搭載可變截面增壓器的柴油機(jī)高原標(biāo)定方法研究

摘 "要：對(duì)搭載可變截面增壓器的電控柴油機(jī)在高原移動(dòng)臺(tái)架上進(jìn)行了高原工作條件確定和優(yōu)化標(biāo)定試驗(yàn)，提出了針對(duì)不同轉(zhuǎn)速區(qū)域的標(biāo)定原則和方法，并用標(biāo)定后的MAP控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)高原標(biāo)定后的柴油機(jī)，可滿足既定的機(jī)械限值要求和動(dòng)力性要求，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)期望。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);可變截面增壓器（VGT）;高原標(biāo)定方法

中圖分類號(hào)：U467.1 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " "文章編號(hào)：1005-2550（2022）05-0088-06

Altitude Calibration and Match for Electronic Control Diesel Engine with Variable Geometry Turbocharger

CAI Cheng-Yang，YANG Jun， LIU Yao-wu， JIANG Yi-zuo， XIE Liang

（ National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang）， Xiangyang 441004， China）

Abstract： This paper introduces the altittude calibration boundary conditions and completed optimization calibration test for electronic Control Diesel Engine with Variable Geometry Turbocharger， The calibration principles and methods for different speed regions are proposed.The engine full load test was carried out with the calibrated map control system. The test results show that the engine performance calibrated on altitude can meet the requirements of mechanical limit and the dynamic performance，which meet the test target expectation.

Key Words： Desiel; Variable Geometry Turbocharger（VGT）; Altitude Calibration " "Method

引 " "言

高原標(biāo)定是發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中必不可少的環(huán)節(jié)。高原地區(qū)空氣稀薄，隨著海拔的增加空氣密度對(duì)應(yīng)降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒變差，發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放表現(xiàn)與平原產(chǎn)生明顯差異。目前，國(guó)內(nèi)外提高柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性的研究工作中，增壓技術(shù)是最重要的技術(shù)手段之一。當(dāng)海拔上升到一定高度后，受壓氣機(jī)喘振、增壓器超速以及聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)等的限制，傳統(tǒng)的排氣旁通式渦輪增壓器的進(jìn)氣補(bǔ)償作用將不足以彌補(bǔ)因大氣壓力和密度的大幅下降而帶來(lái)的進(jìn)氣量降低，因而柴油機(jī)的高原性能也受到一定的影響。為恢復(fù)柴油機(jī)的高原性能，需要采用更加先進(jìn)的高增壓技術(shù)，如可變渦輪增壓技術(shù)。

本文介紹的噴嘴環(huán)式可變截面增壓器，相對(duì)于其他可變截面增壓器，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍廣，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。該增壓器的核心結(jié)構(gòu)部分是可調(diào)的渦流截面噴嘴環(huán)（如圖1），其位置的變化是通過ECU控制噴嘴環(huán)的軸向移動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，可有效的改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能表現(xiàn)。張海雷等人[1-2]對(duì)匹配 VGT 柴油機(jī)進(jìn)行了不同海拔性能仿真研究，結(jié)果表明：同固定截面渦輪增壓器的柴油機(jī)相比，匹配 VGT 的柴油機(jī)能夠明顯改善柴油機(jī)在高海拔地區(qū)性能下降的問題。楊殿勇等人[3]在高原地區(qū)與平原地區(qū)上，對(duì)搭載了 VGT 柴油機(jī)的客車進(jìn)行了起動(dòng)、起步加速、換擋加速及減速等變工況下的瞬態(tài)整車動(dòng)力性能試驗(yàn)研究。楊永忠等人[4]對(duì)搭載了可變噴嘴渦輪增壓器的柴油機(jī)在高原地區(qū)的性能與排放的影響進(jìn)行了研究，分析了VGT對(duì)排放的影響。文萬(wàn)斌等人[5]運(yùn)用仿真方法對(duì)高原環(huán)境下排氣再循環(huán)（EGR）與 VGT柴油機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究。搭載VGT的發(fā)動(dòng)機(jī)在高原地區(qū)同樣會(huì)出現(xiàn)不同程度的性能衰減，通過對(duì)VGT的高原標(biāo)定方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，可以為高原地區(qū)電控柴油機(jī)與VGT的匹配控制提供一定指導(dǎo)。

2 " "試驗(yàn)裝置及邊界條件

2.1 " 試驗(yàn)樣品

本試驗(yàn)采用的是某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了霍爾塞特VGT增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1：

2.2 " 試驗(yàn)設(shè)備

本次高原試驗(yàn)在移動(dòng)式高原發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架中進(jìn)行，車輛將臺(tái)架移動(dòng)至相應(yīng)的海拔地段后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線標(biāo)定。試驗(yàn)設(shè)備主要有CW150B電渦流測(cè)功機(jī)、FST-Open發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)、CMFD015智能油耗儀、ToCeil空氣流量計(jì)、ACLDi不透光煙度計(jì)。使用標(biāo)定軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)修改，試驗(yàn)系統(tǒng)見圖2：

2.3 " 邊界條件

2.3.1 海拔范圍

根據(jù)我國(guó)汽車公路的分布情況，汽車在高原行駛的海拔范圍主要集中在4900m以下。實(shí)踐證明，海拔1700m以下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能表現(xiàn)未見明顯衰減，故不對(duì)海拔1700m以下做高原標(biāo)定要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合高原環(huán)境的特點(diǎn)在1700m～4900m之間選取6個(gè)海拔點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，其他海拔的標(biāo)定采用插值法完成[6]。

2.3.2機(jī)械限值范圍

機(jī)械限值范圍。在高原環(huán)境中發(fā)動(dòng)機(jī)不僅僅會(huì)出現(xiàn)功扭降低，而且會(huì)表現(xiàn)出各種機(jī)械限值超限，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的性能參數(shù)以及工程經(jīng)驗(yàn)[7]，本次試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定時(shí)需要滿足以下參數(shù)的機(jī)械限值：增壓器轉(zhuǎn)速lt;150000r/min、壓氣機(jī)端出口溫度lt;230℃，渦輪機(jī)端入口溫度lt;760℃，缸內(nèi)最大壓力lt;180bar，煙度lt;30%等。通常發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性為各項(xiàng)機(jī)械限值參數(shù)的最大極限，因此完成外特性各項(xiàng)參數(shù)的標(biāo)定，即能滿足部分負(fù)荷工況限值要求。

3 " " 標(biāo)定方法

3.1 " VGT的進(jìn)氣特性

發(fā)動(dòng)機(jī)搭載的霍爾塞特VGT增壓器主要通過控制電控系統(tǒng)對(duì)噴嘴環(huán)進(jìn)行控制，通過修改噴嘴環(huán)的關(guān)度標(biāo)定map實(shí)現(xiàn)不同的噴嘴環(huán)關(guān)度。對(duì)于VGT的噴嘴環(huán)關(guān)度定義，0%表示全開，100%表示全關(guān)。VGT增壓器通過改變VGT關(guān)度，進(jìn)而改變?cè)鰤浩鞯倪M(jìn)氣截面，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣，達(dá)到改變發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的。因此對(duì)兩者之間的相關(guān)性進(jìn)行研究能為標(biāo)定方法提供良好的指導(dǎo)。

1）可變截面增壓器VGT噴嘴環(huán)位置與進(jìn)氣量關(guān)系。

選定一個(gè)柴油機(jī)典型運(yùn)行工況點(diǎn)，即中速1400r/min（最大扭矩工況點(diǎn)）進(jìn)行分析。不同的VGT關(guān)度對(duì)進(jìn)氣量的影響（如圖3，圖4）。隨著VGT關(guān)度增大，排氣壓力增大，進(jìn)氣量也會(huì)隨之變大，但VGT進(jìn)氣量跟VGT關(guān)度并非絕對(duì)的線性關(guān)系，在排氣壓力大到一定程度下，進(jìn)氣量呈減少趨勢(shì)。

2）可變截面增壓器VGT噴嘴環(huán)位置與進(jìn)、排氣壓力關(guān)系。

通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)VGT的噴嘴位置移動(dòng)對(duì)進(jìn)氣壓力、排氣壓力的影響，兩者的影響與進(jìn)氣量呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系（如圖5）：噴嘴環(huán)位移超過限值時(shí)，繼續(xù)減小噴嘴環(huán)位移（噴嘴環(huán)關(guān)度增大），排氣壓力明顯增加，而進(jìn)氣壓力并未明顯增大，繼續(xù)改變位移達(dá)到一定程度，進(jìn)氣壓力衰減明顯，密度不變的情況下進(jìn)氣量對(duì)應(yīng)急劇減少，此時(shí)進(jìn)氣壓力與排氣壓力之間的壓差值增大，且與排氣壓力呈正比關(guān)系。當(dāng)VGT關(guān)度（噴嘴環(huán)位移增大）放開至一定的限值，進(jìn)氣壓力與排氣壓力之間的壓差值減小，VGT的關(guān)度對(duì)進(jìn)氣量的影響較小。

VGT的關(guān)度在限值范圍外，進(jìn)氣壓力和排氣壓力之間的壓差增加，進(jìn)氣量減少;VGT的關(guān)度在限制范圍內(nèi)，進(jìn)氣和排氣壓力之間的壓差小，進(jìn)氣量與VGT噴嘴環(huán)關(guān)度呈線性關(guān)系。

根據(jù)以上得出VGT噴嘴關(guān)度與進(jìn)氣和排氣的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)VGT增壓器對(duì)進(jìn)氣量效率的提升是有一定范圍的。雖然VGT可以通過改變噴嘴環(huán)位移實(shí)現(xiàn)在低速區(qū)比普通WG更小的流通面積，但是VGT的特性是當(dāng)關(guān)度超過一定范圍時(shí)，渦輪效率反而更低。因此當(dāng)前VGT側(cè)重于大渦殼選型時(shí)，其在低速區(qū)的效率與期望有差距，無(wú)法實(shí)現(xiàn)更好的低速性能。

低速區(qū)時(shí)廢氣能量很低，通過改變流通截面積會(huì)帶來(lái)一定程度的進(jìn)氣量提升，但是效果不是很明顯，煙度反而會(huì)成倍上升（如圖6）。因此，對(duì)于低速區(qū)，不建議調(diào)整VGT最大關(guān)度，一方面調(diào)整效果不明顯，另一方面需要重新驗(yàn)證平原機(jī)械限值超限和瞬態(tài)響應(yīng)。

3.2 " 標(biāo)定方法

VGT MAP標(biāo)定內(nèi)容主要包括VGT的進(jìn)氣量MAP、VGT的關(guān)度MAP和高原噴油量MAP。由于發(fā)動(dòng)機(jī)許多基本參數(shù)都受到冷卻水溫修正的影響，標(biāo)定試驗(yàn)前需要充分熱機(jī)，即水溫保持88℃，機(jī)油溫保持95℃。標(biāo)定過程中對(duì)高速區(qū)、中速區(qū)和低速區(qū)采用不同標(biāo)定方法進(jìn)行。

試驗(yàn)測(cè)試的工況點(diǎn)選取：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限定900r/min～2600r/min，油門設(shè)定100%，轉(zhuǎn)速間隔100r/min選取工況點(diǎn);分別在各海拔點(diǎn)進(jìn)行外特性試驗(yàn)，并記錄每個(gè)工況點(diǎn)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、機(jī)械限值和煙度等數(shù)值。

3.2.1 高速區(qū)基本MAP標(biāo)定

本次試驗(yàn)用柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在2000r/min以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)即進(jìn)入高轉(zhuǎn)速工況，此時(shí)增壓器的轉(zhuǎn)速及熱負(fù)荷容易超出限值，進(jìn)氣密度下降對(duì)動(dòng)力輸出影響較為明顯。標(biāo)定時(shí)要先滿足增壓器轉(zhuǎn)速和渦輪端入口溫度要求，再提升發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

試驗(yàn)時(shí)首先使發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速，100%油門工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，然后觀察發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、渦輪入口溫度、增壓器壓氣機(jī)入口溫度，煙度等參數(shù)是否超限。針對(duì)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速超限，通過高原油量限制表調(diào)整高原噴油量，減少供油，使增壓器轉(zhuǎn)速在限值范圍內(nèi)。然后繼續(xù)觀察渦輪入口溫度、壓氣機(jī)入口溫度。如果超出限值，繼續(xù)調(diào)整噴油量，此時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速若還有一定余量，可以調(diào)整VGT關(guān)度表，增加進(jìn)氣量。最后再進(jìn)行供油提前角和噴油量的微調(diào)，在滿足缸內(nèi)最大壓力限值要求的前提下，得到該轉(zhuǎn)速下扭矩的最大值即為最佳值。采用相同的方法對(duì)高速區(qū)其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)依次進(jìn)行標(biāo)定，各海拔的標(biāo)定類似，以獲取高速區(qū)標(biāo)定MAP圖。

此外，高速區(qū)經(jīng)常會(huì)出一哨叫聲問題。分析發(fā)現(xiàn)，異常哨叫聲產(chǎn)生的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)傳感器測(cè)量值計(jì)算得出的進(jìn)氣量與VGT中進(jìn)氣量命令值不一致，導(dǎo)致VGT的噴嘴環(huán)反復(fù)調(diào)整所致，此時(shí)需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)VGT中進(jìn)氣量MAP進(jìn)行標(biāo)定，使VGT進(jìn)氣標(biāo)定量與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)量值一致即可。

3.2.2 中速區(qū)MAP標(biāo)定

該機(jī)型的中速區(qū)范圍約在1200r/min～1900r/min，其受到機(jī)械限值和VGT關(guān)度影響小，主要保證動(dòng)力輸出，同時(shí)獲得最低的燃油消耗率。標(biāo)定時(shí)首先提升發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，再根據(jù)機(jī)械限值情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

試驗(yàn)時(shí)在每個(gè)工況點(diǎn)（轉(zhuǎn)速和油門）下，按照最大扭矩原則，調(diào)整高原油量限制表，即放大高原油量限制，增加噴油量，將扭矩提升至目標(biāo)值，然后觀察機(jī)械限值是否超限，檢查增壓器渦輪轉(zhuǎn)速、渦輪入口溫度、增壓器壓氣機(jī)入口溫度、缸內(nèi)最大壓力，若超出范圍可減少噴油量，最后各工況點(diǎn)在滿足機(jī)械限值要求的前提下進(jìn)行噴油量和供油提前角調(diào)整，找到每個(gè)工況點(diǎn)的燃料消耗最低時(shí)對(duì)應(yīng)對(duì)的標(biāo)定值即為最佳值，采用相同的方法對(duì)中速區(qū)其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)依次進(jìn)行標(biāo)定，各海拔的標(biāo)定類似，獲得中速區(qū)的標(biāo)定MAP。

3.2.3 低速區(qū)MAP標(biāo)定

在1200r/min以下的低速區(qū)，機(jī)械限值非主要限制因素，但發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)喘振。標(biāo)定時(shí)首先解決發(fā)動(dòng)機(jī)喘振問題，再提升發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

發(fā)動(dòng)機(jī)高原出現(xiàn)喘振的原因是VGT的關(guān)度短時(shí)間過大，增壓器的進(jìn)氣量短時(shí)間內(nèi)大量減少，導(dǎo)致渦輪增壓器容易進(jìn)入喘振邊界或者喘振區(qū)，需要對(duì)VGT的最大關(guān)度進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)時(shí)在每個(gè)工況點(diǎn)（轉(zhuǎn)速和油門）下，按照防止喘振優(yōu)先和最大扭矩的原則，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量和VGT關(guān)度進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于發(fā)生喘振的工況點(diǎn)，首先調(diào)整VGT關(guān)度，即放大VGT關(guān)度，然后減少噴油量，消除喘振現(xiàn)象，再微調(diào)噴油量和供油提前角，使扭矩達(dá)到最大值。采用相同的方法低速區(qū)其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)依次進(jìn)行標(biāo)定，各海拔的標(biāo)定類似，獲得低速區(qū)的標(biāo)定MAP。

以上為根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速區(qū)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和機(jī)械限值的要求綜合考慮并兼顧全工況的平順性原則，對(duì)基本的VGT MAP進(jìn)行標(biāo)定，得到的最佳噴油量MAP、VGT進(jìn)氣量MAP、VGT關(guān)度MAP分別如圖7、圖8和圖9所示：

3.3 " 標(biāo)定后性能驗(yàn)證

經(jīng)高原標(biāo)定后，在不同海拔點(diǎn)柴油機(jī)外特性數(shù)據(jù)與其在平原的外特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10、圖11所示。經(jīng)過高原標(biāo)定后柴油機(jī)的動(dòng)力性較標(biāo)定前有明顯改善，其中在最大扭矩區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩平均提高5.0%，最大功率平均提高12%。雖然在高速區(qū)和低速區(qū)的動(dòng)力呈現(xiàn)不同程度的衰減，但基本滿足標(biāo)定期望。

4 " "結(jié)論

a）在每個(gè)海拔點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，轉(zhuǎn)速范圍不同，標(biāo)定的方法不同：高速區(qū)標(biāo)定主要目的是保證發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械限值不超限;中速區(qū)標(biāo)定主要目的是保證扭矩提升;低速區(qū)的標(biāo)定主要目的是消除喘振，并提升扭矩。

b）完成各海拔點(diǎn)標(biāo)定前后的外特性試驗(yàn)。標(biāo)定后發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩平均提高5.0%，最大功率平均提高12%，動(dòng)力水平基本滿足預(yù)期要求。機(jī)械限值處理限值范圍以內(nèi)，驗(yàn)證了高原標(biāo)定方法的合理性。

c）對(duì)VGT增壓器進(jìn)氣和排氣特點(diǎn)進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)VGT增壓器的噴嘴位置變化與進(jìn)氣效率并非線性關(guān)系，與排氣壓力呈線性關(guān)系;VGT增壓器在一定范圍內(nèi)對(duì)進(jìn)氣效率提升作用明顯。

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蔡成楊

畢業(yè)于福州大學(xué)，研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于襄陽(yáng)達(dá)安汽車檢測(cè)中心有限公司檢測(cè)工程部發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室工作，職稱為工程師。

專家推薦語(yǔ)

龍永生

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

動(dòng)力總成技術(shù)總工程師 研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文對(duì)搭載可變截面增壓器的電控柴油機(jī)在高原移動(dòng)臺(tái)架上進(jìn)行了高原工作條件確定和優(yōu)化標(biāo)定試驗(yàn)，提出了針對(duì)不同轉(zhuǎn)速區(qū)域的標(biāo)定原則和方法，并用標(biāo)定后的MAP控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架性能試驗(yàn)，結(jié)果表明標(biāo)定后發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩平均提高5.0%，最大功率平均提高12%，動(dòng)力水平基本滿足預(yù)期要求;同時(shí)對(duì)VGT增壓器進(jìn)氣和排氣特點(diǎn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)VGT增壓器的噴嘴位置變化與進(jìn)氣效率并非線性關(guān)系，與排氣壓力呈線性關(guān)系，VGT增壓器在一定范圍內(nèi)對(duì)進(jìn)氣效率提升作用明顯。

隨著2019年7月第六階段排放法規(guī)的實(shí)施，監(jiān)管開始關(guān)注高原排放的優(yōu)化及控制技術(shù);我國(guó)下階段排放法規(guī)研究也在制定過程中，并明確表示將導(dǎo)入高原排放限值及導(dǎo)入監(jiān)管范圍。高原地區(qū)空氣稀薄，隨著海拔的增加空氣密度對(duì)應(yīng)降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒變差，發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放表現(xiàn)與平原產(chǎn)生明顯差異。

文中介紹到的高原VGT進(jìn)氣特性，試驗(yàn)測(cè)試的工況點(diǎn)選取等高原環(huán)境的標(biāo)定優(yōu)化方法，對(duì)優(yōu)化高原排放具有比較好的參考意義。