重型柴油機(jī)匹配VNT的仿真研究

趙艷婷，殷 勇，陳 鎮(zhèn)，韓 瀟，殷 實

(東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056)

渦輪機(jī)的流量特性是指渦輪機(jī)校正質(zhì)量流量與渦輪膨脹比之間的關(guān)系。對于徑流式渦輪來說，不同的渦輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)不同的流量特性曲線，如圖1所示。對于傳統(tǒng)的渦輪增壓器，如果它匹配在柴油機(jī)的額定點，則在低速工況時，由于進(jìn)氣流量減少，渦輪膨脹比也相應(yīng)降低，即渦輪入口處的氣體壓力下降，渦輪做功能力降低，導(dǎo)致壓氣機(jī)壓比下降，柴油機(jī)充氣不足，最終導(dǎo)致動力輸出減少。如果匹配點選在柴油機(jī)的低速工況，則高速時會使渦輪膨脹比過大，出現(xiàn)增壓器超速和增壓壓力過高的現(xiàn)象。變截面渦輪可以通過調(diào)整渦輪有效流通面積來實現(xiàn)渦輪流量特性在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。

某重型柴油機(jī)配用VNT（可變噴嘴渦輪增壓器），希望以此為契機(jī)探索重卡柴油機(jī)實現(xiàn)歐5排放法規(guī)的新途徑、新方法。

1 帶VNT的柴油機(jī)模型

利用一維發(fā)動機(jī)性能仿真軟件avl-boost軟件搭建dCi11-EGR柴油機(jī)模型如圖2所示。并將校正后的模型里面的傳統(tǒng)渦輪增壓器特性數(shù)據(jù)替換為VNT特性數(shù)據(jù)，假設(shè)替換前后柴油機(jī)噴油量不變，摩擦不變，燃燒參數(shù)不變。

不同的VNT開度對應(yīng)設(shè)置不同的特性圖，如圖3所示。

圖4比較了三個型號的傳統(tǒng)渦輪機(jī)與當(dāng)前VNT的特性圖，由圖可見該VNT渦輪機(jī)的流量范圍很廣，甚至覆蓋圖中所示傳統(tǒng)的三個渦輪機(jī)的流量范圍。

2 帶VNT的柴油機(jī)仿真結(jié)果

2.1 VNT與動力性經(jīng)濟(jì)性

在對該模型進(jìn)行多個轉(zhuǎn)速多種開度的模擬仿真之后，得到結(jié)果見圖5至圖7。

對于外特性下的幾個工況點，如圖5和圖6所示，隨著VNT開度的增加，扭矩和功率都有先增大后減小的趨勢，即存在一個最大扭矩（功率）點。隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大扭矩（功率）點對應(yīng)的VNT開度值增大。由圖可見，各轉(zhuǎn)速下隨著VNT開度的增大，發(fā)動機(jī)比油耗先減小后增大，這與最大扭矩（功率）點所對應(yīng)的最佳VNT開度的趨勢一致。

當(dāng)渦輪開度較大時，渦輪流通面積較大，因而使相同流量下的渦輪膨脹比降低，做功能力減弱，降低了渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而降低了壓氣機(jī)的壓比和流量。但由于沒有隨著渦輪開度的變化相應(yīng)地調(diào)整燃油噴射量，所以柴油機(jī)的性能不但沒有增加，反而隨噴渦輪開度的增大，柴油機(jī)的輸出扭矩和功率都有所降低。

顯然，如果在減小渦輪開度的同時相應(yīng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)的供油量，使空燃比與原機(jī)值相當(dāng)或略大，則柴油機(jī)的扭矩會得到提高，功率輸出將有所增加，經(jīng)濟(jì)性也會得到改善，更重要的是可以改善增壓柴油機(jī)的低速扭矩特性，提高其扭矩儲備系數(shù)。

當(dāng)渦輪開度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)時，雖然也存在著一定的柴油機(jī)排氣背壓，但在一定的渦輪開度的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，能夠保證有效掃氣，為提高柴油機(jī)的扭矩和輸出功率創(chuàng)造了條件。

當(dāng)渦輪開度過分小時，由于柴油機(jī)排氣背壓較高，對掃氣過程產(chǎn)生不良影響，甚至使廢氣倒流，造成廢氣殘余量較高，因此柴油機(jī)工作惡化。

鑒于以上分析，本研究所用VNT開度從0.5開始。見圖8。從0.5到0.72的開度即覆蓋了該柴油機(jī)從低怠速到額定工況的使用范圍。表明該VNT相對于該柴油機(jī)偏大。同時，幾個高速工況即使在最大扭矩的VNT開度左右變化開度，扭矩值的變化很小。

2.2 VNT與排放性

由圖9可見，在VNT開度較小時的發(fā)動機(jī)外特性下，各轉(zhuǎn)速都能夠保證較高的EGR率。這正是由于VNT開度小，導(dǎo)致排氣背壓高，直接導(dǎo)致EGR回路的壓差大，因而能讓更多的廢氣實現(xiàn)再循環(huán)。

由圖10和圖11可見，AFR和壓氣機(jī)壓比的變化趨勢一致。在較適宜的VNT開度內(nèi)(大于0.5)逐漸減小。圖11可見，幾個高速工況的壓比最大處卻并不是扭矩最大處，說明每個工況都有最佳壓比，對應(yīng)著最大扭矩。

對于希望達(dá)到歐5排放的柴油機(jī)來說，目標(biāo)EGR應(yīng)為19%～25%，目標(biāo)AFR應(yīng)大于20。而對應(yīng)最佳扭矩的VNT開度不能實現(xiàn)上述目標(biāo)。綜合圖9和圖10可知，外特性所有轉(zhuǎn)速最佳的排放點均出現(xiàn)在VNT開度為0.5時刻。

2.3 動力最佳與排放最佳的比較

動力最佳與排放最佳并沒有都出現(xiàn)在同一處，若要同時考慮動力性和排放性，則要根據(jù)發(fā)動機(jī)本體的目標(biāo)需求進(jìn)行選擇，有所取舍的兼顧二者。同時，本研究中并沒有改變噴油參數(shù)和燃燒參數(shù)，而在實際的實驗過程中勢必可以通過調(diào)節(jié)噴油和燃燒來改變動力和排放輸出。

扭矩最大差別為30 N，扭矩比較見圖12。功率最大差別為6 kW，功率比較見圖13。比油耗最大差別為4.7 g/kWh，比油耗比較見圖14。

EGR率最大差別為11.69%，EGR率比較見圖15。AFR最大差別為5.71，AFR比較見圖16。

以上的差別皆為最大差別，出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速。低轉(zhuǎn)速沒有變化，即低轉(zhuǎn)速工況達(dá)歐5排放目標(biāo)相對高速容易。

2.4 渦輪增壓器的壓氣機(jī)

除了上述的渦輪機(jī)偏大之外，還需要確定壓氣機(jī)的工作情況。壓氣機(jī)與柴油機(jī)的聯(lián)合運行線如圖17所示。由圖17和圖18得知，該柴油機(jī)并沒有運行在壓氣機(jī)的高效區(qū)，大多數(shù)工況效率僅為70%，同時意味著該壓氣機(jī)偏大。

2.5 渦輪增壓器的渦輪機(jī)

如圖8所示的VNT開度小于0.75，因此選擇渦輪機(jī)的時候可以適當(dāng)降低渦輪尺寸，控制在當(dāng)前流量的80%之內(nèi)即可滿足發(fā)動機(jī)要求，同時提高發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性。渦輪機(jī)圖譜范圍如圖18所示。

3 小結(jié)

本文通過仿真的方法將VNT匹配在某款重型柴油機(jī)上，通過仿真分析得到如下結(jié)論：

1）隨著VNT開度的增加，扭矩和功率都有先增大后減小的趨勢，即存在一個最大扭矩（功率）點；

2）隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大扭矩（功率）點對應(yīng)的VNT開度值增大；

3）發(fā)動機(jī)比油耗的變化趨勢與最大扭矩（功率）點所對應(yīng)的最佳VNT開度的趨勢相反；

4）該VNT相對于該柴油機(jī)偏大；

5）在VNT開度較小時的發(fā)動機(jī)外特性下，各轉(zhuǎn)速都能夠保證較高的EGR率；

6）AFR在較適宜的VNT開度內(nèi)逐漸減小；

7）動力最佳與排放最佳并沒有都出現(xiàn)在同一處，它們的動力輸出相差不大，排放輸出相差很多，必須有所取舍的兼顧二者；

8）在動力性基本維持現(xiàn)狀的前提下，低轉(zhuǎn)速工況達(dá)歐5排放目標(biāo)相對高速容易一些，高速有些困難；

9）柴油機(jī)并沒有運行在壓氣機(jī)的高效區(qū)，大多數(shù)工況效率僅為70%，同時意味著該壓氣機(jī)偏大；

10）建議下一步的匹配針對壓氣機(jī)和渦輪機(jī)，分別匹配合適的尺寸并盡量穿越高效區(qū)。