基于VGT技术的游艇发动机推进特性分析

官德亮, 夏清梁, 高占斌,2

(1.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.哈尔滨工程大学 动力与能源学院，黑龙江 哈尔滨 150001））

基于VGT技术的游艇发动机推进特性分析

官德亮1, 夏清梁1, 高占斌1,2

(1.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.哈尔滨工程大学 动力与能源学院，黑龙江 哈尔滨 150001））

利用相关发动机参数，通过GT-Power仿真软件建立OED483Q可变截面涡轮增压柴油发动机的整机模型，并利用试验数据对模型的主要参数进行验证和校准。在此基础上，结合试验对柴油机OED483Q的推进特性进行研究及分析，比较可变截面涡轮增压与普通废气涡轮增压对柴油机的不同影响。研究结果表明：采用可变截面涡轮增压可有效提高低负荷增压压力，降低有效燃油消耗率，提高经济性；同时，能避免增压压力过大导致的涡轮前排气温度过高，保证发动机的正常使用寿命。

GT-Power；OED483Q柴油机；可变截面涡轮增压器；推进特性；试验

0 引 言

随着能源问题日益突显及柴油机强化程度不断提高，利用废气涡轮增压技术改善柴油机的性能已成为提高柴油机功率密度和燃油经济性的必要手段[1-2]。与传统的增压系统相比，可变截面涡轮增压器（VariableGeometry Turbocharger，VGT）技术能有效解决柴油机各种工况下引起的废气涡轮增压器与发动机匹配相矛盾的问题，是改善废气涡轮增压器与柴油机匹配性能较为理想的技术[3-4]。

本文首先建立OED483Q可变截面涡轮增压柴油机GT-Power仿真模型，并对其进行验证和校核。在此基础上，结合试验研究VGT对游艇发动机OED483Q推进特性的影响。通过分析，为该型号柴油机作为游艇发动机的VGT系统的进一步研究提供理论依据。

1 GT-Power模型建立及校核

1.1 OED483Q整机模型建立

目前常见的发动机工作过程模拟软件主要有FIRE，BOOST和GT-Power等，其中GT-Power是由美国Gamma Technologies公司开发的一种适用于对各种内燃机的工作过程及性能进行仿真分析的大型软件[5]。

研究对象为内蒙古欧意德发动机有限公司提供的OED483Q可变截面涡轮增压柴油机，其基本参数见表1。

表1 OED483Q可变截面涡轮增压柴油机基本参数

图1为OED483Q可变截面涡轮增压柴油机整机模型，主要包括进排气端、空滤器、进排气门、气缸、曲轴箱、可变截面涡轮增压器和喷油器等模块，其数学模型主要包括气缸模型、燃烧模型和传热模型等。

1.2 OED483Q整机模型校核

模型建立之后，为保证其精确性，将仿真值与台架试验值进行对比，以便后续进行推进特性的仿真。仿真模型选取1000r/min，1500r/min，2000r/min，2500r/min，3000r/min，3500r/min和4000r/min等7个转速，按各转速下的100%负荷校核。

将OED483Q柴油机的外特性试验数据（包括功率、扭矩、有效燃油消耗率和空气质量流量等）与仿真值进行对比，结果见图2。由图2可知，在大多数转速下，试验值与仿真值均能很好地吻合。虽然在某些转速下有部分参数的仿真值与试验值有差距，但最大误差均不超过 5%，误差均控制在正常范围内。因此，所建立的模型是可靠的。

2 试验台架和研究方法

2.1 试验台架

该研究是在一台排量为1.991L的电控共轨柴油机上进行的，图3为试验台架示意。该试验台架由OED483Q柴油机、DW440电涡流测功器、NCK2000发动机测控系统、HZB2000油耗测量仪、相关参数的测量装置、传感器及其显示仪器等组成。

2.2 研究方法

表2 试验工况点

在各工况点上对可变截面涡轮增压的OED483Q柴油机进行试验，记录试验过程中各性能参数的变化。当仿真模型去除 VGT控制模块时，可利用模型仿真出普通废气涡轮增压器推进特性中各参数的变化。比较采用可变截面涡轮增压器与采用普通废气涡轮增压器时各参数的区别，确定可变截面涡轮增压对OED483Q柴油机的影响。

3 试验结果和分析

图4为 OED483Q柴油机推进特性的功率和扭矩试验及计算结果对比。由图4可知：当发动机在Pe＜ 90%Pe0工况下工作时，试验值与理论计算值的吻合度较高；当发动机在Pe＞ 90%Pe0工况下工作时，功率和扭矩达不到推进特性所要求的理论值。

图5为OED483Q柴油机各工况下采用可变截面涡轮增压器与普通废气涡轮增压器试验、仿真时增压压力值对比。当Pe＜ 50%Pe0时，可变截面涡轮增压器的增压速率较快，且增压压力较普通废气增压器大，最大可超过后者15.3%；当Pe＞ 50%Pe0时，增压速率开始减慢且当Pe＞ 90%Pe0时基本保持不变。普通废气涡轮增压器的增压压力随着负荷的增加为不断增大，当Pe＞ 60%Pe0时，其增压压力超过可变截面涡轮增压器的增压压力。相比普通废气涡轮增压器，该游艇的发动机采用可变截面涡轮增压器可在低负荷、废气能量不足时提高增压压力，在高负荷、废气能量充足时保证增压压力不会过大而对发动机相关零部件造成损坏。

图6为OED483Q柴油机各工况下采用两种不同增压器的有效燃油消耗率对比。当Pe＜ 50%Pe0时，采用可变截面涡轮增压器时的有效燃油消耗率均小于采用普通废气涡轮增压器时的有效燃油消耗率，在低负荷时尤为明显，最多可降低5.7%的油耗率。当Pe＞ 60%Pe0时，采用2种增压器对应的有效燃油消耗率差别不大。当采用普通废气涡轮增压、发动机低负荷运行时，由于废气能量较小，不能产生明显的增压效果，导致进气量不足，燃烧不充分，有效燃油消耗率相对较高；而采用可变截面涡轮增压可克服以上缺点。转速负荷较高时进气量充足，燃烧充分，因此采用2种增压器在高负荷时的有效燃油消耗率相差不大。

图7为OED483Q柴油机各工况下采用两种不同增压器的涡前排气温度对比。在低负荷阶段，采用可变截面涡轮增压的温度高于采用普通废气涡轮增压的温度；随着负荷增加，前者温度增速减慢，后者温度不断升高，而后超过前者。采用可变截面涡轮增压时，在低负荷阶段，增压压力大，进气较充足，燃烧较好，因而排气温度较高；而采用普通废气涡轮增压时，增压压力随着发动机负荷的增加而不断升高，导致气流摩擦加剧，进气温度不断升高，从而造成发动机的涡前排气温度升高。排气温度最大提高12.1%，这会增加发动机热负荷，造成许多危害，减少增压器使用寿命。

图8为OED483Q柴油机各工况下采用两种不同增压器的过量空气系数对比。在低负荷时，采用可变截面涡轮增压的过量空气系数比采用普通废气涡轮增压的过量空气系数大，随着负荷不断增加，后者逐渐超过前者。

图9为OED483Q柴油机采用可变截面涡轮增压与采用普通废气涡轮增压的外功率对比。当发动机转速较低时，前者能达到的最大功率较后者大，最大可提高37.3%；随着转速增加，两者趋于相等。在整个转速范围内，前者的有效燃油消耗率均较后者低，且最大可降低 6.4%的油耗率。采用可变截面涡轮增压不仅能提高动力性，还能提高燃油经济性。

4 结 语

通过对游艇的OED483Q柴油机进行建模及试验研究，得到以下结论：

1 ) 对整机模型各参数进行校核，试验值与仿真值最大误差≤5%，满足要求。

2 ) 对该游艇的发动机进行推进特性试验，与采用普通废气涡轮增压相比，在低负荷下采用可变截面涡轮的增压效果显著，增压压力最大可提高15.3%，从而保证在低负荷下进气充足、燃烧充分，提高发动机的经济性，且最大可降低5.7%的燃油消耗率。

3) 对该游艇的发动机进行推进特性试验，与普通废气涡轮增压相比，采用可变截面涡轮增压对应的增压速率随负荷的增大而减缓，最终趋于不变；采用普通废气涡轮增压的增压压力随负荷的增加而不断增大，使涡前排气温度也不断增加；相比前者，后者温度最大提高12.1%。因此，该发动机采用可变截面涡轮增压能有效降低热负荷，提高使用寿命。

4 ) 对比该发动机外特性试验，采用可变截面涡轮增压能有效提高低转速功率，降低燃油消耗。

[1] WATSON N.Turbocharging the internal combustion engine[M].London: The Macmillan Press LTD, 1982.

[2] HIERETH H, PRENNINGER P.Charging the internal combustion engine[M].Wien: Springer-Verlag, 2003.

[3] 张哲，邓康耀.相继涡轮增压柴油机推进特性的稳态及瞬态试验研究[J].内燃机工程，2011, 32 (6): 68-73.

[4] 郭林福，马朝臣，施新，等.VGT对柴油机经济性和动力性影响的试验研究[J].内燃机学报，2004, 22 (2): 116-121.

[5] 杨学易，何超.基于GT-Power的6缸涡轮增压柴油机仿真与模拟[J].江苏农业科学，2015, 43 (7): 431-434.

Analysis on the Engine Propulsion Characteristics of Yacht Based on VGT Technology

GUAN De-liang1，XIA Qing-liang1，GAO Zhan-bin1,2

(1.Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2.Harbin Engineering University, College of Power and Energy Engineering, Harbin 150001, China)

A complete model of OED483Q variable geometry turbo-charge diesel engine is established with GT-Power simulation software based on the relative engine parameters.The main parameters are validated and calibrated in the model experiment.On this basis, the propulsion characteristics of the OED483Q diesel engine are studied and analyzed along with the experiments, and the effects of Variable Geometry Turbo-charge (VGT) and ordinary waste gas turbo-charge on the diesel engine are compared.The result shows that variable geometry turbo-charge can effectively increase the pressure under low loadings to reduce effective fuel consumption rate and to increase economic benefit.Moreover, it can avoid the overheating of the exhaust gas from the turbo-charge due to the excessive pressure, and thus to guarantee the operation life of engine.

GT-Power; type OED483Q diesel engine; VGT; propulsion characteristics; experiment

U664.121；U674.91

A

2095-4069 (2017) 04-0037-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.008

2016-08-26

福建省自然科学基金（2015J01218）；福建省科技厅资助省属高校专项基金（JK2014025）；福建省科技重大平台资助项目（2014H2001）；厦门南方海洋研究中心项目资助（14GZB66NF30）

官德亮，男，硕士，1991年生。研究方向为内燃机性能与增压，现为集美大学船舶与海洋工程专业在读研究生。

高占斌，男，博士，副教授，硕士生导师，1971年生。主要从事内燃机性能、排放和增压研究。