VNT可變渦輪增壓器與柴油機的匹配研究

倪計民 劉 思 陳 泓 石秀勇 高旭南

(同濟大學 汽車學院 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逐漸受到了重視。國外對VNT(Variable Nozzle Turbocharging，VNT)可變渦輪增壓技術的研究進行得較早，研究結果顯示出了其在減小增壓器遲滯、提高低速增壓壓力和轉矩方面的能力［1～4］。近年來對增壓系統的研究主要集中在壓氣機葉輪幾何參數優化及流場分析、增壓系統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，分別以經濟性和動力性為評估指標，對VNT開度進行優化匹配。

1 柴油機建模與標定

1．1 發動機基本參數

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)，其基本結構和性能參數如表1所示。

1．2 WG柴油機原機建模與標定

1．2．1 柴油機GT－Power一維模型的建立

根據柴油機的基本結構參數，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

圖1 WG柴油機原機GT－Power一維仿真模型

1．2．2 柴油機GT－Power一維模型的標定

以比油耗、功率、扭矩、充氣系數、排氣背壓和進氣歧管壓力為標定參數，對WG柴油機原機GT－Power模型進行標定。柴油機GT－Power模型的標定結果如圖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曲線和試驗曲線比較吻合，誤差均在5%以內。

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運行工況進行優化計算［8，9］。

圖2 柴油機外特性性能指標仿真與試驗數據對比

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

應用GT－Power軟件中的Optimizer模塊，以VNT渦輪機的開度為指針變量，規定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%，并以外特性工況轉矩為優化目標，優化得出柴油機外特性轉矩和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柴油機外特性轉矩均有較大幅度提高，且最大轉矩工況的運行范圍拓寬，說明匹配VNT(某款量產產品)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柴油機外特性轉矩和對應VNT開度

圖5 VNT柴油機外特性轉矩和原機對比

VNT增壓系統提高了柴油機的進氣壓力，導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，從而提升發動機的經濟性和動力性。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，最終導致柴油機經濟性提高，有效燃油消耗率呈現出了圖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安裝可移動導片，根據發動機工況實時調整葉片角度，從而改善渦輪增壓柴油機低速響應性和加速性能，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(某量產產品)、VNT渦輪增壓器(某量產產品)與柴油機在外特性工況點的聯合運行曲線。

圖8 WG渦輪增壓器與柴油機的聯合運行曲線

圖9 VNT渦輪增壓系統與柴油機的聯合運行曲線

從圖8和圖9可以看出，WG柴油機低轉速運行時，增壓器轉速較低，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域，渦輪增壓器的轉速提高，聯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渦輪增壓系統與柴油機匹配性能良好。

3 VNT柴油機ESC工況仿真計算

根據所確定的ESC工況，對VNT柴油機的VNT開度進行優化計算，并計算ESC工況下的有效燃油消耗率加權值，分析VNT渦輪增壓器對柴油機經濟性的影響。

3．1 VNT柴油機ESC計算工況的確定

根據柴油機ESC工況的計算方法，結合VNT增壓柴油機的外特性工況轉矩，計算了該VNT增壓柴油機的ESC運行工況，如表2所示。

表2 VNT渦輪增壓系統柴油機ESC工況

3．2 VNT柴油機ESC工況的VNT開度優化計算

對于VNT柴油機的每個ESC運行工況，均存在最優的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化目標，得出柴油機最優VNT開度和有效燃油消耗率仿真優化計算結果如圖10所示。

從圖10可以看出，對于VNT柴油機ESC運行工況，在轉速不變的條件下，隨著負荷的降低，VNT開度逐漸增大。分析認為，在相同轉速下，隨著柴油機負荷的降低，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工況的加權油耗

圖10 VNT柴油機ESC運行工況最優VNT開度和有效燃油消耗率

根據圖10的仿真計算結果，結合怠速油耗值，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

續表

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

4 結論

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開度進行了優化仿真計算研究，所得結論如下:

1)配置VNT的柴油機與WG柴油機原機相比，外特性轉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，渦輪增壓器的轉速在整個轉速范圍內提高，聯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渦輪增壓系統使柴油機經濟性得到提高。

4)VNT柴油機ESC工況加權比油耗值與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濟性。

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