满足国Ⅵ排放法规的重型车用柴油机非对称增压器开发

王磊 翁志勇 田洪明

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

满足国Ⅵ排放法规的重型车用柴油机非对称增压器开发

王磊 翁志勇 田洪明

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

首先介绍实现国Ⅵ排放法规的技术路线，其次介绍非对称增压器的模型建立，最后详细论述增压器的选型开发。通过试验结果可知，非对称增压器方案相比VGT方案能够实现目标空燃比和EGR率，并且泵气损失最小。通过对比试验结果和模拟结果，识别出非对称增压器模拟技术的难点。

1 前言

自1960年代以来，重型柴油机就采用涡轮增压技术以提升发动机动力性和燃油经济性。2013年戴姆勒公司推出满足欧Ⅵ排放法规的重型柴油机，利用非对称增压技术驱动EGR。该技术相比可变增压技术不仅能满足欧Ⅵ排放法规，而且可以提升发动机的燃油经济性和可靠性[1]。

2017年1月1日起全国实行国家第五阶段机动车污染物排放标准。2016年10月环保部发布国Ⅵ排放法规征求意见稿，预计2020年1月1日起实行国Ⅵ排放法规。为了满足国家排放法规的升级，本文通过对不同增压器方案进行模拟及试验，分析各增压器方案与发动机的匹配结果，识别方案的性能优劣，为增压器选型提供依据。同时为了降低开发成本，对非对称增压器的模拟技术进行评估，分析模拟方法的精度问题，并提出改进意见。

2 技术路线

所选研究样机是某13 L国Ⅴ柴油机最新一代重型柴油机平台，该机型采用高爆发压力的发动机结构及轻量化设计、低微粒分布式燃烧系统、共轨喷油系统电子控制单元和气驱尿素喷射系统等8项创新技术，其参数见表1。

表1 发动机结构及相关性能参数

为了实现国Ⅵ排放法规，排放控制策略由燃烧方案配置、发动机标定策略和后处理这3个因素决定。根据国内的油品、排放法规、市场以及用户习惯等情况，将两种不同的实现国Ⅵ排放法规的技术路线列于表2。综合考虑发动机及后处理的性能、特点，现阶段重型柴油机平台采用SCR+低EGR率方案比较合适。由于SCR中需要添加NH3，为了防止NH3逃逸，在SCR后还需要安装NH3逃逸回收装置。

表2 排放控制技术对比

为满足国Ⅵ排放法规，发动机不仅需要消耗燃油，还需要消耗尿素，所以发动机开发过程需要考虑发动机的综合成本。图1为考虑不同技术方案下发动机的综合消耗对比，其中综合油耗按照柴油与尿素价格1∶0.5计。针对该重型柴油机平台，发动机原机NOx排放控制在5～7 g/（kW·h）是发动机综合成本最低的技术目标。相比国Ⅴ燃烧系统，NOx排放降低30%，需要实现10%～15%的EGR率。

图1 不同技术方案下发动机的综合消耗对比

为了引入10%～15%EGR需要建立排进气压差，可采用的技术方案包括可变增压器（VGT）方案和非对称增压器（AWT）方案。VGT已经在国内外欧Ⅵ发动机普遍采用，具有可调范围广、适应性能好的优点，但也有成本高、运动部件多等劣势。AWT被大量应用在戴姆勒奔驰重型柴油机平台，其具有成本低、技术可靠，而且能够产生驱动EGR的压差，但是对发动机与增压器的匹配技术要求较高。AWT技术原理如图2所示。可知，增压器涡轮为双通道，两个通道分别与1～3缸和4～6缸相连。其中与1～3缸相连的通道截面较小，能够在涡前产生较大压力以驱动EGR。EGR取气全部来自1～3缸的排气，剩余的排气用于驱动涡轮。与4～6缸相连的通道截面较大，主要用于推动涡轮做功，用于驱动压气机压缩进气[1]。

图2 非对称增压器原理[1]

在性能设计阶段，匹配国Ⅵ发动机的增压器方案有非对称增压器大、小流量两个方案和VGT方案。小流量方案主要目的是适当提高低速空燃比，但存在增压器超速风险；大流量方案超速风险较小，但是低速空燃比不满足要求；VGT方案在全部工况下具有可变性，其适应性能较好。

3 模拟计算

利用模拟计算技术可以在发动机开发前对增压器方案进行预评估，可大幅节省发动机的开发周期。预评估通常采用一维热力学计算软件（如GT-Suite）对各增压器方案进行评估，评估内容包括是否满足空燃比和EGR率要求，同时保证增压器具有足够的喘振裕度和较小的超速风险。

由于EGR引入及排气的波动特性，同一时刻非对称增压器两个通道之间的流量差异较大，而两个通道之间流量比变化对增压器性能影响较大[2]。因此，对模拟计算技术和增压器测试都有更高要求。对模拟技术的要求是计算模型能考虑非对称增压器的技术特点，即能考虑同一循环下不同时刻两个通道之间的流量变化过程，如何确定涡轮膨胀比和效率。对增压器测试要求是能够测量两个通道在不同流量比下增压器的MAP。

针对模拟技术，建立3个涡轮的增压器模型，分别模拟小通道、大通道及两个通道之间的窜气过程，如图3所示[2]。针对增压器测试要求，增压器测试至少需要3次，分别测量堵住大小流道测量涡轮MAP和大小流道同时流动测量涡轮MAP。如果条件允许，可以测试两个流道在不同流量比下的涡轮MAP。需要注意在大小流道同时流动时，需要分别确定各个通道的MAP。计算过程中，模型实时根据涡轮两个通道不同的流量比，通过插值的方式确定实时的涡轮MAP。

图3 非对称增压器模型

VGT方案的模拟，由于涡轮入口为单通道，模拟的复杂性也不如非对称增压器方案。针对VGT增压器模拟，其技术已经非常成熟。

评价或者选择增压器方案的准则为在实现目标空燃比和EGR率的前提下，尽量降低发动机的泵气损失；如果不能保证空燃比和EGR率，则要求保持原机NOx排放一致的前提下，尽量保证发动机空燃比与目标一致。

针对这3个增压器方案进行模拟计算，结果如图4所示。可知，3个方案的空燃比和EGR率均能满足目标要求。另外，3个增压器方案也不存在超速和喘振风险，所以该3个方案从计算结果上是满足要求的。为了验证方案的可行性，将对该3个方案进行试验验证。

4 试验测试及结果分析

试验在标准试验台架上进行，保证试验的边界条件和环境一致（见表3），并按上文评价准则对各方案进行对比分析。

图5为不同增压器方案下发动机的空燃比和EGR率试验值。可知，非对称大流量方案可以很好满足空燃比和EGR率的要求；VGT方案和非对称小流量方案空燃比和EGR率都不能满足目标。VGT方案在发动机低速区域由于效率太高，为了保证发动机EGR率只能将VGT开度设得很小，造成空燃比高于目标；在发动机高速区域由于受增压器转速限制，只能将VGT开度设得很大，又导致空燃比低于目标。非对称小流量方案在发动机低速区域由于效率太高以及涡轮流量小的原因，造成空燃比高于目标，EGR率低于目标；在发动机额定点由于涡轮流量小导致涡前压力高，为此只能增加EGR率以降低发动机空燃比。由于非对称小流量方案可控因素较少，空燃比、EGR率以及原机NOx排放均没有满足要求。

表3 发动机试验环境和边界条件

图5 不同增压器方案下发动机的空燃比和EGR率试验值

图6为不同增压器方案下发动机泵气损失结果，用换气阶段平均有效压力（PMEP）表示，其值越大则泵气损失越小。发动机中低速区域，非对称增压器方案泵气损失明显低于VGT方案，主要原因是非对称增压器方案只有1～3缸用于驱动EGR，即1～3缸排气压力大于进气压力，而4～6缸则相反。而VGT方案为了驱动EGR，所有气缸的排气压力均应大于进气压力。发动机高速区域，由于非对称增压器小通道和大通道涡前压力均很高，驱动15%EGR率有很大富余；而VGT方案，具有可变特性，能够尽量降低涡前压力以降低驱动EGR的富余。所以，发动机高速区域VGT方案具有更小的泵气损失。由于整车常用区域为中低转速，最终的开发结果选择非对称增压器作为国Ⅵ发动机的增压器方案。

图6 不同增压器方案下发动机泵气损失

利用测试数据对非对称增压器模型校正，为了满足使发动机进气压力温度与试验结果吻合，对涡轮MAP进行适当缩放，缩放系数如图7所示。根据经验，缩放系数在0.95～1.05的范围比较合理，说明此处的缩放不合理。校正显示发动机功率、比油耗、缸压曲线、进气压力温度、空燃比、发动机能量分布均与试验结果吻合，但是非对称增压器涡前压力模拟结果与试验结果差别较大，如图8所示。外特性工况下，校正模型计算发动机涡前压力与试验涡前压力最多相差40 kPa。图7和图8说明在非对称增压器涡轮的模拟精度方面存在问题，包括涡轮膨胀比及效率计算方面都存在问题。

由于EGR的引入及排气的波动特性，同一时刻非对称增压器两个通道之间的流量差异较大。图9为一个循环下小通道流量占涡轮总流量比。低转速下两个通道之间的流量差别变动非常大，而高转速下该差别变动很小，即随着转速增加，两个通道之间的流量波动逐渐变小。现阶段增压器供应商提供的涡轮MAP数据较少（3张MAP），利用插值方法获得的涡轮MAP数据精度不高，导致模拟误差。显然增压器涡轮MAP数据是不够的，为了使模拟精度更高，希望获得更多的两个通道之间流量比不同的涡轮MAP。

图7 缩放系数

图8 发动机涡前压力对比

图9 一个循环下涡轮小通道流量占涡轮总流量比例

5 结束语

根据非对称增压器的技术特点，利用模拟计算和试验手段分析不同增压器方案与满足国Ⅵ排放法规的发动机匹配情况。试验结果表明，非对称增压器方案可以满足空燃比和EGR率的要求，满足发动机性能开发需求；发动机中低速区域非对称增压器方案泵气损失明显低于VGT方案，而发动机高速区域则相反；非对称增压器模型模拟存在精度问题。

1 ELIAS CHEBLI,MARKUS MÜLLER.DEVELOPMENT OF AN EXHAUST-GAS TURBOCHARGER FOR HD DAIMLER CV ENGINES.MTZ,2013,70：24～29.

2 Tolga Uhlmann,Dominik Lückmann,Richard Aymanns,et al.Development and Matching of Double Entry Turbines for the Next Generation of Highly Boosted Gasoline Engines.Internationals Wiener Motorensymposium,Wiener,2013.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2017年8月1日。

Development of Asymmetrical Turbocharger for Heavy Duty Vehicle Diesel Engine Complying with China Emission Regulations

Wang Lei,Weng Zhiyong,Tian Hongming
（China FAW Corporation Limited Ramp;D Center,Changchun 130011）

The paper firstly introduces the technology roadmap to implement China Ⅵ emission regulations,then introduces the establishment of asymmetrical turbocharger and lastly discusses the model selection and development of turbocharger in details.The test results show that compared with VGT,the asymmetrical turbocharger can achieve the target air-fuel ratio and EGR rate,and minimize pump loss.In addition,by comparing the test results and simulation results,the difficulty of asymmetric turbocharger simulation technology is identified.

Heavy duty vehicle,Diesel engine,Asymmetrical Turbocharger,China Ⅵ Emission Regulation

重型车 柴油机 非对称增压器 国Ⅵ排放法规

U464.135 文献标识码：A 文章编号：1000-3703（2017）09-0044-04