柴油機瞬態(tài)VNT開度優(yōu)化研究

楊仕臣，萬明定，申立中，王正江，黃粉蓮

柴油機瞬態(tài)VNT開度優(yōu)化研究

楊仕臣，萬明定，申立中※，王正江，黃粉蓮

（昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機重點實驗室，昆明 650500）

瞬態(tài)工況下，可變噴嘴渦輪增壓器（Variable Nozzle Turbocharger，VNT）開度的調(diào)節(jié)對柴油機增壓壓力、扭矩響應(yīng)及污染物排放具有較大影響。為優(yōu)化瞬態(tài)工況下VNT開度，實現(xiàn)瞬態(tài)工況下柴油機與VNT的協(xié)調(diào)控制，該研究以配備VNT的高壓共軌柴油機為對象，通過臺架試驗研究了不同轉(zhuǎn)速下負(fù)荷1、3和5 s從0瞬變至50%、75%和100%時，不同VNT開度對柴油機瞬態(tài)性能及排放的影響。結(jié)果表明：2 000 r/min下，負(fù)荷1、3和5 s從0瞬變至50%、75%、100%的過程中，VNT開度對負(fù)荷1 s瞬變工況的影響比3和5 s明顯；隨著VNT開度減小，增壓壓力響應(yīng)時間逐漸縮短，扭矩響應(yīng)時間先減小后增大。1 600、2 000和2 600 r/min下，負(fù)荷1 s從0瞬變至75%的過程中，NOx體積分?jǐn)?shù)先增大后減小，然后再逐漸增大趨于穩(wěn)定；顆粒物數(shù)量（PN）峰值隨VNT開度的減小而增大。綜合考慮柴油機瞬態(tài)響應(yīng)和排放，對全工況范圍下柴油機的VNT開度控制進(jìn)行優(yōu)化，獲得了柴油機瞬態(tài)工況下的優(yōu)化VNT開度協(xié)調(diào)控制方案，并進(jìn)行WHTC循環(huán)試驗，結(jié)果表明：與原機相比，冷、熱態(tài)下WHTC循環(huán)扭矩回歸線的截距分別下降0.03和0.37，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別下降0.11和1.07；WHTC冷、熱態(tài)循環(huán)NOx比排放與原機相比分別下降7.59%和2.21%；顆粒物排放量（PM）下降8.64%和25.28%；PN下降6.74%和12.4%。研究結(jié)果可為柴油機瞬態(tài)工況下VNT的協(xié)調(diào)控制提供參考。

柴油機；排放；瞬態(tài)工況；VNT開度；WHTC循環(huán)

0 引 言

車用柴油機在實際運行中頻繁處于加減速和負(fù)荷變化等瞬態(tài)工況，瞬態(tài)工況占66%～80%[1]。由于增壓器遲滯[2-4]等原因，增壓壓力及進(jìn)氣量的變化速率滯后于噴油量的變化速率[5-6]造成瞬態(tài)工況下柴油機性能和排放惡化[7-11]。研究表明[12-14]，采用可變噴嘴渦輪增壓器（Variable Nozzle Turbocharger，VNT）是改善柴油機瞬態(tài)性能的有效措施之一。周鵬程等[15]建立GT-Power和MATLB/Simulink聯(lián)合仿真模型，研究了可變截面渦輪增壓器（Variable Geometry Turbocharger，VGT）對發(fā)動機性能的影響，結(jié)果表明：VGT明顯改善瞬態(tài)工況下柴油機的動力性、經(jīng)濟性和動態(tài)響應(yīng)特性，有效降低渦輪遲滯時間約為30%。張眾杰等[16]建立高海拔VGT與固定截面渦輪增壓器串聯(lián)的二級可調(diào)增壓柴油機仿真模型，研究了不同海拔瞬態(tài)工況下VGT葉片的調(diào)節(jié)特性，結(jié)果表明：等速加載工況下，VGT最優(yōu)控制策略為加載初期保持VGT葉片開度不變至加載中段，之后開度線性增加至加載后穩(wěn)態(tài)工況對應(yīng)開度；恒載加速工況下，加速初期開始增大VGT葉片開度，至加載中段開度增加至最大轉(zhuǎn)速對應(yīng)開度，之后VGT開度保持不變持續(xù)至加速結(jié)束的調(diào)節(jié)策略加速性能最好。Wijetugne等[17]建立以排氣壓力作為反饋變量的VNT瞬態(tài)控制策略，采用PID（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)開度，通過控制EGR開度調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，結(jié)果表明：該方法降低了反饋延遲，提高了瞬態(tài)響應(yīng)，減少了泵氣損失，降低了瞬態(tài)煙度。Black等[18]研究了不同VGT開度對柴油機增轉(zhuǎn)速下瞬態(tài)性能的影響，結(jié)果表明：合理的VGT開度可以降低壓比和排氣背壓，從而減小泵氣損失，改善了瞬態(tài)性能。孫萬臣等[19]試驗研究了VNT對車用柴油機瞬態(tài)性能與排放的影響，結(jié)果表明：合理調(diào)節(jié)VNT噴嘴環(huán)開度，可減小高瞬變率工況下柴油機性能惡化的程度，有效改善加速工況和增負(fù)荷工況下的排氣煙度。

綜上所述，合理控制VNT開度是改善柴油機瞬態(tài)性能和排放的關(guān)鍵[20]。VNT開度過小，雖然提高了增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)，但是較小的VNT開度會造成泵氣損失增大，從而導(dǎo)致扭矩響應(yīng)差，經(jīng)濟性惡化，極端情況下還會造成油耗上升、增壓器喘振和超速等問題[21-22]。VNT開度過大，增壓壓力響應(yīng)慢，發(fā)動機進(jìn)氣量滯后，造成發(fā)動機瞬態(tài)工況下燃燒、性能和排放等出現(xiàn)不同程度的惡化[18]。因此，需要根據(jù)發(fā)動機瞬態(tài)工況的變化合理協(xié)調(diào)控制瞬態(tài)VNT開度，以保證增壓壓力、扭矩等快速響應(yīng)的同時有效降低NOx和PM等排放。

為優(yōu)化柴油機瞬態(tài)工況下VNT開度，改善柴油機瞬態(tài)性能和排放，本文以配備VNT的柴油機為研究對象，利用大氣壓力模擬系統(tǒng)，試驗研究了標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下不同VNT開度對柴油機恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)模式下增壓壓力及扭矩響應(yīng)和排放的影響及變化規(guī)律，然后對柴油機全工況范圍內(nèi)的瞬態(tài)VNT開度進(jìn)行了優(yōu)化，以期為柴油機瞬態(tài)工況下VNT的控制提供參考。

1 試驗設(shè)備及試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗用發(fā)動機為一臺配備VNT和EGR的直列四缸高壓共軌柴油機，基本參數(shù)如表1所示。其中渦輪增壓器為Honeywell GTC 1446VZ，壓氣機A/R（R為渦輪軸承中心到壓氣機出口橫截面中心點的距離，A為壓氣機殼體的出口對應(yīng)以上中心點所在的橫截面積）值為0.39，渦輪A/R值為0.27，最高轉(zhuǎn)速為220 000 r/min。設(shè)備儀器包括AVL Dynoroad 202/12 交流電力測功機、AVL PUMA OPEN 測控系統(tǒng)、AVL 735S 燃油質(zhì)量流量計、AVL 753C燃油溫控系統(tǒng)、AVL AMA i60部分流排放分析儀、AVL 489顆粒計數(shù)器、AVL SPC 478顆粒采集器、電子天平、大氣壓力模擬系統(tǒng)、BOSCH可標(biāo)定發(fā)動機控制單元、ES590、INCA 標(biāo)定軟件等，主要設(shè)備參數(shù)如表 2所示。試驗臺架布置如圖1所示。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

1.2 試驗方案

1）試驗工況選擇：由于車用柴油機在實際運行中，轉(zhuǎn)速和負(fù)荷頻繁變化。為保證研究結(jié)果盡可能接近實際情況，選擇1 600、2 000和2 600 r/min作為試驗轉(zhuǎn)速。在3個轉(zhuǎn)速下，分別以對應(yīng)的0負(fù)荷作為起始負(fù)荷，50%、75%和100%負(fù)荷為終止負(fù)荷進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)試驗，負(fù)荷響應(yīng)時間分別設(shè)置為1、3和5 s。

2）VNT協(xié)調(diào)控制方案：在瞬態(tài)工況下，VNT開度是影響柴油機瞬態(tài)性能的重要因素之一[23]。瞬態(tài)工況下，減小VNT開度能提高增壓壓力和進(jìn)氣量響應(yīng)速度。恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)模式下，瞬態(tài)初期保持VNT開度不變，中后期逐漸增大的瞬態(tài)VNT開度控制方式能夠保證最佳的柴油機瞬態(tài)性能[16]。因此，提出隨循環(huán)噴油量（負(fù)荷）增大逐漸增大VNT開度的瞬態(tài)VNT開度控制策略。為優(yōu)化瞬態(tài)VNT開度控制，以穩(wěn)態(tài)工況VNT開度減小5%作為對應(yīng)轉(zhuǎn)速下初始瞬態(tài)VNT開度（VNT1），以步長5%逐漸減小VNT開度直至噴油量為0時VNT開度全關(guān)。每一轉(zhuǎn)速下分別組成如圖2所示的4組瞬態(tài)VNT開度，VNT1～VNT4表示VNT開度逐漸減小（95%代表全關(guān)，0代表全開）。試驗過程中，噴油正時和噴油壓力不受VNT開度變化的影響，僅隨噴油量的變化而變化，如圖 3所示。為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組試驗重復(fù)做3次，結(jié)果取平均值。

表2 主要設(shè)備參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同VNT開度對瞬態(tài)響應(yīng)的影響

瞬態(tài)工況下，不同的VNT開度會導(dǎo)致柴油機的增壓壓力和進(jìn)氣量響應(yīng)不同，進(jìn)而導(dǎo)致柴油機瞬態(tài)性能和排放的差異[24]。

圖4所示為2 000 r/min下不同VNT開度、不同負(fù)荷響應(yīng)時增壓壓力的響應(yīng)時間，其中增壓壓力響應(yīng)時間定義為負(fù)荷變化開始至增壓壓力達(dá)到目標(biāo)值的95%所用時間。由圖4可看出，0～50%負(fù)荷的瞬變過程中，VNT2～4增壓壓力響應(yīng)時間與VNT1相比，1 s負(fù)荷響應(yīng)時間下減小0.2、0.3和0.4 s，3 s負(fù)荷響應(yīng)時間下減小0.8、0.9和1.3 s，5 s負(fù)荷響應(yīng)時間下減小0.6、0.7和0.8 s，如圖 4a。0～75%負(fù)荷的瞬變過程中，VNT2～4增壓壓力響應(yīng)時間與VNT1相比，1 s負(fù)荷響應(yīng)時間下減小1、1.3和1.4 s，3 s負(fù)荷響應(yīng)時間下減小0.8、0.9和1.3 s，5 s負(fù)荷響應(yīng)時間下減小0.6、0.7和0.8 s，如圖4b。0～100%負(fù)荷的瞬變過程中，VNT2～4增壓壓力響應(yīng)時間與VNT1相比，1 s負(fù)荷響應(yīng)時間下減小0.9、1.4和1.7 s，3 s負(fù)荷響應(yīng)時間下為1.1、1.5和1.6 s，5 s負(fù)荷響應(yīng)時間下為0.5、0.6和0.7 s，如圖4c。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：瞬態(tài)工況下，VNT開度越小，增壓壓力響應(yīng)時間越快[18]。

圖5所示為2 000 r/min下不同VNT開度、不同負(fù)荷響應(yīng)時扭矩的響應(yīng)時間，其中扭矩響應(yīng)時間定義為負(fù)荷變化開始至扭矩達(dá)到目標(biāo)值的95%所用時間。由圖5可看出，扭矩響應(yīng)時間隨VNT開度減小先減小后增大。這是因為：VNT開度減小后，增壓壓力響應(yīng)至目標(biāo)值的時間縮短，而在VNT開度過小后，雖然增壓壓力迅速上升，但是壓差的增大造成背壓和泵氣損失增大，導(dǎo)致扭矩響應(yīng)變慢。因此需要選擇最佳的VNT協(xié)調(diào)控制開度匹配不同的瞬態(tài)工況，以保證增壓壓力和扭矩的快速響應(yīng)。

2.2 不同轉(zhuǎn)速下VNT開度對瞬態(tài)性能和排放的影響

圖6所示為不同轉(zhuǎn)速下不同VNT開度、負(fù)荷響應(yīng)1 s時增壓壓力和扭矩的響應(yīng)時間。由圖6可看出：1 600 r/min下的增壓壓力響應(yīng)時間為3.5、2.62、2.58和2.7 s，扭矩響應(yīng)時間為3.75、3.7、3.5和3.8 s，如圖6a。2 000 r/min 下的增壓壓力響應(yīng)時間為4.2、3.2、2.9和2.8 s，扭矩響應(yīng)時間為4.4、2.4、2.7和4.2 s，如圖6b。2 600 r/min下的增壓壓力響應(yīng)時間為3.5、3.3、2.8和2.3 s，扭矩響應(yīng)時間為3.9、3.6、3.1和3.7 s，如圖6c。

圖7所示為瞬變過程中不同轉(zhuǎn)速下NOx體積分?jǐn)?shù)和顆粒數(shù)量PN的變化。不同轉(zhuǎn)速下NOx體積分?jǐn)?shù)先增大后減小，產(chǎn)生一個峰值和一個谷值，然后又增大趨于穩(wěn)定，隨著VNT開度的減小，峰值和谷值逐漸減小。由圖 7a可看出：1 600 r/min下VNT1～4對應(yīng)的NOx體積分?jǐn)?shù)向上的峰值各為510、489、466和447 mL/L，VNT2～4與VNT1相比下降4.12%、8.63%和12.3%；谷值各為391、355、340和330 mL/L，VNT2～4較VNT1下降9.21%、13.04%和15.6%。2 000 r/min下不同VNT開度對應(yīng)NOx體積分?jǐn)?shù)向上的峰值分別為580、560、502和478 mL/L，VNT2～4與VNT1相比減小3.45%、13.45%和17.59%；谷值各為546、513、424和337 mL/L，VNT2～4與VNT1相比減小了6.04%、22.34%和38.28%。2 600 r/min下不同VNT開度對應(yīng)NOx體積分?jǐn)?shù)向上的峰值分別為437，397、382和351 mL/L，VNT 2～4與VNT1相比下降了9.15%、12.59%和19.68%；谷值分別為416、343、261和216 mL/L，VNT2～4與VNT1相比下降了17.55%、37.26%和48.08%。造成不同轉(zhuǎn)速下NOx體積分?jǐn)?shù)先增大再減小然后增大趨于穩(wěn)定的主要原因是：負(fù)荷1 s響應(yīng)至目標(biāo)值，由于進(jìn)氣歧管及EGR管路的填充排空效應(yīng)，空氣具有可壓縮性[25]，導(dǎo)致增壓壓力和進(jìn)氣量滯后于噴油速率，VNT在瞬變過程開始后開度關(guān)小，EGR率也較小，較小的VNT開度使增壓壓力快速升高，NOx產(chǎn)生了尖峰；而當(dāng)增壓壓力接近或大于目標(biāo)壓力時，進(jìn)氣量已可以匹配噴油量，VNT逐漸增大開度，同時通過協(xié)調(diào)控制增大了EGR閥，NOx排放降低產(chǎn)生向下的峰值，此時的VNT開度越小，EGR閥的開度就越大，所以NOx下降越多。

由圖7b可看出，瞬變過程中，粒子數(shù)量PN產(chǎn)生向上的峰值。其中1 600 r/min下粒子數(shù)量PN峰值在瞬變過程中隨VNT開度的減小尖峰值逐漸增大，分別為2.49×108、2.54×108、2.58×108和2.61×108#/cm3，VNT2～4與VNT1相比增大2.01%、3.21%和4.82%。2 000 r/min下VNT1～4對應(yīng)PN峰值為7.75×107、1.17×108、1.33×108和1.37×108#/cm3，VNT2～4與VNT1相比增大51.06%、71.85%和77.29%。2 600 r/min下VNT1～4對應(yīng)的PN峰值為1.66×108、1.78×108、1.98×108和2.36×108#/cm3，VNT2～4與VNT相比增大7.23%、19.28%和42.17%。造成瞬變過程中PN產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：在負(fù)荷1 s響應(yīng)的瞬變過程中，油量響應(yīng)比增壓壓力響應(yīng)快，另外，可從圖6看出，不同的VNT開度下增壓壓力在1 600、2 000和2 600 r/min下平均響應(yīng)時間分別為2.85、2.95和2.98 s，進(jìn)氣量的滯后使燃油燃燒不充分，從而使粒子數(shù)量驟增，產(chǎn)生尖峰[26]，且峰值隨VNT開度的減小而增大。

通過以上分析及對比，綜合考慮瞬態(tài)響應(yīng)和排放，得到1 600、2 000和2 600 r/min下負(fù)荷從0瞬變至75%的恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩工況的最佳VNT開度分別為對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的VNT2、VNT2和VNT2。

3 瞬態(tài)VNT開度優(yōu)化

基于前面的分析結(jié)果，在綜合柴油機瞬態(tài)響應(yīng)和排放的基礎(chǔ)上，對全工況范圍柴油機VNT開度控制進(jìn)行優(yōu)化，獲得了柴油機瞬態(tài)工況下的優(yōu)化VNT開度協(xié)調(diào)控制方案。然后進(jìn)行WHTC循環(huán)試驗，對優(yōu)化前后柴油機扭矩允差和污染物排放進(jìn)行對比分析。

3.1 原機與優(yōu)化后扭矩響應(yīng)對比分析

根據(jù)國六法規(guī)要求，采用最小二乘法對WHTC循環(huán)下扭矩響應(yīng)進(jìn)行基于基準(zhǔn)值和實際值的線性回歸分析[27]。公式為

=1+0，

式中為循環(huán)中扭矩的實際值，為基準(zhǔn)值，1為回歸線的斜率，0為回歸線的截距。

表3所示為原機與優(yōu)化后WHTC循環(huán)回歸線扭矩的允差。從表中可以看出，原機與優(yōu)化后扭矩的回歸線斜率1和決定系數(shù)2值均為0.95；優(yōu)化后冷、熱態(tài)回歸線的截距分別下降了0.03和0.37，熱態(tài)扭矩回歸線截距下降明顯；優(yōu)化后冷態(tài)扭矩基準(zhǔn)值與對于實際值的標(biāo)準(zhǔn)偏差減小0.11，熱態(tài)減小1.07，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別下降了0.72%和4.89%。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，偏離平均值就越小。協(xié)調(diào)控制后的VNT開度降低了循環(huán)中轉(zhuǎn)矩的標(biāo)準(zhǔn)偏差，提升了瞬態(tài)響應(yīng)。

3.2 原機與優(yōu)化后排放對比

WHTC循環(huán)試驗可得出冷、熱態(tài)循環(huán)的1 800個工況點的累計排放量，然后計算獲得WHTC循環(huán)比排放[28]。

表3 WHTC回歸線扭矩的允差

圖8所示為原機與不同VNT開度協(xié)調(diào)控制后WHTC冷、熱態(tài)循環(huán)下不同排放污染物的比排放。由圖8a可看出，原機WHTC循環(huán)冷、熱態(tài)NOx比排放分別為3.69和3.93 g/kW·h，優(yōu)化后降至3.41和3.84 g/kW·h，與原機相比下降了7.59%和2.21%；由圖8b可看出，PM原機冷、熱態(tài)循環(huán)比排放分別為0.220和0.265 g/kW·h，優(yōu)化后下降至0.201和0.198 g/kW·h，優(yōu)化后與原機相比下降了8.64%和25.28%；由圖8c可看出，粒子數(shù)量PN原機冷、熱態(tài)循環(huán)比排放分別為2.97×1014和2.91×1014#/kW·h，優(yōu)化后下降至2.77×1014和2.55×1014#/kW·h，與原機相比下降了6.74%和12.4%。

VNT控制開度協(xié)調(diào)優(yōu)化后WHTC循環(huán)冷態(tài)NOx比排放、熱態(tài)PM和PN比排放顯著下降，存在trade-off關(guān)系的NOx和PM排放物[29-30]在WHTC循環(huán)中都有不同比例的下降，說明了協(xié)調(diào)控制的VNT開度對瞬態(tài)工況排放物優(yōu)化的可行性。

4 結(jié) 論

1）2 000 r/min下不同VNT開度、不同負(fù)荷響應(yīng)時，對負(fù)荷1 s的響應(yīng)影響最大。增壓壓力響應(yīng)時間隨VNT開度減小而縮短，VNT開度越小，增壓壓力響應(yīng)越快，扭矩響應(yīng)時間隨VNT開度的減小先減小后增大。

2）VNT開度對1 600、2 000和2 600 r/min下負(fù)荷1 s從0瞬變至75%的排放影響明顯，瞬變過程中隨VNT開度的減小，NOx體積分?jǐn)?shù)先增大后減小然后增大并趨于穩(wěn)定；PN峰值隨VNT開度減小而增大。

3）優(yōu)化瞬態(tài)VNT開度后進(jìn)行WHTC循環(huán)試驗，結(jié)果優(yōu)于原機。扭矩冷、熱態(tài)回歸線的截距與原機相比分別下降了0.03和0.37；冷、熱態(tài)標(biāo)準(zhǔn)偏差下降0.72%和4.89%。WHTC循環(huán)比排放與原機相比，冷、熱態(tài)NOx比排放分別下降7.59%和2.21%；顆粒物排放量下降8.64%和25.28%；顆粒物數(shù)量下降6.74%和12.4%。

[1] 黃粉蓮，紀(jì)威，周煒，等. 車用渦輪增壓柴油機加速工況瞬態(tài)特性仿真[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(3)：63-69. Huang Fenlian, Ji Wei, Zhou Wei, et al. Simulation of transient performance of vehicle turbocharged diesel engine during acceleration process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(3): 63-69. (in Chinese with English abstract)

[2] Yum K K, Lefebvre N, Pedersen E. An experimental investigation of the effects of cyclic transient loads on a turbocharged diesel engine[J]. Applied Energy, 2017, 185: 472-481.

[3] Vafaie M H, Dehkordi B M, Moallem P, et al. A new predictive direct torque control method for improving both steady-state and transient-state operations of the PMSM. IEEE Transactions on power electron, 2015, 31(5), 3738–3753.

[4] 張眾杰，劉瑞林，夏南龍，等. 車用柴油機瞬態(tài)特性劣變機理及優(yōu)化策略[J]. 軍事交通學(xué)院學(xué)報，2018，20(8)：34-39. Zhang Zhongjie, Liu Ruilin, Xia Nanglong, et al. Transient performance deterioration mechanism and optimization strategy for vehicle diesel engine[J]. Journal of Military Transportation University, 2018, 20(8): 34-39. (in Chinese with English abstract)

[5] 董天普，張付軍，劉波瀾，等. EGR對渦輪增壓柴油機瞬態(tài)特性的影響[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報，2017，35(2)：118-124. Dong Tianpu, Zhang Fujun, Liu Bolan, et al. Effect of EGR on transient characteristics of turbocharged diesel engine[J]. Transactions of CSICE, 2017, 35(2): 118-124. (in Chinese with English abstract)

[6] 田徑，劉忠長，許允，等. 柴油機瞬變過程煙度排放的劣變分析[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報，2016，34(2)：125-134. Tian Jing, Liu Zhongchang, Xu Yun, et al. Analysis of soot deterioration in diesel transient process[J]. Transactions of CSICE. 2016, 34(2):125-134. (in Chinese with English abstract)

[7] Kang H, Farrell P. Experimental investigation of transient emissions (HC and NOx) in a high speed direct injection (HSDI) diesel engine[C]//SAE 2005 Powertrain & Fluid Systems Conference & Exhibition, 2005.

[8] 王敏，楊蓉，葉洲，等. 商用車用電控柴油機增轉(zhuǎn)矩工況的燃燒特性分析[J]. 內(nèi)燃機工程，2020，41(5)：23-31. Wang Min, Yang Rong, Ye Zhou, et al. Research on combustion characteristics of electronically controlled diesel engine for commercial vehicles at torque-increasing condition[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2020, 41(5): 23-31. (in Chinese with English abstract)

[9] 田薦伊，陸國祥，徐宏明. 可變增量的EGR控制策略對柴油機瞬態(tài)排放的影響[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報，2016，34(5)：394-400. Tian Jianyi, Lu Guoxiang, Xu Hongming. Incremental variable EGR strategy for optimizing transient emissions of turbo-charged diesel engines[J]. Transactions of CSICE. 2016, 34(5): 394-400. (in Chinese with English abstract)

[10] Saad S M, Mishra R. Performance of a heavy-duty turbocharged diesel engine under the effect of air injection at intake manifold during transient operations[J]. Arabian Journal for Science and Engineering, 2019, 44(6): 5863-5875.

[11] Rakopoulos C D, Dimaratos A M, Giakoumis E G, et al. Exhaust emissions estimation during transient turbocharged diesel engine operation using a two-zone combustion model[J]. International Journal of Vehicle Design, 2009, 49(1-3): 125-149.

[12] Filipi Z, Wang Y, Assanis D. Variable geometry turbine (VGT) strategies for improving diesel engine in-vehicle response: A simulation study[J]. International Journal of Heavy Vehicle Systems, 2004, 11(3): 303-326.

[13] Gurel Cetin, Ozmen Elif, Yilmaz Metin, et al. Multi-objective optimization of transient air-fuel ratio limitation of a diesel engine using DoE based pareto-optimal approach[C]//SAE 2017 World Congress Experience, 2017.

[14] Filipi Z, Wang Y, Assanis D N. Effect of variable geometry turbine (VGT) on diesel engine and vehicle system transient response[C]//SAE 2001 World Congress, 2001.

[15] 周鵬程，王銀燕，王賀春，等. 可變截面渦輪增壓瞬態(tài)性能仿真研究[J]. 船舶工程，2018，40(1)：76-80. Zhou Pengcheng, Wang Yinyan, Wang Hechun, et al. Simulation study of transient characteristics of variable geometry turbocharging[J]. Ship Engineering, 2018, 40(1): 76-80. (in Chinese with English abstract)

[16] 張眾杰，劉瑞林，林春城，等. 二級可調(diào)增壓柴油機高海拔瞬態(tài)特性仿真[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報，2019，37(5)：393-400. Zhang Zhongjie, Liu Ruilin, Lin Chuncheng, et al. Simulation on transient characteristics of regulated two-stage-turbocharged diesel engine at high altitudes[J]. Transactions of CSICE, 2019, 37(5): 393-400. (in Chinese with English abstract)

[17] Wijetunge R S, Hawley J G, Vaughan N D. An exhaust pressure control strategy for a diesel engine[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2004, 218(4): 449-464.

[18] Black J, Eastwood P G, Tufail K, et al. The effect of VGT vane control on pumping losses during full-load transient operation of a common-rail diesel engine[C]//SAE 2007 8th International Conference on Engines for Automobiles, 2007.

[19] 孫萬臣，韓永強，劉忠長，等. 可變噴嘴渦輪增壓器對車用柴油機瞬態(tài)性能的影響[J]. 汽車工程，2006，28(2)：122-124. Sun Wanchen, Han Yongqiang, Liu Zhongchang, et al. Effect of variable nozzle turbocharger on transient performance of automotive diesel engine[J]. Automotive Engineering, 2006, 28(2): 122-124. (in Chinese with English abstract)

[20] 楊殿勇，王忠，歷寶錄，等. VNT增壓柴油機與整車速度瞬態(tài)響應(yīng)的試驗分析[J]. 車用發(fā)動機，2005(5)：44-47. Yang Dianyong, Wang Zhong, Li Baolu, et al. Analysis of the velocity transient response of VNT in turbocharged diesel &vehicle[J]. VEHICLE ENGINE, 2005(5): 44-47. (in Chinese with English abstract)

[21] 施新，張雙雙，李斌. 可變幾何渦輪與壓氣機協(xié)同調(diào)節(jié)對柴油機瞬態(tài)性能影響的仿真研究[J]. 汽車工程，2014，36(9)：1046-1050. Shi Xin, Zhang Shuangshuang, Li Bin. A simulation study on the effect of coordinated regulation between VGT and VGC on the transient performance of diesel engine[J]. Automotive Engineering, 2014, 36(9): 1046-1050. (in Chinese with English abstract)

[22] TufailK, Winstanley T, Karagiorgis S, et al. Characterisation of diesel engine transient pumping-loss and control methodology for transient specific fuel consumption (SFC)[C]//SAE 2009 Powertrains Fuels and Lubricants Meeting, 2009

[23] Llamas X, Eriksson L. Optimal transient control of a heavy duty diesel engine with EGR and VGT[J]. IFAC Proceedings Volumes, 2014, 47(3): 11854-11859.

[24] Han Y, Zhang L, Liu Z, et al. Investigation of transient deterioration mechanism and improved method for turbocharged diesel engine[J]. Energy, 2016, 116: 250-264.

[25] 鄭廣勇，于秀敏，侯福建，等. 通過增壓器匹配提高發(fā)動機瞬態(tài)性能[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2013，43(1)：45-50. Zheng Guangyong, Yu Xiumin, Hou Fujian, et al. Turbocharger matching to improve engine transient performance[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2013, 43(1): 45-50. (in Chinese with English abstract)

[26] 熊興旺，高俊華，周濤，等. 基于WHTC循環(huán)的柴油機顆粒物數(shù)量峰值的研究[J]. 汽車工程，2017，39(4)：381-385. Xiong Xingwang, Gao Junhua, Zhou Tao, et al. A study on particulate number peaks in a diesel engine based on WHTC cycle[J]. Automotive Engineering, 2017, 39(4): 381-385. (in Chinese with English abstract)

[27] 國家市場監(jiān)督管理總局. 重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)：GB17691—2018[S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2018.

[28] Bai S Z, Han J L, Liu M, et al. Experimental investigation of exhaust thermal management on NOx emissions of heavy-duty diesel engine under the world Harmonized transient cycle (WHTC)[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 142: 421-432.

[29] Zamboni G, Moggia S, Capobianco M. Effects of a dual-loop exhaust gas recirculation system and variable nozzle turbine control on the operating parameters of an automotive diesel engine[J]. Energies, 2017, 10(1): 47.

[30] Wu B Y, Zhan Q, Yu X Y, et al. Effects of miller cycle and variable geometry turbocharger on combustion and emissions in steady and transient cold process[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 118: 621-629.

Optimization of transient VNT opening of diesel engines

Yang Shichen, Wan Mingding, Shen Lizhong※, Wang Zhengjiang, Huang Fenlian

(,,650500,)

The opening of a variable nozzle turbocharger (VNT) has a significant impact on the boost pressure, torque response, and emissions of a diesel engine under transient conditions. In order to achieve better diesel engine transient performance, realize the coordinate control of the diesel engine and the VNT nozzle opening and to improve the transient response of the diesel engine while reducing the emissions. In this study, the VNT opening was calibrated on the bench of a high-pressure common-rail diesel engine for better performance. A bench test was conducted to investigate the effect of VNT openings on the transient performance and emissions of diesel engine at the rotation rate of 1 600, 2 000, and 2 600 r/min, when the response load was transient from 0 to 50%, 75%, and 100% at 1, 3, and 5 s of an accelerator pedal. The results show that there was a much more obvious effect of VNT opening on the transient condition of load response time 1, 3, and 5 s from 0 to 50%, 75%, and 100% of the load at 2 000 r/min than that of 3 and 5 s. The response time of boost pressure gradually decreased, while the response time of torque decreased and then increased, as the VNT opening decreased. The NOx volume fraction first increased, then decreased, and finally increased to a stable value, when the response time of accelerator pedal at 1s from 0% to 50%, 75% and 100% at 1 600, 2 000 and 2 600 r/min. The particle number (PN) emission increased gradually with the decrease of VNT opening. A World Harmonized Transient Cycle (WHTC) test was carried out after the optimum VNT opening was obtained at different speeds. The simulation data showed that the VNT opening reduced the intercept and standard deviation for the WHTC cycle torque regression line. The intercept decreased by 0.03 and 0.37 in cold and hot states, while the standard deviation decreased by 0.11 and 1.07, respectively. The NOx brake specific emissions decreased by 7.59% and 2.21% under the WHTC cold and hot cycles, while the particulate matter (PM) brake specific emissions reduced by 8.64% and 25.28%, and the PN brake specific emissions dropped by 6.74% and 12.4%, compared with the original engine. After optimizing the VNT opening, the standard deviation of the actual torque value from the reference value is reduced, and the main pollutants are reduced in different proportions, which shows the feasibility of the coordinated control of the VNT opening to optimize the transient performance and emissions of the diesel engine. The finding can provide a sound reference for the coordinated control of VNT opening under transient operating conditions in a diesel engine.

diesel engine; emissions; transient conditions; VNT openings; WHTC cycle

楊仕臣，萬明定，申立中，等.柴油機瞬態(tài)VNT開度優(yōu)化研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(6)：35-41.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.005 http://www.tcsae.org

Yang Shichen, Wan Mingding, Shen Lizhong, et al. Optimization of transient VNT opening of diesel engines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 35-41. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.005 http://www.tcsae.org

2021-01-15

2021-03-05

國家自然科學(xué)基金項目(52066008，51666005)；云南省科技計劃項目（2019FB073）；云南省科技計劃項目（2018FA030）

楊仕臣，研究方向為柴油機燃燒及污染物排放控制。Email：1051550445@qq.com

申立中，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為內(nèi)燃機電控技術(shù)、不同海拔下內(nèi)燃機工作過程。Email：lzshen@foxmail.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.005

TK427

A

1002-6819(2021)-06-0035-07