VNT可變渦輪增壓器與柴油機(jī)的匹配研究

倪計(jì)民 劉 思 陳 泓 石秀勇 高旭南

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院 上海 201804)

引言

為了改善增壓柴油機(jī)的性能，可變幾何渦輪增壓技術(shù)逐漸受到了重視。國外對VNT(Variable Nozzle Turbocharging，VNT)可變渦輪增壓技術(shù)的研究進(jìn)行得較早，研究結(jié)果顯示出了其在減小增壓器遲滯、提高低速增壓壓力和轉(zhuǎn)矩方面的能力［1～4］。近年來對增壓系統(tǒng)的研究主要集中在壓氣機(jī)葉輪幾何參數(shù)優(yōu)化及流場分析、增壓系統(tǒng)匹配控制以及可變幾何渦輪性能匹配等方面［5～7］，而在外特性工況和 ESC工況下對VNT開度進(jìn)行優(yōu)化選擇的文獻(xiàn)相對較少。因此，本文將一款帶放氣閥渦輪增壓(Waste Gate，WG)的柴油機(jī)改為匹配一款VNT廢氣渦輪增壓器，對增壓柴油機(jī)外特性工況和ESC工況進(jìn)行仿真計(jì)算研究，分別以經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性為評(píng)估指標(biāo)，對VNT開度進(jìn)行優(yōu)化匹配。

1 柴油機(jī)建模與標(biāo)定

1．1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

本文的研究對象是一款直列、四缸、高壓共軌、帶放氣閥渦輪增壓中冷柴油機(jī)(WG柴油機(jī)原機(jī))，其基本結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如表1所示。

1．2 WG柴油機(jī)原機(jī)建模與標(biāo)定

1．2．1 柴油機(jī)GT－Power一維模型的建立

根據(jù)柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用GT－Power軟件建立柴油機(jī)一維仿真模型，如圖1所示。

表1 WG柴油機(jī)原機(jī)基本參數(shù)

圖1 WG柴油機(jī)原機(jī)GT－Power一維仿真模型

1．2．2 柴油機(jī)GT－Power一維模型的標(biāo)定

以比油耗、功率、扭矩、充氣系數(shù)、排氣背壓和進(jìn)氣歧管壓力為標(biāo)定參數(shù)，對WG柴油機(jī)原機(jī)GT－Power模型進(jìn)行標(biāo)定。柴油機(jī)GT－Power模型的標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，外特性仿真模擬計(jì)算得到性能指標(biāo)曲線和試驗(yàn)曲線比較吻合，誤差均在5%以內(nèi)。

1．2．3 VNT柴油機(jī) GT－Power一維建模

對WG增壓柴油機(jī)原機(jī)計(jì)算模型進(jìn)行修改，將WG帶放氣閥渦輪機(jī)模塊改為VNT可變渦輪機(jī)模塊。圖3為所建立的VNT與柴油機(jī)的匹配計(jì)算模型，輸入VNT壓氣機(jī)和渦輪機(jī)MAP圖、不同VNT開度的渦輪機(jī)MAP圖，并在GT－Power計(jì)算CASE中將VNT開度設(shè)置成指針變量［VNT］，以此模型來對不同VNT開度下的柴油機(jī)外特性和ESC運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算［8，9］。

圖2 柴油機(jī)外特性性能指標(biāo)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

2 VNT柴油機(jī)外特性工況仿真計(jì)算

分別計(jì)算VNT柴油機(jī)外特性工況下的轉(zhuǎn)矩、空燃比以及比油耗的變化，對比分析VNT渦輪增壓器對柴油機(jī)動(dòng)力性的影響。

2．1 VNT柴油機(jī)外特性扭矩計(jì)算

應(yīng)用GT－Power軟件中的Optimizer模塊，以VNT渦輪機(jī)的開度為指針變量，規(guī)定VNT最小開度為0，最大開度為100%，計(jì)算過程中指針變量的計(jì)算步長為1%，并以外特性工況轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化得出柴油機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩和VNT開度圖，如圖4所示。圖5為VNT柴油機(jī)與原機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩對比，在外特性工況下柴油機(jī)的供油量不變。

從圖4和圖5可以看出，VNT柴油機(jī)以外特性工況運(yùn)行時(shí)，VNT渦輪機(jī)的開度隨著功率的升高而變大;相比于WG柴油機(jī)原機(jī)，VNT柴油機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩均有較大幅度提高，且最大轉(zhuǎn)矩工況的運(yùn)行范圍拓寬，說明匹配VNT(某款量產(chǎn)產(chǎn)品)后能夠提升該款柴油機(jī)的動(dòng)力性能。

圖3 VNT柴油機(jī)GT－Power一維仿真模型

2．2 VNT柴油機(jī)的空氣流量和比油耗的變化

圖4 VNT柴油機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩和對應(yīng)VNT開度

圖5 VNT柴油機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩和原機(jī)對比

VNT增壓系統(tǒng)提高了柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力，導(dǎo)致柴油機(jī)的進(jìn)氣量增壓，在供油量一定的前提下，VNT柴油機(jī)空燃比增大，可以改善柴油機(jī)的燃燒過程，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。圖6為VNT增壓柴油機(jī)與原機(jī)在外特性工況下的空氣流量對比圖，可以看出VNT柴油機(jī)空氣流量明顯高于柴油機(jī)原機(jī)。分析認(rèn)為，VNT柴油機(jī)在不同外特性工況下使用合理的VNT開度，提高了增壓壓力，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，空燃比的提高使柴油機(jī)的燃燒更加充分，燃燒過程獲得改善，最終導(dǎo)致柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性提高，有效燃油消耗率呈現(xiàn)出了圖7的變化趨勢。

圖6 VNT柴油機(jī)與原機(jī)在外特性工況下空氣流量對比

2．3 VNT增壓器與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行曲線

WG渦輪增壓器通過壓氣機(jī)出口壓力來控制渦輪進(jìn)氣口處廢氣閥門的開啟，在柴油機(jī)高速高負(fù)荷時(shí)，廢氣閥門打開放掉部分廢氣，從而防止增壓器超速，以降低進(jìn)氣歧管壓力。VNT渦輪增壓器是在渦輪進(jìn)氣側(cè)安裝可移動(dòng)導(dǎo)片，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況實(shí)時(shí)調(diào)整葉片角度，從而改善渦輪增壓柴油機(jī)低速響應(yīng)性和加速性能，使增壓柴油機(jī)獲得良好的綜合性能。

圖7 VNT柴油機(jī)與WG柴油機(jī)原機(jī)在外特性工況下的有效燃油消耗率對比

VNT渦輪增壓系統(tǒng)提高了柴油機(jī)外特性工況點(diǎn)的增壓壓力和增壓進(jìn)氣量，這有利于柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的改善和動(dòng)力性能的提高。圖8和圖9分別給出了WG渦輪增壓器(某量產(chǎn)產(chǎn)品)、VNT渦輪增壓器(某量產(chǎn)產(chǎn)品)與柴油機(jī)在外特性工況點(diǎn)的聯(lián)合運(yùn)行曲線。

圖8 WG渦輪增壓器與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行曲線

圖9 VNT渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行曲線

從圖8和圖9可以看出，WG柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，增壓器轉(zhuǎn)速較低，效率較差，而VNT柴油機(jī)外特性工況點(diǎn)的增壓壓比與增壓進(jìn)氣量曲線均通過了壓氣機(jī)的高效率區(qū)域，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速提高，聯(lián)合運(yùn)行曲線的高效率范圍寬廣，且外特性低工況點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線，這表明VNT渦輪增壓系統(tǒng)與柴油機(jī)匹配性能良好。

3 VNT柴油機(jī)ESC工況仿真計(jì)算

根據(jù)所確定的ESC工況，對VNT柴油機(jī)的VNT開度進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并計(jì)算ESC工況下的有效燃油消耗率加權(quán)值，分析VNT渦輪增壓器對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響。

3．1 VNT柴油機(jī)ESC計(jì)算工況的確定

根據(jù)柴油機(jī)ESC工況的計(jì)算方法，結(jié)合VNT增壓柴油機(jī)的外特性工況轉(zhuǎn)矩，計(jì)算了該VNT增壓柴油機(jī)的ESC運(yùn)行工況，如表2所示。

表2 VNT渦輪增壓系統(tǒng)柴油機(jī)ESC工況

3．2 VNT柴油機(jī)ESC工況的VNT開度優(yōu)化計(jì)算

對于VNT柴油機(jī)的每個(gè)ESC運(yùn)行工況，均存在最優(yōu)的VNT開度，使柴油機(jī)在此工況下運(yùn)行時(shí)的有效燃油消耗率最低。采用GT－Power軟件中的Optimizer模塊，以柴油機(jī)ESC運(yùn)行工況點(diǎn)的比油耗為優(yōu)化目標(biāo)，得出柴油機(jī)最優(yōu)VNT開度和有效燃油消耗率仿真優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，對于VNT柴油機(jī)ESC運(yùn)行工況，在轉(zhuǎn)速不變的條件下，隨著負(fù)荷的降低，VNT開度逐漸增大。分析認(rèn)為，在相同轉(zhuǎn)速下，隨著柴油機(jī)負(fù)荷的降低，空燃比變大，空氣量相對充分，此時(shí)VNT開度增大，可以實(shí)現(xiàn)在不明顯影響燃燒過程的情況下，達(dá)到降低泵氣損失的目的。因此，VNT開度隨負(fù)荷降低而增大，能夠降低柴油機(jī)的有效燃油消耗率。

圖11為VNT柴油機(jī)和WG柴油機(jī)原機(jī)ESC工況空燃比的對比，表明VNT柴油機(jī)在所有ESC運(yùn)行工況范圍內(nèi)的空燃比大于WG柴油機(jī)原機(jī)，有利于柴油機(jī)熱效率的提高。

3．3 VNT柴油機(jī)ESC工況的加權(quán)油耗

圖10 VNT柴油機(jī)ESC運(yùn)行工況最優(yōu)VNT開度和有效燃油消耗率

根據(jù)圖10的仿真計(jì)算結(jié)果，結(jié)合怠速油耗值，計(jì)算了VNT柴油ESC工況下的有效燃油消耗率加權(quán)值，與WG柴油機(jī)對比值如表3所示。

表3 VNT和WG柴油機(jī)ESC工況比油耗加權(quán)計(jì)算值

圖11 VNT柴油機(jī)和WG柴油機(jī)原機(jī)ESC運(yùn)行工況空燃比

續(xù)表

從表3可以看出，VNT渦輪增壓系統(tǒng)改善了柴油機(jī)的進(jìn)氣和燃燒過程，提升了柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

本文研究了VNT與柴油機(jī)的匹配特性，對VNT柴油機(jī)外特性工況和ESC工況下的VNT開度進(jìn)行了優(yōu)化仿真計(jì)算研究，所得結(jié)論如下:

1)配置VNT的柴油機(jī)與WG柴油機(jī)原機(jī)相比，外特性轉(zhuǎn)矩均有較大幅度提高，說明采用合適的VNT可變渦輪增壓系統(tǒng)提升了柴油機(jī)的動(dòng)力性能。

2)渦輪增壓器壓氣機(jī)與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行曲線表明，VNT柴油機(jī)外特性工況點(diǎn)的進(jìn)氣量曲線通過了壓氣機(jī)的高效率范圍，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高，聯(lián)合運(yùn)行曲線的高效率范圍擴(kuò)展，說明此VNT渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配性能良好。

3)VNT柴油機(jī)在不同外特性工況下使用合理的VNT開度，其空氣流量和比油耗與WG柴油機(jī)對比表明，VNT渦輪增壓系統(tǒng)使柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性得到提高。

4)VNT柴油機(jī)ESC工況加權(quán)比油耗值與WG柴油機(jī)原機(jī)相比有所降低，下降幅度約為3．8%，表明VNT柴油機(jī)具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)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 項(xiàng)旭昇，殷勇，陳林，等．VNT在中型柴油機(jī)上應(yīng)用試驗(yàn)研究［J］．汽車科技，2011(1):78～82

5 李杜，楊策，王一棣，等．渦輪增壓器用離心壓氣機(jī)蝸殼流場計(jì)算研究［J］．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2010，28(3):253～259

6 張虹，馬朝臣．車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(1):22～26

7 張學(xué)文，申立中，畢玉華，等．2缸高壓共軌柴油機(jī)增壓器性能匹配與研究［J］．內(nèi)燃機(jī)工程，2012(1):11～17

8 孟長江，褚全紅，張春，等．可變噴嘴渦輪增壓器控制策略研究［J］．現(xiàn)代車用動(dòng)力，2008(3):72～75

9 郭林福．VGT電控增壓系統(tǒng)的開發(fā)及其與柴油機(jī)優(yōu)化匹配研究［D］．北京:北京理工大學(xué)，2003