基于国VI发动机配置的增压器选型试验研究

王元真 徐一凡 陈雄 姜江 张磊

摘  要：柴油机与涡轮增压器之间的匹配影响发动机性能。本文制定了一种国六发动机增压器选型试验方法，按照动力性、边界条件、排放、经济性依次进行判断筛选增压器，当增压器不能满足优先度较高要求时，不再对该增压器进行后续比较。通过试验，从参与选型的4台增压器中选择出了最适宜发动机的增压器，满足发动机性能需求;提高了增压器选型与匹配的选优试验效率。

关键词：柴油机;国VI;增压器;选型

中图分类号：U464        文献标识码：A        文章编号：1005-2550（2022）02-0043-04

Experimental Turbocharger Selection on China

VI Diesel Engine

WANG Yuan-zhen， XU Yi-fan， CHEN Xiong， JIANG Jiang， ZHANG Lei

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technology Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The matching between diesel engine and turbocharger affects engine performance. In this paper， a experiment method for the selection of turbochargers for the engine meeting China VI vehicle emission standards is developed， which is judged and selected according to power performance， boundary conditions， emissions， and economy. When the turbocharger cannot meet the higher priority requirements， it will no longer be used to make subsequent comparisons with this supercharger. Through the test， the most suitable turbocharger for the engine was selected from the 4 turbochargers that participated in the selection to meet the engine performance requirements; the efficiency of the selection and matching of the turbocharger was improved.

Key Words： Diesel Engine; China VI Vehicle Emission Standards; Turbocharger; Match

随着能源短缺以及环境恶化问题的日益严重，传统动力清扫车经济性差、排放性差、噪声高等缺点成为其发展的瓶颈，节能环保型清扫车的发展尤为重要[1-2] 。

1    引言

柴油机因为其出色的动力性和良好的燃油经济性，在物流运输、农业生产、工程机械以及军用动力等方面发挥了重要的作用[1]。发动机与涡轮增压器之间的匹配直接关系到发动机性能[2]，因此，针对不同工作状态需求的发动机，有必要进行增压器匹配工作，以满足其使用需求。

吴君华等人[3]基于柴油机试驗平台进行了可变喷嘴增压器的匹配试验研究。发现该增压器降低了排气烟度，提高了发动机外特性的低速转矩，扩大了低油耗区的转速范围，改善了整机的燃油经济性。

倪计民等人[4]应用GT-power建立了加装涡轮增压器之后的发动机模型，分别进行了平原、高原环境下的发动机的匹配计算和性能预测。

王金环[5]基于某潍柴发动机试验平台，从已知的发动机有害排放物生成机理出发，研究了增压器与发动机的匹配关系，根据发动机的运行线选择合适的增压器。

刘廷等人[6]运用GEM3D工具离散化的方法建立了发动机GT-power仿真模型，对增压发动机的点火提前角进行了优化，改善了燃油经济性。

上述学者对增压器选型与匹配提出了有效的试验与仿真方法，在动力性、排放、燃油经济性等因素中进行了单一或若干因素的等重要性研究。而在实际的生产和应用中，发动机的动力性是使用者的首要需求;其次，随着排放要求的日益提高，目前只有符合国VI标准的车辆才能投入市场使用[7];最后，在满足使用者动力需求和排放标准的前提下，还应对燃油经济性进行优化，提高增压器与柴油机匹配使用性能。

实际需求表明，增压器对于动力性、排放、燃油经济性等因素的要求难以同时达到最优状态，匹配过程中需进行权重平衡。例如在特殊路况下为了达到动力性指标，排放和燃油经济性可能根据实际情况略有损失。因此，在下文中的增压器选型研究中，将基于以上基本原则，首先对动力性进行判断，再对排放、经济性进行验证，依次进行试验及分析，在优先级较高的指标无法满足时，不再进行优先级较低的对比，减少不必要的试验和比较次数。为达成某柴油机性能开发要求，本次共有4台增压器样品参与选型，最终通过选型试验确认出该机型匹配的最优增压器。

2    发动机类型

本试验使用的发动机类型如表1所示。

3    试验流程

1. 在试验开始前，检查并确认发动机及主要零部件的状态正常，无异常及损坏;

2.针对所需进行试验的发动机，确认并记录刷写基础数据。

3.运行发动机，确认发动机原机状态是否正常。

4.确认发动机原机状态正常后，更换A增压器，更换前确认增压器样机状态，本试验转速范围2400r/min～800r/min，以100r/min为步长进行外特性试验;采用原机部分特征工况点进行性能排放测试;测试结束后，依次进行B、C、D增压器的选型试验。

4    试验结果

4.1   增压器动力性及边界验证

4.1.1 发动机外特性-扭矩

发动机匹配各型号增压器外特性-扭矩试验如图1所示，动力性是使用者的首要需求，因此，首先需要对各增压器进行扭矩标定。通过改变喷油量，将增压器匹配下的发动机输出扭矩调整至外特性动力指标需求扭矩[8]。从图中可以看出，在不触发冒烟油量限制的情况下，发动机匹配各增压器时，输出扭矩均能满足扭矩指标要求。

4.1.2 发动机外特性-爆压

发动机爆压影响其可靠性，其最大值存在一定的限制。该发动机匹配各型号增压器的外特性-爆压试验如图2所示，在所有试验条件下，各型号增压器爆压均小于当前机型的设计限制指标的210bar，因此均满足设计边界要求。同时由于在测试过程中使用的是同样的发动机基础控制数据，仅在外特性循环供油量的控制上存在差异，而主喷正时均相同，发动机爆压上的差距主要是来自于发动机的进气量差异，发动机匹配B增压器时，整体爆压较高，因此B增压器的增压能力较强。

4.1.3 发动机外特性-增压器转速

发动机匹配各型号增压器的外特性-增压器转速试验如图3所示，当发动机處于800r/min转速时，B增压器的转速高于其他增压器;当发动机处于900-2400r/min转速时，A增压器的转速高于其他增压器。考虑到车辆在高原工况下，最高增压器转速会高于平原工况下的最高增压器转速。因此在平原测试时，应留出10%的增压器转速余量以避免高原时增压器的超速风险，故在几台增压器的最高转速限值均为140krpm的情况下，排除A增压器。

4.1.4 发动机外特性-涡前温度

发动机匹配各型号增压器的外特性-涡前温度试验如图4所示，从图中可以看出，D增压器的涡前温度整体最高，并且在发动机转速为1700rpm时，涡前温度达到了702℃，高于其他增压器。对于试验用的发动机，其最高许用的涡前温度为760℃，考虑到山区和高原工况下的最高涡前温度会高于平原工况，因此在进行平原试验时应留有10%的温度余量，将最高涡前温度控制在700℃以下，故排除D增压器。同时B增压器的涡前温度整体最低，为运行过程中增压器留下了更多升温空间，也有利于排气歧管和周围附件的可靠性，故此项性能较优。

4.2   排放、经济性权衡试验结果

ESC循环的A75工况点是所有标准工况点中最能够代表发动机经济性和排放性的特征工况点。因此在此次选型试验中，仅选择该工况点进行排放、经济性权衡试验，以在简化试验的同时实现增压器选型目的。

在本次排放、经济性权衡试验中，分别选用两个轨压，三个EGR阀开度和4个主喷正时进行正交，得到共24个测试点进行测试。图5为160MPa轨压条件下的测试结果，可以看出，B增压器在轨压为160MPa的情况下，经济性和NOx排放上均优于C增压器。

图6为150MPa的油轨压力条件下的测试结果，从图中可以看出，B增压器经 济性和NOx排放上均优于C增压器，与160MPa的油轨压力条件下的表现一致。因此B增压器在A75点的经济性和排放性均优于C增压器，进而认定B增压器能够更好的匹配当前发动机。

5    结论

本文基于使用者动力需求和排放标准以及生产要求，制定了动力性、边界条件、排放、经济性的试验顺序依次筛选增压器，提高了增压器选型与匹配的试验和选优效率。通过比较四款不同增压器应用于发动机的性能，最终优选出B方案为该机型最优增压器。

参考文献：

[1]何旭，徐一凡，王路，徐雨轩，周扬，刘福水.柴油温度对燃烧火焰温度和碳烟生成的影响[J].内燃机学报，2021，39（02）：97-105.

[2]蒋德明.内燃机的涡轮增压[M]. 机械工业出版社， 1986.

[3]吴君华，黄震，王天灵.可变喷嘴增压器与增压柴油机的匹配试验研究[J].汽车工程，2005（01）：40-43.

[4]倪计民，李钊，张小矛，陈明.涡轮增压汽油机匹配计算及性能预测[J].汽车技术， 2012（10）：1-4.

[5]王金环. 国四柴油机EGR系统和增压器匹配研究[D].天津大学，2017.

[6]刘廷，韩志玉，黄勇成，武得钰.车用天然气发动机增压匹配及性能参数优化[J].车用发动机，2016（04）：75-81.

[7]GB 17691-2018，重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[8]黄硕. 东风某柴油机增压器选型与匹配试验研究[J]. 汽车工艺师，2015，000（008）：46-49.

王元真

毕业于武汉理工大学能源动力工程学院，硕士学位，现就职于东风商用车有限公司技术中心，任责任工程师，主要研究发动机性能标定优化和台架试验方法，已发表论文《船舶柴油机主动隔震监控系统设计》。

专家推荐语

蔡文新

东风汽车集团有限公司技术中心

动力总成专业总工程师  研究员级高级工程师

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