重型柴油机匹配VNT的仿真研究

赵艳婷，殷 勇，陈 镇，韩 潇，殷 实

(东风汽车有限公司 东风商用车技术中心，武汉 430056)

涡轮机的流量特性是指涡轮机校正质量流量与涡轮膨胀比之间的关系。对于径流式涡轮来说，不同的涡轮转速对应不同的流量特性曲线，如图1所示。对于传统的涡轮增压器，如果它匹配在柴油机的额定点，则在低速工况时，由于进气流量减少，涡轮膨胀比也相应降低，即涡轮入口处的气体压力下降，涡轮做功能力降低，导致压气机压比下降，柴油机充气不足，最终导致动力输出减少。如果匹配点选在柴油机的低速工况，则高速时会使涡轮膨胀比过大，出现增压器超速和增压压力过高的现象。变截面涡轮可以通过调整涡轮有效流通面积来实现涡轮流量特性在一定范围内的调节。

某重型柴油机配用VNT（可变喷嘴涡轮增压器），希望以此为契机探索重卡柴油机实现欧5排放法规的新途径、新方法。

1 带VNT的柴油机模型

利用一维发动机性能仿真软件avl-boost软件搭建dCi11-EGR柴油机模型如图2所示。并将校正后的模型里面的传统涡轮增压器特性数据替换为VNT特性数据，假设替换前后柴油机喷油量不变，摩擦不变，燃烧参数不变。

不同的VNT开度对应设置不同的特性图，如图3所示。

图4比较了三个型号的传统涡轮机与当前VNT的特性图，由图可见该VNT涡轮机的流量范围很广，甚至覆盖图中所示传统的三个涡轮机的流量范围。

2 带VNT的柴油机仿真结果

2.1 VNT与动力性经济性

在对该模型进行多个转速多种开度的模拟仿真之后，得到结果见图5至图7。

对于外特性下的几个工况点，如图5和图6所示，随着VNT开度的增加，扭矩和功率都有先增大后减小的趋势，即存在一个最大扭矩（功率）点。随着转速的增加，最大扭矩（功率）点对应的VNT开度值增大。由图可见，各转速下随着VNT开度的增大，发动机比油耗先减小后增大，这与最大扭矩（功率）点所对应的最佳VNT开度的趋势一致。

当涡轮开度较大时，涡轮流通面积较大，因而使相同流量下的涡轮膨胀比降低，做功能力减弱，降低了涡轮增压器的转速，进而降低了压气机的压比和流量。但由于没有随着涡轮开度的变化相应地调整燃油喷射量，所以柴油机的性能不但没有增加，反而随喷涡轮开度的增大，柴油机的输出扭矩和功率都有所降低。

显然，如果在减小涡轮开度的同时相应调节柴油机的供油量，使空燃比与原机值相当或略大，则柴油机的扭矩会得到提高，功率输出将有所增加，经济性也会得到改善，更重要的是可以改善增压柴油机的低速扭矩特性，提高其扭矩储备系数。

当涡轮开度在适当的范围内调节时，虽然也存在着一定的柴油机排气背压，但在一定的涡轮开度的调节范围内，能够保证有效扫气，为提高柴油机的扭矩和输出功率创造了条件。

当涡轮开度过分小时，由于柴油机排气背压较高，对扫气过程产生不良影响，甚至使废气倒流，造成废气残余量较高，因此柴油机工作恶化。

鉴于以上分析，本研究所用VNT开度从0.5开始。见图8。从0.5到0.72的开度即覆盖了该柴油机从低怠速到额定工况的使用范围。表明该VNT相对于该柴油机偏大。同时，几个高速工况即使在最大扭矩的VNT开度左右变化开度，扭矩值的变化很小。

2.2 VNT与排放性

由图9可见，在VNT开度较小时的发动机外特性下，各转速都能够保证较高的EGR率。这正是由于VNT开度小，导致排气背压高，直接导致EGR回路的压差大，因而能让更多的废气实现再循环。

由图10和图11可见，AFR和压气机压比的变化趋势一致。在较适宜的VNT开度内(大于0.5)逐渐减小。图11可见，几个高速工况的压比最大处却并不是扭矩最大处，说明每个工况都有最佳压比，对应着最大扭矩。

对于希望达到欧5排放的柴油机来说，目标EGR应为19%～25%，目标AFR应大于20。而对应最佳扭矩的VNT开度不能实现上述目标。综合图9和图10可知，外特性所有转速最佳的排放点均出现在VNT开度为0.5时刻。

2.3 动力最佳与排放最佳的比较

动力最佳与排放最佳并没有都出现在同一处，若要同时考虑动力性和排放性，则要根据发动机本体的目标需求进行选择，有所取舍的兼顾二者。同时，本研究中并没有改变喷油参数和燃烧参数，而在实际的实验过程中势必可以通过调节喷油和燃烧来改变动力和排放输出。

扭矩最大差别为30 N，扭矩比较见图12。功率最大差别为6 kW，功率比较见图13。比油耗最大差别为4.7 g/kWh，比油耗比较见图14。

EGR率最大差别为11.69%，EGR率比较见图15。AFR最大差别为5.71，AFR比较见图16。

以上的差别皆为最大差别，出现在高转速。低转速没有变化，即低转速工况达欧5排放目标相对高速容易。

2.4 涡轮增压器的压气机

除了上述的涡轮机偏大之外，还需要确定压气机的工作情况。压气机与柴油机的联合运行线如图17所示。由图17和图18得知，该柴油机并没有运行在压气机的高效区，大多数工况效率仅为70%，同时意味着该压气机偏大。

2.5 涡轮增压器的涡轮机

如图8所示的VNT开度小于0.75，因此选择涡轮机的时候可以适当降低涡轮尺寸，控制在当前流量的80%之内即可满足发动机要求，同时提高发动机的瞬态响应性。涡轮机图谱范围如图18所示。

3 小结

本文通过仿真的方法将VNT匹配在某款重型柴油机上，通过仿真分析得到如下结论：

1）随着VNT开度的增加，扭矩和功率都有先增大后减小的趋势，即存在一个最大扭矩（功率）点；

2）随着转速的增加，最大扭矩（功率）点对应的VNT开度值增大；

3）发动机比油耗的变化趋势与最大扭矩（功率）点所对应的最佳VNT开度的趋势相反；

4）该VNT相对于该柴油机偏大；

5）在VNT开度较小时的发动机外特性下，各转速都能够保证较高的EGR率；

6）AFR在较适宜的VNT开度内逐渐减小；

7）动力最佳与排放最佳并没有都出现在同一处，它们的动力输出相差不大，排放输出相差很多，必须有所取舍的兼顾二者；

8）在动力性基本维持现状的前提下，低转速工况达欧5排放目标相对高速容易一些，高速有些困难；

9）柴油机并没有运行在压气机的高效区，大多数工况效率仅为70%，同时意味着该压气机偏大；

10）建议下一步的匹配针对压气机和涡轮机，分别匹配合适的尺寸并尽量穿越高效区。