不同海拔下VGT 對(duì)高壓共軌柴油機(jī)性能影響的 數(shù)值模擬＊

劉海軍

（鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)械交通系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010）

概述

高原大氣特點(diǎn)與平原有著顯著的差異，高原地區(qū)大氣壓力和大氣含氧量都大幅較低。研究表明：隨著海拔高度的增加，大氣壓力及含氧量降低將會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒品質(zhì)變差，動(dòng)力性下降、油耗迅速惡化，熱負(fù)荷增加、碳煙（Soot）快速升高等嚴(yán)重問(wèn)題[1-3]。相比傳統(tǒng)兩級(jí)增壓系統(tǒng)，配有可變幾何截面渦輪（VGT）的兩級(jí)增壓系統(tǒng)具有高增壓比、流量范圍大的特點(diǎn)，同時(shí)合理的匹配能保證各級(jí)壓氣機(jī)和渦輪均運(yùn)行在高定熵效率區(qū)，對(duì)廢氣能量利用更加合理，能有效提升低速時(shí)的空燃比、瞬態(tài)響應(yīng)特性。

相對(duì)而言，西方國(guó)家高原少，海拔低，研究主要集中在海拔2km 以下提升柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性及增壓壓力控制[4-5]?；谖覈?guó)高原環(huán)境特征， 北京理工大學(xué)劉系嵩等針對(duì)某 6 缸柴油機(jī)進(jìn)行了不同海拔下單級(jí)增壓和二級(jí)增壓的仿真計(jì)算，采用二級(jí)增壓可以使柴油機(jī)在海拔 5.5 km 時(shí)最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定點(diǎn)功率相對(duì)單級(jí)增壓時(shí)分別提高15.5%和 27.2%，并且低速轉(zhuǎn)矩性能得到提高，兩級(jí)壓氣機(jī)均工作在高效率區(qū)且不會(huì)超速[6]。軍事交通學(xué)院董素榮、劉瑞林等[7]，基于 VGT 的可調(diào)二級(jí)增壓柴油機(jī)高海拔燃燒與性能模擬試驗(yàn)系統(tǒng)， 研究了不同海拔條件下二級(jí)增壓器與柴油機(jī)的匹配特性、柴油機(jī)燃燒特性和動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能隨可調(diào)二級(jí)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)（VGT 葉片開(kāi)度）的變化規(guī)律。昆明理工大學(xué)陳貴升、狄磊、陳春林等研究了高海拔環(huán)境下，不同可變兩級(jí)增壓系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)廢氣再循環(huán)的引入能力及其對(duì)柴油機(jī)性能及排放的影響規(guī)律[8-10]。

本文以高壓共軌柴油機(jī)為研究機(jī)型，借助數(shù)值模擬手段從增壓系統(tǒng)優(yōu)化角度出發(fā)，研究變海拔工況下VGT 葉片開(kāi)度對(duì)進(jìn)氣特性、燃燒特性的影響規(guī)律，從而得出對(duì)動(dòng)力性能金額經(jīng)濟(jì)性能的影響結(jié)果，這對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和滿足新法規(guī)排放法規(guī)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立與驗(yàn)證

1.1 原機(jī)參數(shù)

本文基于高壓共軌柴油機(jī)為研究機(jī)型，先對(duì)該機(jī)進(jìn)行了兩級(jí)增壓系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱TST）的匹配進(jìn)行試驗(yàn)研究，重新匹配了流量較小的高壓級(jí)可變截面渦輪增壓器和流量較小的低壓級(jí)渦輪增壓器。其中增壓器壓氣機(jī)與渦輪機(jī)MAP 數(shù)據(jù)是由某增壓器廠家提供?？勺儍杉?jí)增壓系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置“Rack Position”的大小（0～1）來(lái)控制葉片開(kāi)度。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1 所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

1.2 一維熱力學(xué)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

采用GT-power 構(gòu)建了兩級(jí)增壓系統(tǒng)的一維熱力學(xué)仿真模型，如圖1 所示。

圖1 兩級(jí)增壓柴油機(jī)的GT-Power 仿真模型

圖2 是0km 海拔環(huán)境下，外特性工況的兩級(jí)增壓柴油機(jī)的模型驗(yàn)證，由圖可知，計(jì)算誤差均保持在7%以內(nèi)，所構(gòu)建的一維仿真模型符合模型計(jì)算的精度要求[10]。

圖2 一維熱力學(xué)仿真模型扭矩與功率驗(yàn)證

2 仿真與結(jié)果分析

針對(duì)一維模型，研究柴油機(jī) ESC 測(cè)試循環(huán)中轉(zhuǎn)速1330r/min，75%負(fù)荷（簡(jiǎn)稱A75 工況）及轉(zhuǎn)速1990r/min，75%負(fù)荷（簡(jiǎn)稱C75 工況），EGR 率為零工況下的可變兩級(jí)增壓系統(tǒng)高壓級(jí)渦輪（VGT）葉片開(kāi)度及海拔對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程的影響。

2.1 VGT 葉片開(kāi)度對(duì)進(jìn)氣特性的影響

圖3 為VGT 葉片開(kāi)度及海拔對(duì)進(jìn)氣特性的影響。

由圖3 中的（a）和（b）可知，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況下不同海拔的空燃比隨著VGT 葉片開(kāi)度的增大出現(xiàn)空燃比降低的情況，而且容易對(duì)比得出在低速時(shí)隨著葉片開(kāi)度增大變化的空燃比降低更為迅速，高速時(shí)變化較為平緩。這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)在低速時(shí)排氣能量較低，折合流量及壓比均較低，增壓系統(tǒng)做功能力相對(duì)高速差，從而導(dǎo)致進(jìn)氣流量低，空燃比降低。而在高轉(zhuǎn)速下，排氣能量較高，柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線靠近增壓系統(tǒng)高效區(qū)，折合流量及壓比均較高，增壓系統(tǒng)做功能力較強(qiáng)，從而使得進(jìn)氣流量較高。相對(duì)于高速工況而言，低速工況下柴油機(jī)進(jìn)氣特性對(duì)葉片開(kāi)度的變化更敏感，空燃比降低的幅度更為顯著。

圖3 不同工況不同海拔下葉片開(kāi)度對(duì)進(jìn)氣特性的影響

當(dāng)VGT 葉片開(kāi)度一定，高低轉(zhuǎn)速下都出現(xiàn)隨著海拔的增加致使空燃比降低的情況，而且相對(duì)的高速工況下的變化更大，對(duì)海拔變化更敏感，但是數(shù)值上卻大于低速工況。這是因?yàn)殡S著海拔的增加，大氣壓力降低，空氣密度降低，導(dǎo)致增壓器在高海拔工作時(shí)工作效率下降，進(jìn)氣特性較差，從而空燃比降低。另一方面，相對(duì)低速情況，高速時(shí)排氣能量較大，能夠保持高速時(shí)較高空燃比。

由（c）和（d）可知，柴油機(jī)無(wú)論是低速還是高速下，隨著VGT 葉片開(kāi)度增大泵氣損失都相應(yīng)減小，葉片開(kāi)度增大到后期泵氣損失減小平緩。同一葉片開(kāi)度下，泵氣損失隨著海拔的升高而減小，而且高速工況降低更快。因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速升高，排氣能量逐漸增大，渦前壓力也逐漸增大，隨著葉片開(kāi)度增加，渦前壓力會(huì)迅速下降，導(dǎo)致進(jìn)排氣壓差增加，從而泵氣損失快速降低。當(dāng)葉片增大到一定值后，渦前壓力與進(jìn)氣壓力降低的幅度大致相當(dāng)，從而使得泵氣損失壓力的變化不大。

2.2 VGT 葉片開(kāi)度的變化對(duì)缸內(nèi)壓力參數(shù)的影響

圖4 不同海拔下最高燃燒壓力隨VGT 葉片開(kāi)度變化

圖4 為不同海拔下最高燃燒壓力隨VGT 葉片開(kāi)度變化。圖5 為4000km 海拔下不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的缸壓曲線。

由圖4 和圖5 可以看到，無(wú)論是低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速下，不同海拔下的最大燃燒壓力隨著葉片開(kāi)度增大而線性減小，同樣葉片開(kāi)度下，隨著海拔的上升而減小。低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下海拔每升高1km，最大燃燒壓力分別平均降低5%左右和7%左右。4000km 海拔下不同轉(zhuǎn)速的缸壓曲線也同樣表明隨著葉片開(kāi)度增大缸壓都相應(yīng)遞減。這都是由于海拔升高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量和進(jìn)氣壓力降低，葉片開(kāi)度增大，增壓器做功能力減弱，從而導(dǎo)致缸內(nèi)峰值壓力降低。

2.3 VGT 葉片開(kāi)度的變化對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的影響

圖6 不同海拔下葉片開(kāi)度變化對(duì)動(dòng)力性能的影響

在低轉(zhuǎn)速工況下，柴油機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩和有效功率隨著葉片開(kāi)度增加出現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì)。低轉(zhuǎn)速下有效轉(zhuǎn)矩能夠在葉片開(kāi)度很小的范圍內(nèi)就能達(dá)到峰值，并且持續(xù)較寬的范圍。這是由于葉片開(kāi)度逐漸增大，排氣背壓減小導(dǎo)致泵氣損失壓力降低，保證燃燒充分，使得扭矩和功率升高。當(dāng)葉片開(kāi)度過(guò)大時(shí)進(jìn)氣流量逐漸降低已不能保證充分燃燒，從而有效轉(zhuǎn)矩和有效功率都出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

還可以看出在低轉(zhuǎn)速工況下，當(dāng)葉片開(kāi)度低于30%時(shí)，不同海拔下的有效轉(zhuǎn)矩和有效功率差距不明顯，但當(dāng)葉片開(kāi)度增至較大時(shí)，柴油機(jī)扭矩及功率差異明顯，隨著海拔升高而逐漸降低。這是因?yàn)椴煌０蔚牡娃D(zhuǎn)速時(shí)，葉片小開(kāi)度增壓系統(tǒng)仍能保持在較高效率工作，保證了缸內(nèi)的充分燃燒。當(dāng)葉片開(kāi)度大于30%時(shí)，進(jìn)氣流量降低，而且隨著海拔升高，進(jìn)氣流量進(jìn)一步降低，燃燒變差，動(dòng)力性能降低。

高轉(zhuǎn)速工況下有效轉(zhuǎn)矩隨著葉片開(kāi)度增大而增加，后逐漸趨于平緩。一方面是因?yàn)楫?dāng)海拔一定時(shí)，高速工況下，由于排氣能量較高，增壓效果突出，雖然葉片開(kāi)度增大導(dǎo)致進(jìn)氣流量降低，但突出的增壓效果仍能保證高效率燃燒；另一方面，葉片開(kāi)度增大顯著降低了渦前壓力，泵氣損失壓力。

高轉(zhuǎn)速工況下當(dāng)葉片開(kāi)度大于40%之后，隨葉片開(kāi)度增大，有效轉(zhuǎn)矩和功率受海拔影響關(guān)系不大，都能充分的燃燒，有效轉(zhuǎn)矩和有效功率都較大且保持較寬范圍。由此可見(jiàn)，相對(duì)低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷，高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況葉片在葉片大范圍開(kāi)度內(nèi)有效轉(zhuǎn)矩和有效功率都保持較高，說(shuō)明對(duì)海拔環(huán)境的適應(yīng)性更好。

圖7 不同海拔下葉片開(kāi)度變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性能的影響

由圖7（a-b）可知，低速工況下，當(dāng)海拔一定時(shí)，柴油機(jī)有效燃油消耗率（BSFC）隨葉片開(kāi)度的增大先減小后逐漸升高，這與前面討論的葉片開(kāi)度對(duì)有效轉(zhuǎn)矩的影響趨勢(shì)相反。而且，葉片開(kāi)度在較小范圍內(nèi)即低于30%內(nèi)變化時(shí)，BSFC隨海拔升高無(wú)明顯變化。當(dāng)葉片開(kāi)度高于30%后再逐漸增大，BSFC 在不同海拔體現(xiàn)出的差異較為明顯。葉片度逐漸增大，排氣背壓減小導(dǎo)致泵氣損失壓力降低，保證燃燒充分，BSFC降低，此時(shí)葉片開(kāi)度對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣量也能滿足各個(gè)海拔所需，海拔變化下燃油消耗也無(wú)明顯變化。如果葉片開(kāi)度繼續(xù)增大，進(jìn)氣流量會(huì)逐漸降低，海拔越高進(jìn)氣流量越顯不足，不能保證充分燃燒，燃油消耗增加。

與低速工況對(duì)比明顯的是在高速工況下，BSFC 隨葉片開(kāi)度的增大而逐漸減小。高轉(zhuǎn)速工況下由于轉(zhuǎn)速升高，隨著葉片開(kāi)度增大，排氣能量增高增壓效果突出，進(jìn)氣流量大增，燃燒效率進(jìn)一步提高，燃油消耗逐漸降低。

3 結(jié)論

（1）無(wú)論在低轉(zhuǎn)速還是在高轉(zhuǎn)速下，同海拔的空燃比隨著VGT 葉片開(kāi)度的增大出現(xiàn)空燃比降低的情況，而且低速時(shí)空燃比降低的更為迅速。當(dāng)VGT 葉片開(kāi)度一定，隨著海拔的增加空燃比降低，高速工況下海拔越高變化越敏感。

（2）無(wú)論是低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速下，不同海拔下的最大燃燒壓力隨著葉片開(kāi)度增大而線性減小，同樣葉片開(kāi)度下，隨著海拔的上升而減小。

（3）在低轉(zhuǎn)速工況下，柴油機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩和有效功率隨著VGT 葉片開(kāi)度增加出現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)葉片開(kāi)度大于30%時(shí)，隨著葉片開(kāi)度增加，動(dòng)力性能逐漸降低。高轉(zhuǎn)速工況下當(dāng)葉片開(kāi)度大于40%之后，葉片開(kāi)度增大對(duì)有效轉(zhuǎn)矩和有效功率的影響受海拔變化的影響不大。

（4）低速工況下，當(dāng)海拔一定時(shí)，柴油機(jī)BSFC 隨葉片 開(kāi)度的增大先減小后逐漸升高。高速工況下，BSFC 隨葉片開(kāi)度的增大而逐漸減小。