可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）對高原地區(qū)車用柴油機性能與排放的影響研究

楊永忠，申立中，畢玉華，雷基林，王俊

可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）對高原地區(qū)車用柴油機性能與排放的影響研究

楊永忠1,2，申立中1，畢玉華1，雷基林1，王俊1

（1.昆明理工大學 云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500；2.昆明云內動力股份有限公司，昆明 650000）

系統(tǒng)研究可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）對運行在高原地區(qū)的車用柴油機動力性、經濟性以及排放性能的影響關系，為高原地區(qū)電控柴油機與VNT的匹配控制以及降低其污染物排放提供一定的理論指導。在海拔高度約為1960 m的高原地區(qū)，選取柴油機的典型運行工況，即低速1400 r/min全負荷、2200 r/min全負荷（最大轉矩工況）以及4000 r/min全負荷（額定功率工況），通過試驗研究VNT對柴油機性能與排放的影響。在低速工況，隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，動力性降低，經濟性惡化；在最大轉矩與額定功率工況，均存在一個最佳的VNT噴嘴環(huán)開度使得轉矩最大，同時油耗最低。隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，進氣流量、空燃比、中冷前壓力、中冷前溫度以及渦前壓力均降低，而渦前溫度升高。在三個典型運行工況下，隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，氮氧化物（NO）比排放逐漸降低，而煙度、一氧化碳（CO）以及碳氫（HC）比排放逐漸升高，VNT對HC排放的影響較小。在高原地區(qū)，通過減小VNT噴嘴環(huán)開度可以降低渦前溫度，進而降低柴油機的熱負荷，提高其可靠性，合理調節(jié)VNT噴嘴環(huán)開度可以獲得較為滿意的NO比排放與煙度排放。

柴油機；高原；可變噴嘴渦輪增壓器；比排放

高原地區(qū)較低的大氣環(huán)境壓力給柴油機帶來諸多不利影響，如動力性下降、經濟性惡化、部分污染物排放增加以及可靠性下降等問題[1-5]。目前，國內外提高柴油機高原環(huán)境適應性開展的研究工作中，增壓技術是最重要的技術手段之一[6]。增壓匹配可以提升柴油機的功率密度，降低油耗和污染物排放。當海拔上升時，渦輪增壓器具有自補償能力，能夠在一定程度上補償因海拔升高、大氣壓力降低引起的進氣量減少問題。當前，車用柴油機應用最多的是排氣旁通式渦輪增壓技術[7-8]。當海拔上升到一定高度后，受壓氣機喘振、增壓器超速以及聯合運行點等的限制，傳統(tǒng)的排氣旁通式渦輪增壓器的進氣補償作用將不足以彌補因大氣壓力和密度的大幅下降而帶來的進氣量降低，因而柴油機的高原性能也受到一定的影響。為恢復柴油機的高原性能，需要采用更加先進的高增壓技術，如可變渦輪增壓技術。

可變渦輪增壓技術，如可變幾何截面渦輪增壓（VGT）或者可變噴嘴渦輪增壓（VNT），通過調節(jié)導流葉片開度或者噴嘴環(huán)開度能夠在較高的海拔地區(qū)保持較為充足的進氣流量，進而改善柴油機的運行性能。另外，合理控制VNT噴嘴環(huán)開度，還可以有效防止高原地區(qū)增壓器超速現象的發(fā)生。張海雷等人[9-10]進行了VGT柴油機變海拔匹配性能的仿真研究，結果表明：與匹配固定截面渦輪增壓器（FGT）的柴油機相比，匹配VGT的柴油機能夠明顯改善因海拔上升引起的柴油機性能下降的問題。靳嶸等人[11]基于VNT建立了柴油機變海拔自適應增壓系統(tǒng)，利用高原柴油機模擬試驗臺進行了0~4000 m不同海拔下的模擬對比試驗，結果表明：采用VNT之后，改善了柴油機運行在高海拔地區(qū)性能下降的狀況，解決了高海拔地區(qū)增壓器喘振的問題。楊殿勇等人[12]在高原地區(qū)與平原地區(qū)上，對裝有匹配VNT柴油機的客車進行了起動、起步加速、換擋加速及減速等變工況下的瞬態(tài)性能試驗研究。

除了單獨研究VGT或VNT對恢復高原環(huán)境下柴油機的性能之外，劉瑞林等人[13]針對高壓級匹配VGT的二級可調增壓系統(tǒng)，研究了不同海拔下VGT葉片開度對二級可調增壓柴油機性能的影響，得到了不同海拔全工況VGT 葉片最佳開度脈譜。董素榮等人[14-15]還研究了VGT葉片開度對運行在不同海拔下二級增壓柴油機燃燒特性以及高海拔低速匹配特性的影響。文萬斌等人[16]通過仿真的方法研究了排氣再循環(huán)（EGR）與VNT對高原環(huán)境下柴油機性能的影響。

2016年12月，中國環(huán)保部發(fā)布了“輕型汽車污染物排放限制及測量方法（中國第六階段）”，將于2020年7月1日起施行該法規(guī)，其中規(guī)定了輕型汽車污染物排放限值隨海拔高度變化的要求[17]。該法規(guī)的發(fā)布使得運行在不同海拔下的輕型汽車污染物排放也受到了相應的重視與關注。高原地區(qū)，稀薄的空氣使得進入柴油機的進氣流量降低，高原地區(qū)運行的柴油機性能有別于平原地區(qū)，采用可變渦輪增壓技術可以提高進氣流量，然而通過試驗研究VNT對運行在高原地區(qū)的車用柴油機性能與排放的影響還非常有限。因此，系統(tǒng)研究VNT對運行在高原地區(qū)的車用柴油機動力性、經濟性以及排放性能的影響關系，為高原地區(qū)電控柴油機與VNT的匹配控制以及降低其污染物排放提供一定的理論指導。

1 試驗

1.1 試驗設備

試驗用發(fā)動機為一臺增壓中冷、直列4缸4氣門車用高速直噴柴油機，該機配備VNT與高壓EGR系統(tǒng)，主要技術參數見表1。試驗用到的主要儀器設備包括測功機、測控系統(tǒng)、冷卻水恒溫系統(tǒng)、燃油恒溫裝置、機油恒溫裝置、電控標定系統(tǒng)、排放測量系統(tǒng)等。臺架試驗用主要設備儀器見表2。

表1 試驗用發(fā)動機基本設計參數

表2 主要測試設備的特性參數

1.2 VNT的控制

試驗機型匹配的渦輪增壓器是美國霍尼韋爾公司的VNT。該VNT采用真空調節(jié)器控制真空度的大小對VNT噴嘴環(huán)的開度進行調節(jié)。VNT噴嘴環(huán)開度主要通過電控標定系統(tǒng)實現。電控標定系統(tǒng)由德國博世公司帶ETK的開發(fā)式電子控制單元（ECU）、德國ETAS有限公司的電控標定軟件INCA V7.1、接口硬件ES590以及標定對象發(fā)動機組成。通過修改VNT噴嘴環(huán)開度的標定脈譜（MAP）得到VNT噴嘴環(huán)開度。在具體的控制系統(tǒng)中，控制策略根據INCA軟件或者ECU中相應的噴嘴環(huán)開度值轉換為開度控制的占空比（PWM），真空調節(jié)器根據PWM信號改變所提供的真空度在VNT噴嘴環(huán)控制拉桿上的加載與釋放時間比例，從而改變VNT的噴嘴環(huán)開度。對于VNT噴嘴環(huán)開度的定義，0%表示全關，100%表示全開。

選取柴油機的典型運行工況，即低速1400 r/min全負荷、2200 r/min全負荷（最大轉矩工況）以及4000 r/min全負荷（額定功率工況）進行研究分析。試驗地點的海拔高度約為1960 m，大氣壓力約為80 kPa。在試驗過程中，當柴油機的工況穩(wěn)定之后記錄相關的測試數據。

2 結果及分析

2.1 對動力性與經濟性的影響

三個典型運行工況下VNT噴嘴環(huán)開度對動力性與經濟性的影響如圖1所示。由圖1可見，在低速1400 r/min全負荷工況時，隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，轉矩逐漸降低，有效燃油消耗率逐漸升高。在最大轉矩與額定功率工況下，均存在一個最佳的VNT噴嘴環(huán)開度使得轉矩最大，油耗最低。隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，轉矩呈現首先略有升高而后逐漸降低的趨勢，有效燃油消耗率呈現略有降低而后逐漸升高的趨勢。

圖1 不同轉速全負荷工況下VNT噴嘴環(huán)開度對動力性與經濟性的影響

在1400 r/min時，由于柴油機自身轉速較低，排氣能量相對不足，雖然采用可變噴嘴渦輪，但是渦輪增壓器的工作能力仍然較弱。隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，進氣流量降低，燃燒惡化，柴油機做功能力降低，因而轉矩降低，油耗上升。柴油機存在一個最佳的空燃比使得燃燒效率最高，在2200 r/min與4000 r/min時，排氣能量較為充足。在VNT噴嘴環(huán)開度較小時，過大的進氣流量會導致混合氣過稀，燃燒組織不良，燃燒效率下降。同時較小的VNT噴嘴環(huán)開度還使得泵氣損失較高，因而轉矩略有降低，油耗有所惡化。隨著噴嘴環(huán)開度的增大，進氣流量降低，空燃比逐漸降低至燃燒效率的最大值，此時輸出轉矩最大，油耗最低。隨著噴嘴環(huán)開度的進一步增大，空燃比略顯不足，燃燒開始惡化，轉矩降低，油耗升高。

2.2 對進氣流量與空燃比的影響

VNT噴嘴環(huán)開度對進氣流量與空燃比的影響如圖2所示。從圖2可以看出，在三個典型運行工況下，VNT噴嘴環(huán)開度對進氣流量與空燃比的影響律幾乎一致。隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，進氣流量與空燃比均逐漸降低。在額定功率工況，VNT噴嘴環(huán)開度從65%增大至80%時，進氣流量與空燃比降低緩慢。

圖2 不同轉速全負荷工況下VNT噴嘴環(huán)開度對進氣流量與空燃比的影響

VNT噴嘴環(huán)開度增大，渦輪轉速降低，帶動同軸的壓氣機轉速也隨之降低，壓氣機做功能力減弱，進氣流量降低。在全負荷工況下，燃油流量不變，因而空燃比也隨之減小。渦輪增壓器是一個非線性系統(tǒng)，進氣流量并不隨VNT噴嘴環(huán)開度呈現線性變化[18]。在VNT噴嘴環(huán)開度較大時，此時渦輪效率較低，渦輪流通截面較大，噴嘴環(huán)開度對渦輪轉速的影響較小，渦輪做功能力變化不大。因而在4000 r/min全負荷工況VNT噴嘴環(huán)開度較大時，進氣流量與空燃比隨著VNT噴嘴環(huán)開度的進一步增大下降緩慢。

2.3 對中冷前壓力與中冷前溫度的影響

中冷前壓力與中冷前溫度隨VNT噴嘴環(huán)開度開度的變化如圖3所示。由圖3可見，中冷前壓力與中冷前溫度均隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大而減小。VNT噴嘴環(huán)開度增大，渦輪轉速降低，同軸的壓氣機轉速也隨之降低，壓氣機做功能力減小，增壓壓力降低。即中冷前壓力降低，壓氣機壓力減小使得壓氣機出口氣體溫度也隨之降低，即中冷前溫度降低。

圖3 不同轉速全負荷工況下VNT噴嘴環(huán)開度對中冷前壓力與中冷前溫度的影響

2.4 對渦前壓力與渦前溫度的影響

VNT噴嘴環(huán)開度對渦前壓力與渦前溫度的影響如圖4所示。從圖4可以看出，隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，渦前壓力逐漸降低，而渦前溫度逐漸升高。VNT噴嘴環(huán)開度增大，渦輪的流通截面增大，排氣阻力減小，渦前壓力降低。從圖1可知，進氣流量與空燃比均隨著VNT噴嘴環(huán)的增大而降低，進氣流量與空燃比的降低導致缸內壓縮終點時的壓力與氧含量均減小，滯燃期延長，燃燒始點退后，后燃現象加劇，因而渦前溫度升高。由圖4可見，在高原地區(qū)，通過減小VNT噴嘴環(huán)開度可以降低渦前溫度，進而降低柴油機的熱負荷，提高其可靠性。

圖4 不同轉速全負荷工況下VNT噴嘴環(huán)開度對渦前壓力與渦前溫度的影響

2.5 對NOx比排放與煙度的影響

NO比排放與煙度隨VNT噴嘴環(huán)開度的變化如圖5所示。由圖5可見，隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，NO比排放逐漸降低，而煙度排放逐漸升高。

圖5 不同轉速全負荷工況下VNT噴嘴環(huán)開度對NOx比排放與煙度的影響

NO的生成主要取決于燃燒過程中的氧濃度、燃燒溫度以及反應時間。VNT噴嘴環(huán)開度增大，進氣流量降低，一方面，滯燃期延長，預混燃燒比例增大，使得缸內的初期放熱量增大，有利于燃燒溫度的提高，促進NO的生成；另一方面，缸內氧含量的減少，又抑制了NO排放的生成。同一工況下，當氧含量的減少對NO生成的抑制作用占主導地位時，NO比排放隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大而降低。從圖5還可以看出，在最大轉矩工況，NO比排放較高。一般認為碳煙是不完全燃燒的產物，隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，進氣流量降低，混合氣質量變差，燃燒惡化，同時缸內氧含量的降低使得碳煙后期的氧化受到抑制，因而煙度升高。從圖5還可以看出，在三個典型運行工況下，在NO比排放與煙度的交叉點，此時NO比排放相對較低，而煙度排放尚未急劇升高，這說明合理調節(jié)VNT噴嘴環(huán)開度可以獲得較為滿意的NO比排放與煙度排放。

2.6 對CO比排放與HC比排放的影響

VNT噴嘴環(huán)開度對CO比排放與HC比排放的影響如圖6所示。由圖6可見，隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，CO比排放與HC比排放均逐漸升高，但是HC比排放的變化范圍較小。

圖6 不同轉速全負荷工況下VNT噴嘴環(huán)開度對CO比排放與HC比排放的影響

柴油機中CO的生成一般是由于不完全燃燒導致的，CO的生成主要受混合氣濃度的影響。VNT噴嘴環(huán)開度增大，進氣流量降低，燃燒室內局部過濃混合氣區(qū)域增多，混合氣質量變差，因而導致CO生成加大。影響柴油機HC排放的因素主要是混合氣過稀與混合不良。隨著VNT噴嘴環(huán)開度增大，進氣流量降低，混合氣質量逐漸惡化，使得不完全燃燒和火焰淬熄的機率增大。同時缸內氧含量的減少也使得HC后期氧化受到抑制，所以HC排放呈現逐漸增大的趨勢，但是其變化范圍相對較小，這說明VNT噴嘴環(huán)開度對HC排放的影響相對較小。

3 結論

1）在低速工況，隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，動力性降低，經濟性惡化。在最大轉矩與額定功率工況，均存在一個最佳的VNT噴嘴環(huán)開度使得轉矩最大，同時油耗最低。

2）隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，進氣流量、空燃比、中冷前壓力、中冷前溫度以及渦前壓力均降低，而渦前溫度升高。在高原地區(qū)，通過減小VNT噴嘴環(huán)開度可以降低渦前溫度，進而降低柴油機的熱負荷，提高其可靠性。

3）在三個典型運行工況下，隨著VNT噴嘴環(huán)開度的增大，NO比排放逐漸降低，而煙度、CO比排放以及HC比排放逐漸升高，VNT對HC排放的影響較小。在高原地區(qū)，合理調節(jié)VNT噴嘴環(huán)開度可以獲得較為滿意的NO比排放與煙度排放。

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Influences of Variable Nozzle Turbocharger (VNT) on Performance and Emission of Vehicle Diesel Engine operating at High Altitude

YANG Yong-zhong1,2, SHEN Li-zhong1, BI Yu-hua1, LEI Ji-lin1, WANG Jun1

(1.Yunnan Province Key Laboratory of Internal Combustion Engines, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China; 2.Kunming Yunnei Power Co., Ltd, Kunming 650000, China)

To have systematic study on the influences of variable nozzle turbocharger (VNT) on the power, economy and emission performance of a vehicle diesel engine running in plateau area and to provide some theoretical guidance for the matching control of the electronic control diesel engine with VNT as well as reducing the pollutant emission of the diesel engine operating at high altitude.The effect of VNT on diesel engine performance and emissions was researched by experiment at an altitude of about 1960m and at the typical operating conditions, such as low engine speed 1400 r/min full load, 2200r/m in full load (peak torque condition) and 4000 r/min full load (rated power condition).At low engine speed condition, with the increase of VNT nozzle opening, the power declined and the economy deteriorated. There was an optimal VNT nozzle opening which made the torque reach the peak value and the brake specific fuel consumption have the lowest value at peak torque condition and rated power condition respectively. With the increase of VNT nozzle opening, intake air mass flow rate, air-to-fuel ratio, compressor outlet gas pressure, compressor outlet gas temperature and turbine inlet gas pressure decreased; while the turbine inlet gas temperature increased. Brake specific nitrogen oxides (NO) emission decreased gradually and smoke, brake specific carbon monoxide (CO) emission and brake specific hydrocarbon (HC) emission increased gradually along with the increase of VNT nozzle opening at these three typical operating conditions. In addition, VNT had little effect on HC emission.In plateau regions, the turbine inlet gas temperature can be reduced by closing the VNT nozzle opening so as to decrease the thermal load of diesel engine and improve its reliability. Satisfactory brake specific NOemission and smoke emission can be obtained by means of adjusting VNT nozzle opening reasonably.

diesel engine; high altitude; variable nozzle turbocharger; emission

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.003

TJ07；TG147

A

1672-9242(2017)10-0012-07

2017-06-01；

2017-07-09

國家自然科學基金項目(51466003, 51666005)

楊永忠（1963—），男，云南昆明人，高級工程師，主要研究方向為柴油機設計與開發(fā)。

申立中（1956—），男，云南昆明人，教授，博士生導師，主要研究方向為內燃機工作過程及增壓技術。