基于國VI發(fā)動機配置的增壓器選型試驗研究

王元真 徐一凡 陳雄 姜江 張磊

摘 ?要：柴油機與渦輪增壓器之間的匹配影響發(fā)動機性能。本文制定了一種國六發(fā)動機增壓器選型試驗方法，按照動力性、邊界條件、排放、經(jīng)濟性依次進行判斷篩選增壓器，當(dāng)增壓器不能滿足優(yōu)先度較高要求時，不再對該增壓器進行后續(xù)比較。通過試驗，從參與選型的4臺增壓器中選擇出了最適宜發(fā)動機的增壓器，滿足發(fā)動機性能需求;提高了增壓器選型與匹配的選優(yōu)試驗效率。

關(guān)鍵詞：柴油機;國VI;增壓器;選型

中圖分類號：U464 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：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

隨著能源短缺以及環(huán)境惡化問題的日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)動力清掃車經(jīng)濟性差、排放性差、噪聲高等缺點成為其發(fā)展的瓶頸，節(jié)能環(huán)保型清掃車的發(fā)展尤為重要[1-2] 。

1 ? ?引言

柴油機因為其出色的動力性和良好的燃油經(jīng)濟性，在物流運輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程機械以及軍用動力等方面發(fā)揮了重要的作用[1]。發(fā)動機與渦輪增壓器之間的匹配直接關(guān)系到發(fā)動機性能[2]，因此，針對不同工作狀態(tài)需求的發(fā)動機，有必要進行增壓器匹配工作，以滿足其使用需求。

吳君華等人[3]基于柴油機試驗平臺進行了可變噴嘴增壓器的匹配試驗研究。發(fā)現(xiàn)該增壓器降低了排氣煙度，提高了發(fā)動機外特性的低速轉(zhuǎn)矩，擴大了低油耗區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍，改善了整機的燃油經(jīng)濟性。

倪計民等人[4]應(yīng)用GT-power建立了加裝渦輪增壓器之后的發(fā)動機模型，分別進行了平原、高原環(huán)境下的發(fā)動機的匹配計算和性能預(yù)測。

王金環(huán)[5]基于某濰柴發(fā)動機試驗平臺，從已知的發(fā)動機有害排放物生成機理出發(fā)，研究了增壓器與發(fā)動機的匹配關(guān)系，根據(jù)發(fā)動機的運行線選擇合適的增壓器。

劉廷等人[6]運用GEM3D工具離散化的方法建立了發(fā)動機GT-power仿真模型，對增壓發(fā)動機的點火提前角進行了優(yōu)化，改善了燃油經(jīng)濟性。

上述學(xué)者對增壓器選型與匹配提出了有效的試驗與仿真方法，在動力性、排放、燃油經(jīng)濟性等因素中進行了單一或若干因素的等重要性研究。而在實際的生產(chǎn)和應(yīng)用中，發(fā)動機的動力性是使用者的首要需求;其次，隨著排放要求的日益提高，目前只有符合國VI標(biāo)準(zhǔn)的車輛才能投入市場使用[7];最后，在滿足使用者動力需求和排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，還應(yīng)對燃油經(jīng)濟性進行優(yōu)化，提高增壓器與柴油機匹配使用性能。

實際需求表明，增壓器對于動力性、排放、燃油經(jīng)濟性等因素的要求難以同時達到最優(yōu)狀態(tài)，匹配過程中需進行權(quán)重平衡。例如在特殊路況下為了達到動力性指標(biāo)，排放和燃油經(jīng)濟性可能根據(jù)實際情況略有損失。因此，在下文中的增壓器選型研究中，將基于以上基本原則，首先對動力性進行判斷，再對排放、經(jīng)濟性進行驗證，依次進行試驗及分析，在優(yōu)先級較高的指標(biāo)無法滿足時，不再進行優(yōu)先級較低的對比，減少不必要的試驗和比較次數(shù)。為達成某柴油機性能開發(fā)要求，本次共有4臺增壓器樣品參與選型，最終通過選型試驗確認(rèn)出該機型匹配的最優(yōu)增壓器。

2 ? ?發(fā)動機類型

本試驗使用的發(fā)動機類型如表1所示。

3 ? ?試驗流程

1. 在試驗開始前，檢查并確認(rèn)發(fā)動機及主要零部件的狀態(tài)正常，無異常及損壞;

2.針對所需進行試驗的發(fā)動機，確認(rèn)并記錄刷寫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.運行發(fā)動機，確認(rèn)發(fā)動機原機狀態(tài)是否正常。

4.確認(rèn)發(fā)動機原機狀態(tài)正常后，更換A增壓器，更換前確認(rèn)增壓器樣機狀態(tài)，本試驗轉(zhuǎn)速范圍2400r/min～800r/min，以100r/min為步長進行外特性試驗;采用原機部分特征工況點進行性能排放測試;測試結(jié)束后，依次進行B、C、D增壓器的選型試驗。

4 ? ?試驗結(jié)果

4.1 ? 增壓器動力性及邊界驗證

4.1.1 發(fā)動機外特性-扭矩

發(fā)動機匹配各型號增壓器外特性-扭矩試驗如圖1所示，動力性是使用者的首要需求，因此，首先需要對各增壓器進行扭矩標(biāo)定。通過改變噴油量，將增壓器匹配下的發(fā)動機輸出扭矩調(diào)整至外特性動力指標(biāo)需求扭矩[8]。從圖中可以看出，在不觸發(fā)冒煙油量限制的情況下，發(fā)動機匹配各增壓器時，輸出扭矩均能滿足扭矩指標(biāo)要求。

4.1.2 發(fā)動機外特性-爆壓

發(fā)動機爆壓影響其可靠性，其最大值存在一定的限制。該發(fā)動機匹配各型號增壓器的外特性-爆壓試驗如圖2所示，在所有試驗條件下，各型號增壓器爆壓均小于當(dāng)前機型的設(shè)計限制指標(biāo)的210bar，因此均滿足設(shè)計邊界要求。同時由于在測試過程中使用的是同樣的發(fā)動機基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)，僅在外特性循環(huán)供油量的控制上存在差異，而主噴正時均相同，發(fā)動機爆壓上的差距主要是來自于發(fā)動機的進氣量差異，發(fā)動機匹配B增壓器時，整體爆壓較高，因此B增壓器的增壓能力較強。

4.1.3 發(fā)動機外特性-增壓器轉(zhuǎn)速

發(fā)動機匹配各型號增壓器的外特性-增壓器轉(zhuǎn)速試驗如圖3所示，當(dāng)發(fā)動機處于800r/min轉(zhuǎn)速時，B增壓器的轉(zhuǎn)速高于其他增壓器;當(dāng)發(fā)動機處于900-2400r/min轉(zhuǎn)速時，A增壓器的轉(zhuǎn)速高于其他增壓器。考慮到車輛在高原工況下，最高增壓器轉(zhuǎn)速會高于平原工況下的最高增壓器轉(zhuǎn)速。因此在平原測試時，應(yīng)留出10%的增壓器轉(zhuǎn)速余量以避免高原時增壓器的超速風(fēng)險，故在幾臺增壓器的最高轉(zhuǎn)速限值均為140krpm的情況下，排除A增壓器。

4.1.4 發(fā)動機外特性-渦前溫度

發(fā)動機匹配各型號增壓器的外特性-渦前溫度試驗如圖4所示，從圖中可以看出，D增壓器的渦前溫度整體最高，并且在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1700rpm時，渦前溫度達到了702℃，高于其他增壓器。對于試驗用的發(fā)動機，其最高許用的渦前溫度為760℃，考慮到山區(qū)和高原工況下的最高渦前溫度會高于平原工況，因此在進行平原試驗時應(yīng)留有10%的溫度余量，將最高渦前溫度控制在700℃以下，故排除D增壓器。同時B增壓器的渦前溫度整體最低，為運行過程中增壓器留下了更多升溫空間，也有利于排氣歧管和周圍附件的可靠性，故此項性能較優(yōu)。

4.2 ? 排放、經(jīng)濟性權(quán)衡試驗結(jié)果

ESC循環(huán)的A75工況點是所有標(biāo)準(zhǔn)工況點中最能夠代表發(fā)動機經(jīng)濟性和排放性的特征工況點。因此在此次選型試驗中，僅選擇該工況點進行排放、經(jīng)濟性權(quán)衡試驗，以在簡化試驗的同時實現(xiàn)增壓器選型目的。

在本次排放、經(jīng)濟性權(quán)衡試驗中，分別選用兩個軌壓，三個EGR閥開度和4個主噴正時進行正交，得到共24個測試點進行測試。圖5為160MPa軌壓條件下的測試結(jié)果，可以看出，B增壓器在軌壓為160MPa的情況下，經(jīng)濟性和NOx排放上均優(yōu)于C增壓器。

圖6為150MPa的油軌壓力條件下的測試結(jié)果，從圖中可以看出，B增壓器經(jīng) 濟性和NOx排放上均優(yōu)于C增壓器，與160MPa的油軌壓力條件下的表現(xiàn)一致。因此B增壓器在A75點的經(jīng)濟性和排放性均優(yōu)于C增壓器，進而認(rèn)定B增壓器能夠更好的匹配當(dāng)前發(fā)動機。

5 ? ?結(jié)論

本文基于使用者動力需求和排放標(biāo)準(zhǔn)以及生產(chǎn)要求，制定了動力性、邊界條件、排放、經(jīng)濟性的試驗順序依次篩選增壓器，提高了增壓器選型與匹配的試驗和選優(yōu)效率。通過比較四款不同增壓器應(yīng)用于發(fā)動機的性能，最終優(yōu)選出B方案為該機型最優(yōu)增壓器。

參考文獻：

[1]何旭，徐一凡，王路，徐雨軒，周揚，劉福水.柴油溫度對燃燒火焰溫度和碳煙生成的影響[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2021，39（02）：97-105.

[2]蔣德明.內(nèi)燃機的渦輪增壓[M]. 機械工業(yè)出版社， 1986.

[3]吳君華，黃震，王天靈.可變噴嘴增壓器與增壓柴油機的匹配試驗研究[J].汽車工程，2005（01）：40-43.

[4]倪計民，李釗，張小矛，陳明.渦輪增壓汽油機匹配計算及性能預(yù)測[J].汽車技術(shù)， 2012（10）：1-4.

[5]王金環(huán). 國四柴油機EGR系統(tǒng)和增壓器匹配研究[D].天津大學(xué)，2017.

[6]劉廷，韓志玉，黃勇成，武得鈺.車用天然氣發(fā)動機增壓匹配及性能參數(shù)優(yōu)化[J].車用發(fā)動機，2016（04）：75-81.

[7]GB 17691-2018，重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

[8]黃碩. 東風(fēng)某柴油機增壓器選型與匹配試驗研究[J]. 汽車工藝師，2015，000（008）：46-49.

王元真

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)能源動力工程學(xué)院，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，任責(zé)任工程師，主要研究發(fā)動機性能標(biāo)定優(yōu)化和臺架試驗方法，已發(fā)表論文《船舶柴油機主動隔震監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計》。

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蔡文新

東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心

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