匹配VGT柴油機的熱力參數特性與性能模擬

付錦云

（武漢船舶職業技術學院，湖北武漢 430050）

渦輪增壓技術可有效地提高動力性、改善燃燒、提高經濟性、減少廢氣中的HC、CO 及C粒和降低噪聲。車用柴油機由于工況范圍寬，導致廢氣渦輪增壓器與發動機匹配產生矛盾，而VGT技術有效解決了這一矛盾，是改善廢氣渦輪增壓器與車用柴油機匹配性能較理想的方案［1-4］。

世界上有各種渦輪特性調節機構，諸如轉葉式、舌形擋板式、可變喉口式等，其差別在于起作用的部位不同，對渦輪工作的熱效率影響不同。最常見可變幾何渦輪增壓器包含：變喉口增壓器、舌形擋板增壓器和可變噴嘴環增壓器（VNT）［5-7］。

本文首先介紹了VGT 的工作原理和優點，然后從匹配要求和VGT 葉片轉動的參數特性兩方面對其與油機匹配進行了熱力建模，最后給出了葉片轉角與發動機油門開度和發動機轉速的變化，以及增壓比隨發動機轉速變化的模擬結果，并且進行了簡要分析。

1 VGT 的工作原理與優點

采用VGT 技術的渦輪增壓系統的核心是導流葉片，其作用是調節渦輪截面。從圖1中可以看出，在渦輪的外側，增加了一圈導流葉片，導流葉片的相對位置是固定的，但是葉片角度可以電控系統控制和調整。在系統工作時，廢氣順著導流葉片流到渦輪葉片上，通過葉片角度的調整，達到控制流經渦輪葉片氣體的流量和流速，進而控制渦輪轉速的目的。

圖1 采用VGT 技術的渦輪增壓系統

在發動機低轉速運轉時，排氣壓力低，導流葉片打開較小的角度，使得導入渦輪處的空氣流速加快，進而增加渦輪處的壓力，順利推動渦輪轉動，有效的減輕了渦輪遲滯的現象，改善了發動機低速運轉時的響應速度和加速性能。

隨著發動機轉速的上升，排氣的壓力逐漸增大，葉片打開的角度隨之逐漸增加，在發動機全負荷運轉時，葉片保持全開，減小了排氣背壓，達到了良好的增壓效果。而且由于葉片角度的改變能夠有效的控制渦輪的轉速，故而同時實現了對渦輪的過載保護。

采用VGT 的目的有三個方面：（1）、在發動機低速運轉時有較高的增壓壓力，進而產生較大的轉矩；（2）、發動機在額定點附近運轉時，渦輪增壓壓力不致過高，避免發動機過高的機械負荷和渦輪增壓器的超速.；（3）、發動機部分負荷時，通過可變截面渦輪增壓，改善發動機的性能。通過渦輪增壓器的調節改善增壓器與發動機之間的匹配，從而達到改善車用增壓發動機轉矩特性的目的。可變截面渦輪增壓與電控技術相結合后，可實現發動機運轉全工況范圍內發動機與增壓器的最佳匹配，達到發動機性能全面優化的目的。VGT 可變截面渦輪增壓器只能通過改變排氣入口的橫切面積來改變渦輪的特性，但是渦輪的尺寸并不會發生變化。

2 VGT柴油機的熱力性能參數分析

2.1 匹配性能要求

（1）要使得在同一膨脹比變化率下，渦輪流量范圍更廣，則VGT 渦輪的流量特性曲線的工作段應盡量平坦。

（2）在渦輪改變截面后，要想保持較高的渦輪效率，則VGT 渦輪的效率特性曲線的高效率區應盡量平緩和范圍寬。

（3）要使得VGT 渦輪有足夠的流量范圍，也就是渦輪的最大流通特性比發動機的最大耗氣特性大，渦輪的最小流通特性比在最大轉矩轉速下發動機的耗氣特性小，并盡量保持較高的效率，才能通過減小渦輪截面的方法來提高加速時的響應。

2.2 VGT 葉片轉動的參數特性

（1）噴嘴環出口面積An：

其中：d 為噴嘴葉片間垂直距離；bn為葉片寬度；N 為噴嘴葉片數。

渦輪的相似流量計算公式為［2］：

上式中：A 為當量面積；An、AT分別為噴嘴環出口和葉輪出口喉部面積；π=p＊／p2為級膨脹比，p2為葉輪出口處的壓力；μ 為流量系數；ρ為反動度；ρ1、ρ2 分別為噴嘴環出口和葉輪出口的工質密度HST；為渦輪級等熵焓降；ˉD2為渦輪葉輪出口直徑比；G2m、D2、D0分別為渦輪葉輪出口的平均直徑、外徑、輪轂直徑；其他速度參數的含義不再羅列。

壓氣機的絕熱壓縮功Hc：

式中：T1為壓氣機進口工質溫度；π 為增壓比。

壓氣機出口的工質溫度：Tc

渦輪前的燃氣平均滯止溫度：T＊

式中：qw為冷卻水帶走的熱量損失百分率；Hu為燃油低熱值；φac為總過量空氣系數；CPC為空氣的定壓比熱容；CPT分別為空氣和燃氣的定壓比熱容。

壓氣機的耗功為：

渦輪膨脹產生的功率為：

注意：對于壓氣機與膨脹機工質分別對應空氣與燃氣，所以其物性參數分別使用空氣與燃氣的物性參數。

3 性能模擬與討論

在過量空氣系數一定（1.85）以及發動機轉速一定時，圖2給出了葉片轉角隨油門位置變化的模擬情況。在轉速不變的情況下，葉片轉角隨負荷的增大而減小。在油門開度為50%以下時，若保持較小的過量空氣系數，則葉片轉角數值會較大，甚至有可能超出可調葉片所允許轉動的角度。

過量空氣系數一定時，圖3給出了葉片轉角隨發動機轉速變化的模擬情況，圖4給出了增壓比隨發動機轉速變化的模擬情況。從圖中可以看出，當過量空氣系數保持不變時，葉片轉角會隨發動機轉速的增加而增大增壓比也隨之增大；在過量空氣系數增大時，葉片轉角應逐漸減小，過量空氣系數隨增壓比的增大而增加。

圖2 葉片轉角隨發動機油門位置開度變化的模擬情況

圖3 在過量空氣系數不同的情況下，葉片轉角隨轉速變化的模擬情況

圖4 不同過量空氣系數時增壓比隨轉速變化的模擬情況

4 結 語

VGT 是在發動機運行工況發生變化時，根據發動機運行工況的改變調整渦輪流通截面的增壓器，該技術是改善廢氣渦輪，增壓器與車用柴油機匹配性能較理想的方案，除了具備常規渦輪所具備有的流量特性和效率特性外，當渦輪噴嘴環的角度發生變化時，渦輪的流通面積也隨之變化，進而改變了渦輪流量特性和效率特性。

1 蔣得明 內燃機的渦輪增壓機械［M］.工業出版社，1986

2 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器［M］.北京：機械工業出版社，1992

3 馬朝臣.郭林福.徑流式有葉渦輪流量特性預測及試驗研究［J］.北京理工大學學報，2002（6）：24～29

4 宋雪樺等.基于分布式技術的VGT 和EGR 控制研究［J］.內燃機工程，2011（6）：30～38

5 王滸等.基于VGT 的EGR 對電控柴油機影響的試驗研究［J］.內燃機學報，2009（2）：109～115

6 Steve A mold，Mark G roskreutz.Advanced Variable Geometry Turbocharger for Diesel Engine Applications［C］.SAE Paper 2002-01-161，2002.

7 Volker Mueller，Ralf Christmann，Stefan Muenz.System Structure and Controller Concept for an Advanced Turbocharger／EGR System for a Turbocharged Passenger Car Diesel Engine［C］.SAE Paper 2005-01-3888，2005.

8 呂偉.可調渦輪增壓器（VGT）控制技術的研究［D］.北京：中國農業大學，2003

9 張哲，馬朝臣.VGT 的發展及可調結構配合間隙優化方法的研究［J］.北京：車輛與動力技術，2005（2）