VNT可变涡轮增压器与柴油机的匹配研究

倪计民 刘 思 陈 泓 石秀勇 高旭南

(同济大学 汽车学院 上海 201804)

引言

为了改善增压柴油机的性能，可变几何涡轮增压技术逐渐受到了重视。国外对VNT(Variable Nozzle Turbocharging，VNT)可变涡轮增压技术的研究进行得较早，研究结果显示出了其在减小增压器迟滞、提高低速增压压力和转矩方面的能力［1～4］。近年来对增压系统的研究主要集中在压气机叶轮几何参数优化及流场分析、增压系统匹配控制以及可变几何涡轮性能匹配等方面［5～7］，而在外特性工况和 ESC工况下对VNT开度进行优化选择的文献相对较少。因此，本文将一款带放气阀涡轮增压(Waste Gate，WG)的柴油机改为匹配一款VNT废气涡轮增压器，对增压柴油机外特性工况和ESC工况进行仿真计算研究，分别以经济性和动力性为评估指标，对VNT开度进行优化匹配。

1 柴油机建模与标定

1．1 发动机基本参数

本文的研究对象是一款直列、四缸、高压共轨、带放气阀涡轮增压中冷柴油机(WG柴油机原机)，其基本结构和性能参数如表1所示。

1．2 WG柴油机原机建模与标定

1．2．1 柴油机GT－Power一维模型的建立

根据柴油机的基本结构参数，采用GT－Power软件建立柴油机一维仿真模型，如图1所示。

表1 WG柴油机原机基本参数

图1 WG柴油机原机GT－Power一维仿真模型

1．2．2 柴油机GT－Power一维模型的标定

以比油耗、功率、扭矩、充气系数、排气背压和进气歧管压力为标定参数，对WG柴油机原机GT－Power模型进行标定。柴油机GT－Power模型的标定结果如图2所示。

从图2可以看出，外特性仿真模拟计算得到性能指标曲线和试验曲线比较吻合，误差均在5%以内。

1．2．3 VNT柴油机 GT－Power一维建模

对WG增压柴油机原机计算模型进行修改，将WG带放气阀涡轮机模块改为VNT可变涡轮机模块。图3为所建立的VNT与柴油机的匹配计算模型，输入VNT压气机和涡轮机MAP图、不同VNT开度的涡轮机MAP图，并在GT－Power计算CASE中将VNT开度设置成指针变量［VNT］，以此模型来对不同VNT开度下的柴油机外特性和ESC运行工况进行优化计算［8，9］。

图2 柴油机外特性性能指标仿真与试验数据对比

2 VNT柴油机外特性工况仿真计算

分别计算VNT柴油机外特性工况下的转矩、空燃比以及比油耗的变化，对比分析VNT涡轮增压器对柴油机动力性的影响。

2．1 VNT柴油机外特性扭矩计算

应用GT－Power软件中的Optimizer模块，以VNT涡轮机的开度为指针变量，规定VNT最小开度为0，最大开度为100%，计算过程中指针变量的计算步长为1%，并以外特性工况转矩为优化目标，优化得出柴油机外特性转矩和VNT开度图，如图4所示。图5为VNT柴油机与原机外特性转矩对比，在外特性工况下柴油机的供油量不变。

从图4和图5可以看出，VNT柴油机以外特性工况运行时，VNT涡轮机的开度随着功率的升高而变大;相比于WG柴油机原机，VNT柴油机外特性转矩均有较大幅度提高，且最大转矩工况的运行范围拓宽，说明匹配VNT(某款量产产品)后能够提升该款柴油机的动力性能。

图3 VNT柴油机GT－Power一维仿真模型

2．2 VNT柴油机的空气流量和比油耗的变化

图4 VNT柴油机外特性转矩和对应VNT开度

图5 VNT柴油机外特性转矩和原机对比

VNT增压系统提高了柴油机的进气压力，导致柴油机的进气量增压，在供油量一定的前提下，VNT柴油机空燃比增大，可以改善柴油机的燃烧过程，从而提升发动机的经济性和动力性。图6为VNT增压柴油机与原机在外特性工况下的空气流量对比图，可以看出VNT柴油机空气流量明显高于柴油机原机。分析认为，VNT柴油机在不同外特性工况下使用合理的VNT开度，提高了增压压力，增加了发动机的进气量，空燃比的提高使柴油机的燃烧更加充分，燃烧过程获得改善，最终导致柴油机经济性提高，有效燃油消耗率呈现出了图7的变化趋势。

图6 VNT柴油机与原机在外特性工况下空气流量对比

2．3 VNT增压器与柴油机联合运行曲线

WG涡轮增压器通过压气机出口压力来控制涡轮进气口处废气阀门的开启，在柴油机高速高负荷时，废气阀门打开放掉部分废气，从而防止增压器超速，以降低进气歧管压力。VNT涡轮增压器是在涡轮进气侧安装可移动导片，根据发动机工况实时调整叶片角度，从而改善涡轮增压柴油机低速响应性和加速性能，使增压柴油机获得良好的综合性能。

图7 VNT柴油机与WG柴油机原机在外特性工况下的有效燃油消耗率对比

VNT涡轮增压系统提高了柴油机外特性工况点的增压压力和增压进气量，这有利于柴油机经济性的改善和动力性能的提高。图8和图9分别给出了WG涡轮增压器(某量产产品)、VNT涡轮增压器(某量产产品)与柴油机在外特性工况点的联合运行曲线。

图8 WG涡轮增压器与柴油机的联合运行曲线

图9 VNT涡轮增压系统与柴油机的联合运行曲线

从图8和图9可以看出，WG柴油机低转速运行时，增压器转速较低，效率较差，而VNT柴油机外特性工况点的增压压比与增压进气量曲线均通过了压气机的高效率区域，涡轮增压器的转速提高，联合运行曲线的高效率范围宽广，且外特性低工况点远离喘振线，这表明VNT涡轮增压系统与柴油机匹配性能良好。

3 VNT柴油机ESC工况仿真计算

根据所确定的ESC工况，对VNT柴油机的VNT开度进行优化计算，并计算ESC工况下的有效燃油消耗率加权值，分析VNT涡轮增压器对柴油机经济性的影响。

3．1 VNT柴油机ESC计算工况的确定

根据柴油机ESC工况的计算方法，结合VNT增压柴油机的外特性工况转矩，计算了该VNT增压柴油机的ESC运行工况，如表2所示。

表2 VNT涡轮增压系统柴油机ESC工况

3．2 VNT柴油机ESC工况的VNT开度优化计算

对于VNT柴油机的每个ESC运行工况，均存在最优的VNT开度，使柴油机在此工况下运行时的有效燃油消耗率最低。采用GT－Power软件中的Optimizer模块，以柴油机ESC运行工况点的比油耗为优化目标，得出柴油机最优VNT开度和有效燃油消耗率仿真优化计算结果如图10所示。

从图10可以看出，对于VNT柴油机ESC运行工况，在转速不变的条件下，随着负荷的降低，VNT开度逐渐增大。分析认为，在相同转速下，随着柴油机负荷的降低，空燃比变大，空气量相对充分，此时VNT开度增大，可以实现在不明显影响燃烧过程的情况下，达到降低泵气损失的目的。因此，VNT开度随负荷降低而增大，能够降低柴油机的有效燃油消耗率。

图11为VNT柴油机和WG柴油机原机ESC工况空燃比的对比，表明VNT柴油机在所有ESC运行工况范围内的空燃比大于WG柴油机原机，有利于柴油机热效率的提高。

3．3 VNT柴油机ESC工况的加权油耗

图10 VNT柴油机ESC运行工况最优VNT开度和有效燃油消耗率

根据图10的仿真计算结果，结合怠速油耗值，计算了VNT柴油ESC工况下的有效燃油消耗率加权值，与WG柴油机对比值如表3所示。

表3 VNT和WG柴油机ESC工况比油耗加权计算值

图11 VNT柴油机和WG柴油机原机ESC运行工况空燃比

续表

从表3可以看出，VNT涡轮增压系统改善了柴油机的进气和燃烧过程，提升了柴油机的燃油经济性。

4 结论

本文研究了VNT与柴油机的匹配特性，对VNT柴油机外特性工况和ESC工况下的VNT开度进行了优化仿真计算研究，所得结论如下:

1)配置VNT的柴油机与WG柴油机原机相比，外特性转矩均有较大幅度提高，说明采用合适的VNT可变涡轮增压系统提升了柴油机的动力性能。

2)涡轮增压器压气机与柴油机的联合运行曲线表明，VNT柴油机外特性工况点的进气量曲线通过了压气机的高效率范围，涡轮增压器的转速在整个转速范围内提高，联合运行曲线的高效率范围扩展，说明此VNT涡轮增压器与柴油机匹配性能良好。

3)VNT柴油机在不同外特性工况下使用合理的VNT开度，其空气流量和比油耗与WG柴油机对比表明，VNT涡轮增压系统使柴油机经济性得到提高。

4)VNT柴油机ESC工况加权比油耗值与WG柴油机原机相比有所降低，下降幅度约为3．8%，表明VNT柴油机具有良好的燃油经济性。

1 Jun Kawaguchi，Kazunari Adachi，Shinji Kono．Development of VFT(Variable Flow Turbocharger)．SAE Paper 1999－01－1242

2 Hiromu Furukawa．Reliability on VGT turbocharger．SAE Paper 930194

3 A．Mehmood，S．Laghrouche，M．EI Bagdouri，et al．Modeling identification and simulation of pneumatic actuator for VGT system．Sensors and Actuators A:Physical，2011，165:367～378

4 项旭昇，殷勇，陈林，等．VNT在中型柴油机上应用试验研究［J］．汽车科技，2011(1):78～82

5 李杜，杨策，王一棣，等．涡轮增压器用离心压气机蜗壳流场计算研究［J］．内燃机学报，2010，28(3):253～259

6 张虹，马朝臣．车用涡轮增压器压气机叶轮几何参数优化设计和性能分析［J］．北京理工大学学报，2005，25(1):22～26

7 张学文，申立中，毕玉华，等．2缸高压共轨柴油机增压器性能匹配与研究［J］．内燃机工程，2012(1):11～17

8 孟长江，褚全红，张春，等．可变喷嘴涡轮增压器控制策略研究［J］．现代车用动力，2008(3):72～75

9 郭林福．VGT电控增压系统的开发及其与柴油机优化匹配研究［D］．北京:北京理工大学，2003