基于GT-POWER的可變噴嘴渦輪增壓器匹配分析

張莉莉，付 翀，王彥龍

(1.西安工程大學,西安,710048；2.西安航空職業技術學院,西安,710089)

基于GT-POWER的可變噴嘴渦輪增壓器匹配分析

張莉莉1,2，付 翀1，王彥龍1

(1.西安工程大學,西安,710048；2.西安航空職業技術學院,西安,710089)

利用GT-POWER軟件仿真軟件,建立某可變噴嘴渦輪增壓柴油機的仿真模型,通過比較兩款可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)與發動機的聯合運行曲線，選擇最優的渦輪增壓器。通過研究增壓器的增壓壓力、壓氣機效率，柴油機扭矩、有效燃油消耗率與VNT開度變化的趨勢，分析了VNT開度對發動機性能的動力性，經濟性的影響，以便為增壓系統設計提供依據。

柴油機；可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)；匹配

0 前言

隨著國家對汽車節能和排放要求的逐步提高，渦輪增壓技術已成為提高發動機功率和扭矩、降低油耗、滿足排放標準要求的一種有效技術。然而，傳統的渦輪增壓器存在“渦輪遲滯”現象，無法兼顧低速和高速的動力要求。可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）可以解決傳統增壓器自身的一些缺點。可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）通過改變噴嘴截面積可以實現不同的增壓比。采用該技術后柴油機的低速扭矩、油耗與采用普通增壓器的柴油機相比均有很大改善。隨著車用柴油機性能的逐步提高和完善，可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）將越來越多地應用到車用柴油機上。

本文針對某可變噴嘴渦輪增壓柴油發動機的前期開發，通過GT-POWER仿真軟件的模擬計算，研究可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）與柴油發動機的匹配特性。

1 增壓參數的計算

1.1 增壓比

式中：WT為轉子傳到軸的功率；

1.2 壓氣機效率

式中：WKad為空氣由

2 發動機仿真模型建立

2.1 發動機基本參數

本文所用的柴油發動機為國產某四缸四沖程水冷發動機，柴油發動機基本參數如表1所示。

表1 柴油發動機的基本參數

2.2 柴油發動機的仿真模型

柴油發動機的仿真通過GT-POWER軟件建立的仿真模型實現的，將柴油機簡化成由進氣系統、排氣系統、燃燒系統、增壓系統、中冷器以及環境邊界及相應連接管路等模型組成的計算模型。圖1所示為柴油發動機模型。

3 渦輪增壓器與發動機的匹配

研究過程中，選用了兩款不同型號的可變噴嘴渦輪增壓器（VNT），分別為1號增壓器和2號增壓器。將兩種增壓器參數帶入仿真模型，進行模擬匹配計算，繪制柴油發動機與增壓器的聯合運行曲線。圖2、圖3分別為1號增壓器和2號增壓器與發動機的聯合運行曲線。

采用1號增壓器時，壓氣機的工作點都落在了喘振線里面，且有較大的喘振裕度。但是壓氣機的大部分工作點落在了效率較低的區域，而這部分工作點是柴油發動機的常用工作點，這將導致全工況內渦輪增壓器的整體效率較低。

圖1 柴油發動機仿真模型

圖2 1號增壓器與發動機聯合運行曲線

圖3 2號增壓器與發動機聯合運行曲線

采用2號增壓器時，壓氣機的大部分工作點處在了高效率區，保證了增壓器有較高的效率。壓氣機的工作點也都落在了喘振線內，柴油發動機在低速時離喘振線較近，喘振裕度較小，低速時發動機處于怠速狀態，發動機負荷較小，所以也可不采取增壓，怠速狀態時間比較短，所以影響不大。

經過對比后發現，采用2號增壓器既能保證發動機達到預期的性能指標，同時也能使增壓器整個運行范圍內具有較高的工作效率，與發動機的匹配效果較好，因此采用2號增壓器。

4 VNT開度對發動機性能的影響

模擬計算時，將2號增壓器與柴油機進行了匹配試驗，改變VNT開度的大小，分析增壓器的增壓壓力、壓氣機效率，柴油機的扭矩、有效燃油消耗率隨VNT開度變化的規律。

從圖4中可以看出，增壓壓力隨VNT開度增大呈現下降的趨勢。最高增壓壓力可以到達3.2bar左右，能夠滿足發動機增壓壓力要求。

圖5為壓氣機效率隨VNT開度的變化趨勢，可以看出，轉速在1000r/min時，壓氣機效率較低，是由于排氣能量太少造成的。在其他轉速范圍內，增壓器都可以通過調節VNT開度達到較高的壓氣機效率，發動機轉速在2500r/min和3000r/min時，VNT開度為0.8 左右，其效率可高達77.5%。這就保證了發動機在多數使用工況的轉速下能達到最高的效率，表明壓氣機和發動機匹配效果良好。

圖4 增壓壓力隨VNT開度的變化趨勢

圖6 扭矩隨VNT開度的變化趨勢

圖7 有效燃油消耗率隨VNT開度的變化趨勢

圖6為發動機的扭矩隨VNT開度的變化趨勢，反映VNT對發動機動力性的影響。從圖中可以看出，發動機轉速較低時，扭矩隨著VNT開度的增大而減小，這是因為在轉速較低時，發動機的排氣能量較小，需要以最小的VNT開度，來得到高的增壓壓力，以提高低速時的扭矩；發動機在中高轉速時，扭矩隨VNT開度變化趨勢比較平緩，但總體趨勢是隨著VNT開度先增大后減小，各轉速下都有一個最大的峰值扭矩。

圖7為有效燃油消耗率隨VNT開度的變化趨勢，反映了VNT開度對發動機經濟性的影響。在低速區，有效燃油消耗率基本上不隨VNT開度的變化而變化。這是因為在低轉速時，發動機排氣能量不夠，相當于沒有增壓，其有效燃油消耗率也就與VNT開度幾乎無關。而整體趨勢來看，最低的有效燃油消耗率出現在中等轉速，如圖中VNT開度在0.3以下的 2000r/min和VNT開度在0.3以上的2500r/min。這符合發動機在中等轉速時有最佳的燃油經濟性的特性。

5 結論

研究表明，通過GT-POWER軟件建立柴油發動機的仿真模型，通過比較不同可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）與發動機的聯合運行曲線，可以選擇出工作效率較高的渦輪增壓器。通過研究增壓器的增壓壓力、壓氣機效率，柴油發動機的扭矩、有效燃油消耗率隨VNT開度變化的趨勢，得出：低轉速時，需要較小的VNT開度，以提高低速轉矩；高轉速時，需要較大的VNT開度，以降低膨脹比使排氣暢通進氣順暢，提高發動機的經濟性的規律。

[1] 尹凌.基于VGT技術的乘用車柴油機性能提高分析及其優化研究[D].湖南大學碩士學位論文.2012.

[2] 林磊.可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)與柴油機的匹配及其控制的研究[D].北京交通大學碩士學位論文.2010.

[3] 張小紅，李沖霄.可變渦輪增壓器的模擬研究[J].上海汽車，2009（11）：11-13.

Study on the Matching of Variable Nozzle Turbocharger Based on GT-POWER Simulation

Zhang Lili1,2，Fu Chong1，Wang Yanlong1
（1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048; 2.Xi 'an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi'an 710089）

Using GT-POWER software simulation software,the establishment of a simulation model of variable nozzle turbocharged diesel engine,by comparing the two variable nozzle turbocharger(VNT)and the joint operation curve of engine,select the most optimal turbochargers.Through the study of charging pressure and compressor efficiency,supercharger diesel engine torque and fuel consumption rate and the opening of the VNT change tendency,analyzes the VNT opening on engine performance,the performance of the influence of the economy,in order to provide the basis for pressurization system design.

Diesel Engine；Variable Nozzle Turbocharger；Matching

張莉莉（1975-），女，西安工程大學碩士研究生，西安航空職業技術學院講師，主要研究方向：車輛設計。