不同海拔下VGT 对高压共轨柴油机性能影响的 数值模拟＊

刘海军

（鄂尔多斯应用技术学院 机械交通系，内蒙古 鄂尔多斯 017010）

概述

高原大气特点与平原有着显著的差异，高原地区大气压力和大气含氧量都大幅较低。研究表明：随着海拔高度的增加，大气压力及含氧量降低将会导致柴油机燃烧品质变差，动力性下降、油耗迅速恶化，热负荷增加、碳烟（Soot）快速升高等严重问题[1-3]。相比传统两级增压系统，配有可变几何截面涡轮（VGT）的两级增压系统具有高增压比、流量范围大的特点，同时合理的匹配能保证各级压气机和涡轮均运行在高定熵效率区，对废气能量利用更加合理，能有效提升低速时的空燃比、瞬态响应特性。

相对而言，西方国家高原少，海拔低，研究主要集中在海拔2km 以下提升柴油机动力性、经济性、排放特性及增压压力控制[4-5]。基于我国高原环境特征， 北京理工大学刘系嵩等针对某 6 缸柴油机进行了不同海拔下单级增压和二级增压的仿真计算，采用二级增压可以使柴油机在海拔 5.5 km 时最大转矩和标定点功率相对单级增压时分别提高15.5%和 27.2%，并且低速转矩性能得到提高，两级压气机均工作在高效率区且不会超速[6]。军事交通学院董素荣、刘瑞林等[7]，基于 VGT 的可调二级增压柴油机高海拔燃烧与性能模拟试验系统， 研究了不同海拔条件下二级增压器与柴油机的匹配特性、柴油机燃烧特性和动力经济性能随可调二级增压系统调节参数（VGT 叶片开度）的变化规律。昆明理工大学陈贵升、狄磊、陈春林等研究了高海拔环境下，不同可变两级增压系统对柴油机废气再循环的引入能力及其对柴油机性能及排放的影响规律[8-10]。

本文以高压共轨柴油机为研究机型，借助数值模拟手段从增压系统优化角度出发，研究变海拔工况下VGT 叶片开度对进气特性、燃烧特性的影响规律，从而得出对动力性能金额经济性能的影响结果，这对实现节能减排和满足新法规排放法规具有重要的现实意义。

1 发动机模型的建立与验证

1.1 原机参数

本文基于高压共轨柴油机为研究机型，先对该机进行了两级增压系统（简称TST）的匹配进行试验研究，重新匹配了流量较小的高压级可变截面涡轮增压器和流量较小的低压级涡轮增压器。其中增压器压气机与涡轮机MAP 数据是由某增压器厂家提供。可变两级增压系统通过设置“Rack Position”的大小（0～1）来控制叶片开度。柴油机主要技术参数见表1 所示。

表1 发动机相关参数

1.2 一维热力学模型的构建与验证

采用GT-power 构建了两级增压系统的一维热力学仿真模型，如图1 所示。

图1 两级增压柴油机的GT-Power 仿真模型

图2 是0km 海拔环境下，外特性工况的两级增压柴油机的模型验证，由图可知，计算误差均保持在7%以内，所构建的一维仿真模型符合模型计算的精度要求[10]。

图2 一维热力学仿真模型扭矩与功率验证

2 仿真与结果分析

针对一维模型，研究柴油机 ESC 测试循环中转速1330r/min，75%负荷（简称A75 工况）及转速1990r/min，75%负荷（简称C75 工况），EGR 率为零工况下的可变两级增压系统高压级涡轮（VGT）叶片开度及海拔对柴油机工作过程的影响。

2.1 VGT 叶片开度对进气特性的影响

图3 为VGT 叶片开度及海拔对进气特性的影响。

由图3 中的（a）和（b）可知，柴油机在低转速和高转速工况下不同海拔的空燃比随着VGT 叶片开度的增大出现空燃比降低的情况，而且容易对比得出在低速时随着叶片开度增大变化的空燃比降低更为迅速，高速时变化较为平缓。这是因为柴油机在低速时排气能量较低，折合流量及压比均较低，增压系统做功能力相对高速差，从而导致进气流量低，空燃比降低。而在高转速下，排气能量较高，柴油机联合运行线靠近增压系统高效区，折合流量及压比均较高，增压系统做功能力较强，从而使得进气流量较高。相对于高速工况而言，低速工况下柴油机进气特性对叶片开度的变化更敏感，空燃比降低的幅度更为显著。

图3 不同工况不同海拔下叶片开度对进气特性的影响

当VGT 叶片开度一定，高低转速下都出现随着海拔的增加致使空燃比降低的情况，而且相对的高速工况下的变化更大，对海拔变化更敏感，但是数值上却大于低速工况。这是因为随着海拔的增加，大气压力降低，空气密度降低，导致增压器在高海拔工作时工作效率下降，进气特性较差，从而空燃比降低。另一方面，相对低速情况，高速时排气能量较大，能够保持高速时较高空燃比。

由（c）和（d）可知，柴油机无论是低速还是高速下，随着VGT 叶片开度增大泵气损失都相应减小，叶片开度增大到后期泵气损失减小平缓。同一叶片开度下，泵气损失随着海拔的升高而减小，而且高速工况降低更快。因为随着转速升高，排气能量逐渐增大，涡前压力也逐渐增大，随着叶片开度增加，涡前压力会迅速下降，导致进排气压差增加，从而泵气损失快速降低。当叶片增大到一定值后，涡前压力与进气压力降低的幅度大致相当，从而使得泵气损失压力的变化不大。

2.2 VGT 叶片开度的变化对缸内压力参数的影响

图4 不同海拔下最高燃烧压力随VGT 叶片开度变化

图4 为不同海拔下最高燃烧压力随VGT 叶片开度变化。图5 为4000km 海拔下不同转速所对应的缸压曲线。

由图4 和图5 可以看到，无论是低转速还是高转速下，不同海拔下的最大燃烧压力随着叶片开度增大而线性减小，同样叶片开度下，随着海拔的上升而减小。低转速和高转速下海拔每升高1km，最大燃烧压力分别平均降低5%左右和7%左右。4000km 海拔下不同转速的缸压曲线也同样表明随着叶片开度增大缸压都相应递减。这都是由于海拔升高发动机进气流量和进气压力降低，叶片开度增大，增压器做功能力减弱，从而导致缸内峰值压力降低。

2.3 VGT 叶片开度的变化对柴油机动力性与经济性的影响

图6 不同海拔下叶片开度变化对动力性能的影响

在低转速工况下，柴油机的有效转矩和有效功率随着叶片开度增加出现先增大后逐渐减小的趋势。低转速下有效转矩能够在叶片开度很小的范围内就能达到峰值，并且持续较宽的范围。这是由于叶片开度逐渐增大，排气背压减小导致泵气损失压力降低，保证燃烧充分，使得扭矩和功率升高。当叶片开度过大时进气流量逐渐降低已不能保证充分燃烧，从而有效转矩和有效功率都出现下降趋势。

还可以看出在低转速工况下，当叶片开度低于30%时，不同海拔下的有效转矩和有效功率差距不明显，但当叶片开度增至较大时，柴油机扭矩及功率差异明显，随着海拔升高而逐渐降低。这是因为不同海拔的低转速时，叶片小开度增压系统仍能保持在较高效率工作，保证了缸内的充分燃烧。当叶片开度大于30%时，进气流量降低，而且随着海拔升高，进气流量进一步降低，燃烧变差，动力性能降低。

高转速工况下有效转矩随着叶片开度增大而增加，后逐渐趋于平缓。一方面是因为当海拔一定时，高速工况下，由于排气能量较高，增压效果突出，虽然叶片开度增大导致进气流量降低，但突出的增压效果仍能保证高效率燃烧；另一方面，叶片开度增大显著降低了涡前压力，泵气损失压力。

高转速工况下当叶片开度大于40%之后，随叶片开度增大，有效转矩和功率受海拔影响关系不大，都能充分的燃烧，有效转矩和有效功率都较大且保持较宽范围。由此可见，相对低转速大负荷，高转速大负荷工况叶片在叶片大范围开度内有效转矩和有效功率都保持较高，说明对海拔环境的适应性更好。

图7 不同海拔下叶片开度变化对经济性能的影响

由图7（a-b）可知，低速工况下，当海拔一定时，柴油机有效燃油消耗率（BSFC）随叶片开度的增大先减小后逐渐升高，这与前面讨论的叶片开度对有效转矩的影响趋势相反。而且，叶片开度在较小范围内即低于30%内变化时，BSFC随海拔升高无明显变化。当叶片开度高于30%后再逐渐增大，BSFC 在不同海拔体现出的差异较为明显。叶片度逐渐增大，排气背压减小导致泵气损失压力降低，保证燃烧充分，BSFC降低，此时叶片开度对应的进气量也能满足各个海拔所需，海拔变化下燃油消耗也无明显变化。如果叶片开度继续增大，进气流量会逐渐降低，海拔越高进气流量越显不足，不能保证充分燃烧，燃油消耗增加。

与低速工况对比明显的是在高速工况下，BSFC 随叶片开度的增大而逐渐减小。高转速工况下由于转速升高，随着叶片开度增大，排气能量增高增压效果突出，进气流量大增，燃烧效率进一步提高，燃油消耗逐渐降低。

3 结论

（1）无论在低转速还是在高转速下，同海拔的空燃比随着VGT 叶片开度的增大出现空燃比降低的情况，而且低速时空燃比降低的更为迅速。当VGT 叶片开度一定，随着海拔的增加空燃比降低，高速工况下海拔越高变化越敏感。

（2）无论是低转速还是高转速下，不同海拔下的最大燃烧压力随着叶片开度增大而线性减小，同样叶片开度下，随着海拔的上升而减小。

（3）在低转速工况下，柴油机的有效转矩和有效功率随着VGT 叶片开度增加出现先增大后逐渐减小的趋势。当叶片开度大于30%时，随着叶片开度增加，动力性能逐渐降低。高转速工况下当叶片开度大于40%之后，叶片开度增大对有效转矩和有效功率的影响受海拔变化的影响不大。

（4）低速工况下，当海拔一定时，柴油机BSFC 随叶片 开度的增大先减小后逐渐升高。高速工况下，BSFC 随叶片开度的增大而逐渐减小。