柴油機瞬態VNT開度優化研究

楊仕臣，萬明定，申立中，王正江，黃粉蓮

柴油機瞬態VNT開度優化研究

楊仕臣，萬明定，申立中※，王正江，黃粉蓮

（昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500）

瞬態工況下，可變噴嘴渦輪增壓器（Variable Nozzle Turbocharger，VNT）開度的調節對柴油機增壓壓力、扭矩響應及污染物排放具有較大影響。為優化瞬態工況下VNT開度，實現瞬態工況下柴油機與VNT的協調控制，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速下負荷1、3和5 s從0瞬變至50%、75%和100%時，不同VNT開度對柴油機瞬態性能及排放的影響。結果表明：2 000 r/min下，負荷1、3和5 s從0瞬變至50%、75%、100%的過程中，VNT開度對負荷1 s瞬變工況的影響比3和5 s明顯；隨著VNT開度減小，增壓壓力響應時間逐漸縮短，扭矩響應時間先減小后增大。1 600、2 000和2 600 r/min下，負荷1 s從0瞬變至75%的過程中，NOx體積分數先增大后減小，然后再逐漸增大趨于穩定；顆粒物數量（PN）峰值隨VNT開度的減小而增大。綜合考慮柴油機瞬態響應和排放，對全工況范圍下柴油機的VNT開度控制進行優化，獲得了柴油機瞬態工況下的優化VNT開度協調控制方案，并進行WHTC循環試驗，結果表明：與原機相比，冷、熱態下WHTC循環扭矩回歸線的截距分別下降0.03和0.37，標準偏差分別下降0.11和1.07；WHTC冷、熱態循環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%。研究結果可為柴油機瞬態工況下VNT的協調控制提供參考。

柴油機；排放；瞬態工況；VNT開度；WHTC循環

0 引 言

車用柴油機在實際運行中頻繁處于加減速和負荷變化等瞬態工況，瞬態工況占66%～80%[1]。由于增壓器遲滯[2-4]等原因，增壓壓力及進氣量的變化速率滯后于噴油量的變化速率[5-6]造成瞬態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）是改善柴油機瞬態性能的有效措施之一。周鵬程等[15]建立GT-Power和MATLB/Simulink聯合仿真模型，研究了可變截面渦輪增壓器（Variable Geometry Turbocharger，VGT）對發動機性能的影響，結果表明：VGT明顯改善瞬態工況下柴油機的動力性、經濟性和動態響應特性，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的二級可調增壓柴油機仿真模型，研究了不同海拔瞬態工況下VGT葉片的調節特性，結果表明：等速加載工況下，VGT最優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態工況對應開度；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速對應開度，之后VGT開度保持不變持續至加速結束的調節策略加速性能最好。Wijetugne等[17]建立以排氣壓力作為反饋變量的VNT瞬態控制策略，采用PID（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器調節噴嘴環開度，通過控制EGR開度調節進氣流量，結果表明：該方法降低了反饋延遲，提高了瞬態響應，減少了泵氣損失，降低了瞬態煙度。Black等[18]研究了不同VGT開度對柴油機增轉速下瞬態性能的影響，結果表明：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，改善了瞬態性能。孫萬臣等[19]試驗研究了VNT對車用柴油機瞬態性能與排放的影響，結果表明：合理調節VNT噴嘴環開度，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性能和排放的關鍵[20]。VNT開度過小，雖然提高了增壓壓力瞬態響應，但是較小的VNT開度會造成泵氣損失增大，從而導致扭矩響應差，經濟性惡化，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，增壓壓力響應慢，發動機進氣量滯后，造成發動機瞬態工況下燃燒、性能和排放等出現不同程度的惡化[18]。因此，需要根據發動機瞬態工況的變化合理協調控制瞬態VNT開度，以保證增壓壓力、扭矩等快速響應的同時有效降低NOx和PM等排放。

為優化柴油機瞬態工況下VNT開度，改善柴油機瞬態性能和排放，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，試驗研究了標準大氣壓力下不同VNT開度對柴油機恒轉速增轉矩瞬態模式下增壓壓力及扭矩響應和排放的影響及變化規律，然后對柴油機全工況范圍內的瞬態VNT開度進行了優化，以期為柴油機瞬態工況下VNT的控制提供參考。

1 試驗設備及試驗方案

1.1 試驗設備

試驗用發動機為一臺配備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，最高轉速為220 000 r/min。設備儀器包括AVL Dynoroad 202/12 交流電力測功機、AVL PUMA OPEN 測控系統、AVL 735S 燃油質量流量計、AVL 753C燃油溫控系統、AVL AMA i60部分流排放分析儀、AVL 489顆粒計數器、AVL SPC 478顆粒采集器、電子天平、大氣壓力模擬系統、BOSCH可標定發動機控制單元、ES590、INCA 標定軟件等，主要設備參數如表 2所示。試驗臺架布置如圖1所示。

表1 發動機基本參數

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，轉速和負荷頻繁變化。為保證研究結果盡可能接近實際情況，選擇1 600、2 000和2 600 r/min作為試驗轉速。在3個轉速下，分別以對應的0負荷作為起始負荷，50%、75%和100%負荷為終止負荷進行恒轉速增轉矩瞬態試驗，負荷響應時間分別設置為1、3和5 s。

2）VNT協調控制方案：在瞬態工況下，VNT開度是影響柴油機瞬態性能的重要因素之一[23]。瞬態工況下，減小VNT開度能提高增壓壓力和進氣量響應速度。恒轉速增轉矩瞬態模式下，瞬態初期保持VNT開度不變，中后期逐漸增大的瞬態VNT開度控制方式能夠保證最佳的柴油機瞬態性能[16]。因此，提出隨循環噴油量（負荷）增大逐漸增大VNT開度的瞬態VNT開度控制策略。為優化瞬態VNT開度控制，以穩態工況VNT開度減小5%作為對應轉速下初始瞬態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。每一轉速下分別組成如圖2所示的4組瞬態VNT開度，VNT1～VNT4表示VNT開度逐漸減小（95%代表全關，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。為保證試驗數據的準確性，每組試驗重復做3次，結果取平均值。

表2 主要設備參數

2 試驗結果與分析

2.1 不同VNT開度對瞬態響應的影響

瞬態工況下，不同的VNT開度會導致柴油機的增壓壓力和進氣量響應不同，進而導致柴油機瞬態性能和排放的差異[24]。

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

圖5所示為2 000 r/min下不同VNT開度、不同負荷響應時扭矩的響應時間，其中扭矩響應時間定義為負荷變化開始至扭矩達到目標值的95%所用時間。由圖5可看出，扭矩響應時間隨VNT開度減小先減小后增大。這是因為：VNT開度減小后，增壓壓力響應至目標值的時間縮短，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，導致扭矩響應變慢。因此需要選擇最佳的VNT協調控制開度匹配不同的瞬態工況，以保證增壓壓力和扭矩的快速響應。

2.2 不同轉速下VNT開度對瞬態性能和排放的影響

圖6所示為不同轉速下不同VNT開度、負荷響應1 s時增壓壓力和扭矩的響應時間。由圖6可看出：1 600 r/min下的增壓壓力響應時間為3.5、2.62、2.58和2.7 s，扭矩響應時間為3.75、3.7、3.5和3.8 s，如圖6a。2 000 r/min 下的增壓壓力響應時間為4.2、3.2、2.9和2.8 s，扭矩響應時間為4.4、2.4、2.7和4.2 s，如圖6b。2 600 r/min下的增壓壓力響應時間為3.5、3.3、2.8和2.3 s，扭矩響應時間為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速下NOx體積分數和顆粒數量PN的變化。不同轉速下NOx體積分數先增大后減小，產生一個峰值和一個谷值，然后又增大趨于穩定，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對應的NOx體積分數向上的峰值各為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NOx體積分數向上的峰值分別為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NOx體積分數向上的峰值分別為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%。造成不同轉速下NOx體積分數先增大再減小然后增大趨于穩定的主要原因是：負荷1 s響應至目標值，由于進氣歧管及EGR管路的填充排空效應，空氣具有可壓縮性[25]，導致增壓壓力和進氣量滯后于噴油速率，VNT在瞬變過程開始后開度關小，EGR率也較小，較小的VNT開度使增壓壓力快速升高，NOx產生了尖峰；而當增壓壓力接近或大于目標壓力時，進氣量已可以匹配噴油量，VNT逐漸增大開度，同時通過協調控制增大了EGR閥，NOx排放降低產生向下的峰值，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，粒子數量PN產生向上的峰值。其中1 600 r/min下粒子數量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產生這種現象的主要原因是：在負荷1 s響應的瞬變過程中，油量響應比增壓壓力響應快，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下平均響應時間分別為2.85、2.95和2.98 s，進氣量的滯后使燃油燃燒不充分，從而使粒子數量驟增，產生尖峰[26]，且峰值隨VNT開度的減小而增大。

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

3 瞬態VNT開度優化

基于前面的分析結果，在綜合柴油機瞬態響應和排放的基礎上，對全工況范圍柴油機VNT開度控制進行優化，獲得了柴油機瞬態工況下的優化VNT開度協調控制方案。然后進行WHTC循環試驗，對優化前后柴油機扭矩允差和污染物排放進行對比分析。

3.1 原機與優化后扭矩響應對比分析

根據國六法規要求，采用最小二乘法對WHTC循環下扭矩響應進行基于基準值和實際值的線性回歸分析[27]。公式為

=1+0，

式中為循環中扭矩的實際值，為基準值，1為回歸線的斜率，0為回歸線的截距。

表3所示為原機與優化后WHTC循環回歸線扭矩的允差。從表中可以看出，原機與優化后扭矩的回歸線斜率1和決定系數2值均為0.95；優化后冷、熱態回歸線的截距分別下降了0.03和0.37，熱態扭矩回歸線截距下降明顯；優化后冷態扭矩基準值與對于實際值的標準偏差減小0.11，熱態減小1.07，標準偏差分別下降了0.72%和4.89%。標準偏差越小，偏離平均值就越小。協調控制后的VNT開度降低了循環中轉矩的標準偏差，提升了瞬態響應。

3.2 原機與優化后排放對比

WHTC循環試驗可得出冷、熱態循環的1 800個工況點的累計排放量，然后計算獲得WHTC循環比排放[28]。

表3 WHTC回歸線扭矩的允差

圖8所示為原機與不同VNT開度協調控制后WHTC冷、熱態循環下不同排放污染物的比排放。由圖8a可看出，原機WHTC循環冷、熱態NOx比排放分別為3.69和3.93 g/kW·h，優化后降至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、熱態循環比排放分別為0.220和0.265 g/kW·h，優化后下降至0.201和0.198 g/kW·h，優化后與原機相比下降了8.64%和25.28%；由圖8c可看出，粒子數量PN原機冷、熱態循環比排放分別為2.97×1014和2.91×1014#/kW·h，優化后下降至2.77×1014和2.55×1014#/kW·h，與原機相比下降了6.74%和12.4%。

VNT控制開度協調優化后WHTC循環冷態NOx比排放、熱態PM和PN比排放顯著下降，存在trade-off關系的NOx和PM排放物[29-30]在WHTC循環中都有不同比例的下降，說明了協調控制的VNT開度對瞬態工況排放物優化的可行性。

4 結 論

1）2 000 r/min下不同VNT開度、不同負荷響應時，對負荷1 s的響應影響最大。增壓壓力響應時間隨VNT開度減小而縮短，VNT開度越小，增壓壓力響應越快，扭矩響應時間隨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體積分數先增大后減小然后增大并趨于穩定；PN峰值隨VNT開度減小而增大。

3）優化瞬態VNT開度后進行WHTC循環試驗，結果優于原機。扭矩冷、熱態回歸線的截距與原機相比分別下降了0.03和0.37；冷、熱態標準偏差下降0.72%和4.89%。WHTC循環比排放與原機相比，冷、熱態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%；顆粒物數量下降6.74%和12.4%。

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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VNT開度優化研究[J]. 農業工程學報，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，博士生導師，主要研究方向為內燃機電控技術、不同海拔下內燃機工作過程。Email：lzshen@foxmail.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.005

TK427

A

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