩。

對于希望達到歐5排放的柴油機來說，目標EGR應為19%～25%，目標AFR應大于20。而對應最佳扭矩的VNT開度不能實現上述目標。綜合圖9和圖10可知，外特性所有轉速最佳的排放點均出現在VNT開度為0.5時刻。

2.3 動力最佳與排放最佳的比較

動力最佳與排放最佳并沒有都出現在同一處，若要同時考慮動力性和排放性，則要根據發動機本體的目標需求進行選擇，有所取舍的兼顧二者。同時，本研究中并沒有改變噴油參數和燃燒參數，而在實際的實驗過程中勢必可以通過調節噴油和燃燒來改變動力和排放輸出。

扭矩最大差別為30 N，扭矩比較見圖12。功率最大差別為6 kW，功率比較見圖13。比油耗最大差別為4.7 g/kWh，比油耗比較見圖14。

EGR率最大差別為11.69%，EGR率比較見圖15。AFR最大差別為5.71，AFR比較見圖16。

以上的差別皆為最大差別，出現在高轉速。低轉速沒有變化，即低轉速工況達歐5排放目標相對高速容易。

2.4 渦輪增壓器的壓氣機

除了上述的渦輪機偏大之外，還需要確定壓氣機的工作情況。壓氣機與柴油機的聯合運行線如圖17所示。由圖17和圖18得知，該柴油機并沒有運行在壓氣機的高效區，大多數工況效率僅為70%，同時意味著該壓氣機偏大。

2.5 渦輪增壓器的渦輪機

如圖8所示的VNT開度小于0.75，因此選擇渦輪機的時候可以適當降低渦輪尺寸，控制在當前流量的80%之內即可滿足發動機要求，同時提高發動機的瞬態響應性。渦輪機圖譜范圍如圖18所示。

3 小結

本文通過仿真的方法將VNT匹配在某款重型柴油機上，通過仿真分析得到如下結論：

1）隨著VNT開度的增加，扭矩和功率都有先增大后減小的趨勢，即存在一個最大扭矩（功率）點；

2）隨著轉速的增加，最大扭矩（功率）點對應的VNT開度值增大；

3）發動機比油耗的變化趨勢與最大扭矩（功率）點所對應的最佳VNT開度的趨勢相反；

4）該VNT相對于該柴油機偏大；

5）在VNT開度較小時的發動機外特性下，各轉速都能夠保證較高的EGR率；

6）AFR在較適宜的VNT開度內逐漸減小；

7）動力最佳與排放最佳并沒有都出現在同一處，它們的動力輸出相差不大，排放輸出相差很多，必須有所取舍的兼顧二者；

8）在動力性基本維持現狀的前提下，低轉速工況達歐5排放目標相對高速容易一些，高速有些困難；

9）柴油機并沒有運行在壓氣機的高效區，大多數工況效率僅為70%，同時意味著該壓氣機偏大；

10）建議下一步的匹配針對壓氣機和渦輪機，分別匹配合適的尺寸并盡量穿越高效區。