滿足國Ⅵ排放法規(guī)的重型車用柴油機非對稱增壓器開發(fā)

王磊 翁志勇 田洪明

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

滿足國Ⅵ排放法規(guī)的重型車用柴油機非對稱增壓器開發(fā)

王磊 翁志勇 田洪明

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

首先介紹實現(xiàn)國Ⅵ排放法規(guī)的技術路線，其次介紹非對稱增壓器的模型建立，最后詳細論述增壓器的選型開發(fā)。通過試驗結果可知，非對稱增壓器方案相比VGT方案能夠實現(xiàn)目標空燃比和EGR率，并且泵氣損失最小。通過對比試驗結果和模擬結果，識別出非對稱增壓器模擬技術的難點。

1 前言

自1960年代以來，重型柴油機就采用渦輪增壓技術以提升發(fā)動機動力性和燃油經濟性。2013年戴姆勒公司推出滿足歐Ⅵ排放法規(guī)的重型柴油機，利用非對稱增壓技術驅動EGR。該技術相比可變增壓技術不僅能滿足歐Ⅵ排放法規(guī)，而且可以提升發(fā)動機的燃油經濟性和可靠性[1]。

2017年1月1日起全國實行國家第五階段機動車污染物排放標準。2016年10月環(huán)保部發(fā)布國Ⅵ排放法規(guī)征求意見稿，預計2020年1月1日起實行國Ⅵ排放法規(guī)。為了滿足國家排放法規(guī)的升級，本文通過對不同增壓器方案進行模擬及試驗，分析各增壓器方案與發(fā)動機的匹配結果，識別方案的性能優(yōu)劣，為增壓器選型提供依據(jù)。同時為了降低開發(fā)成本，對非對稱增壓器的模擬技術進行評估，分析模擬方法的精度問題，并提出改進意見。

2 技術路線

所選研究樣機是某13 L國Ⅴ柴油機最新一代重型柴油機平臺，該機型采用高爆發(fā)壓力的發(fā)動機結構及輕量化設計、低微粒分布式燃燒系統(tǒng)、共軌噴油系統(tǒng)電子控制單元和氣驅尿素噴射系統(tǒng)等8項創(chuàng)新技術，其參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機結構及相關性能參數(shù)

為了實現(xiàn)國Ⅵ排放法規(guī)，排放控制策略由燃燒方案配置、發(fā)動機標定策略和后處理這3個因素決定。根據(jù)國內的油品、排放法規(guī)、市場以及用戶習慣等情況，將兩種不同的實現(xiàn)國Ⅵ排放法規(guī)的技術路線列于表2。綜合考慮發(fā)動機及后處理的性能、特點，現(xiàn)階段重型柴油機平臺采用SCR+低EGR率方案比較合適。由于SCR中需要添加NH3，為了防止NH3逃逸，在SCR后還需要安裝NH3逃逸回收裝置。

表2 排放控制技術對比

為滿足國Ⅵ排放法規(guī)，發(fā)動機不僅需要消耗燃油，還需要消耗尿素，所以發(fā)動機開發(fā)過程需要考慮發(fā)動機的綜合成本。圖1為考慮不同技術方案下發(fā)動機的綜合消耗對比，其中綜合油耗按照柴油與尿素價格1∶0.5計。針對該重型柴油機平臺，發(fā)動機原機NOx排放控制在5～7 g/（kW·h）是發(fā)動機綜合成本最低的技術目標。相比國Ⅴ燃燒系統(tǒng)，NOx排放降低30%，需要實現(xiàn)10%～15%的EGR率。

圖1 不同技術方案下發(fā)動機的綜合消耗對比

為了引入10%～15%EGR需要建立排進氣壓差，可采用的技術方案包括可變增壓器（VGT）方案和非對稱增壓器（AWT）方案。VGT已經在國內外歐Ⅵ發(fā)動機普遍采用，具有可調范圍廣、適應性能好的優(yōu)點，但也有成本高、運動部件多等劣勢。AWT被大量應用在戴姆勒奔馳重型柴油機平臺，其具有成本低、技術可靠，而且能夠產生驅動EGR的壓差，但是對發(fā)動機與增壓器的匹配技術要求較高。AWT技術原理如圖2所示。可知，增壓器渦輪為雙通道，兩個通道分別與1～3缸和4～6缸相連。其中與1～3缸相連的通道截面較小，能夠在渦前產生較大壓力以驅動EGR。EGR取氣全部來自1～3缸的排氣，剩余的排氣用于驅動渦輪。與4～6缸相連的通道截面較大，主要用于推動渦輪做功，用于驅動壓氣機壓縮進氣[1]。

圖2 非對稱增壓器原理[1]

在性能設計階段，匹配國Ⅵ發(fā)動機的增壓器方案有非對稱增壓器大、小流量兩個方案和VGT方案。小流量方案主要目的是適當提高低速空燃比，但存在增壓器超速風險；大流量方案超速風險較小，但是低速空燃比不滿足要求；VGT方案在全部工況下具有可變性，其適應性能較好。

3 模擬計算

利用模擬計算技術可以在發(fā)動機開發(fā)前對增壓器方案進行預評估，可大幅節(jié)省發(fā)動機的開發(fā)周期。預評估通常采用一維熱力學計算軟件（如GT-Suite）對各增壓器方案進行評估，評估內容包括是否滿足空燃比和EGR率要求，同時保證增壓器具有足夠的喘振裕度和較小的超速風險。

由于EGR引入及排氣的波動特性，同一時刻非對稱增壓器兩個通道之間的流量差異較大，而兩個通道之間流量比變化對增壓器性能影響較大[2]。因此，對模擬計算技術和增壓器測試都有更高要求。對模擬技術的要求是計算模型能考慮非對稱增壓器的技術特點，即能考慮同一循環(huán)下不同時刻兩個通道之間的流量變化過程，如何確定渦輪膨脹比和效率。對增壓器測試要求是能夠測量兩個通道在不同流量比下增壓器的MAP。

針對模擬技術，建立3個渦輪的增壓器模型，分別模擬小通道、大通道及兩個通道之間的竄氣過程，如圖3所示[2]。針對增壓器測試要求，增壓器測試至少需要3次，分別測量堵住大小流道測量渦輪MAP和大小流道同時流動測量渦輪MAP。如果條件允許，可以測試兩個流道在不同流量比下的渦輪MAP。需要注意在大小流道同時流動時，需要分別確定各個通道的MAP。計算過程中，模型實時根據(jù)渦輪兩個通道不同的流量比，通過插值的方式確定實時的渦輪MAP。

圖3 非對稱增壓器模型

VGT方案的模擬，由于渦輪入口為單通道，模擬的復雜性也不如非對稱增壓器方案。針對VGT增壓器模擬，其技術已經非常成熟。

評價或者選擇增壓器方案的準則為在實現(xiàn)目標空燃比和EGR率的前提下，盡量降低發(fā)動機的泵氣損失；如果不能保證空燃比和EGR率，則要求保持原機NOx排放一致的前提下，盡量保證發(fā)動機空燃比與目標一致。

針對這3個增壓器方案進行模擬計算，結果如圖4所示。可知，3個方案的空燃比和EGR率均能滿足目標要求。另外，3個增壓器方案也不存在超速和喘振風險，所以該3個方案從計算結果上是滿足要求的。為了驗證方案的可行性，將對該3個方案進行試驗驗證。

4 試驗測試及結果分析

試驗在標準試驗臺架上進行，保證試驗的邊界條件和環(huán)境一致（見表3），并按上文評價準則對各方案進行對比分析。

圖5為不同增壓器方案下發(fā)動機的空燃比和EGR率試驗值。可知，非對稱大流量方案可以很好滿足空燃比和EGR率的要求；VGT方案和非對稱小流量方案空燃比和EGR率都不能滿足目標。VGT方案在發(fā)動機低速區(qū)域由于效率太高，為了保證發(fā)動機EGR率只能將VGT開度設得很小，造成空燃比高于目標；在發(fā)動機高速區(qū)域由于受增壓器轉速限制，只能將VGT開度設得很大，又導致空燃比低于目標。非對稱小流量方案在發(fā)動機低速區(qū)域由于效率太高以及渦輪流量小的原因，造成空燃比高于目標，EGR率低于目標；在發(fā)動機額定點由于渦輪流量小導致渦前壓力高，為此只能增加EGR率以降低發(fā)動機空燃比。由于非對稱小流量方案可控因素較少，空燃比、EGR率以及原機NOx排放均沒有滿足要求。

表3 發(fā)動機試驗環(huán)境和邊界條件

圖5 不同增壓器方案下發(fā)動機的空燃比和EGR率試驗值

圖6為不同增壓器方案下發(fā)動機泵氣損失結果，用換氣階段平均有效壓力（PMEP）表示，其值越大則泵氣損失越小。發(fā)動機中低速區(qū)域，非對稱增壓器方案泵氣損失明顯低于VGT方案，主要原因是非對稱增壓器方案只有1～3缸用于驅動EGR，即1～3缸排氣壓力大于進氣壓力，而4～6缸則相反。而VGT方案為了驅動EGR，所有氣缸的排氣壓力均應大于進氣壓力。發(fā)動機高速區(qū)域，由于非對稱增壓器小通道和大通道渦前壓力均很高，驅動15%EGR率有很大富余；而VGT方案，具有可變特性，能夠盡量降低渦前壓力以降低驅動EGR的富余。所以，發(fā)動機高速區(qū)域VGT方案具有更小的泵氣損失。由于整車常用區(qū)域為中低轉速，最終的開發(fā)結果選擇非對稱增壓器作為國Ⅵ發(fā)動機的增壓器方案。

圖6 不同增壓器方案下發(fā)動機泵氣損失

利用測試數(shù)據(jù)對非對稱增壓器模型校正，為了滿足使發(fā)動機進氣壓力溫度與試驗結果吻合，對渦輪MAP進行適當縮放，縮放系數(shù)如圖7所示。根據(jù)經驗，縮放系數(shù)在0.95～1.05的范圍比較合理，說明此處的縮放不合理。校正顯示發(fā)動機功率、比油耗、缸壓曲線、進氣壓力溫度、空燃比、發(fā)動機能量分布均與試驗結果吻合，但是非對稱增壓器渦前壓力模擬結果與試驗結果差別較大，如圖8所示。外特性工況下，校正模型計算發(fā)動機渦前壓力與試驗渦前壓力最多相差40 kPa。圖7和圖8說明在非對稱增壓器渦輪的模擬精度方面存在問題，包括渦輪膨脹比及效率計算方面都存在問題。

由于EGR的引入及排氣的波動特性，同一時刻非對稱增壓器兩個通道之間的流量差異較大。圖9為一個循環(huán)下小通道流量占渦輪總流量比。低轉速下兩個通道之間的流量差別變動非常大，而高轉速下該差別變動很小，即隨著轉速增加，兩個通道之間的流量波動逐漸變小。現(xiàn)階段增壓器供應商提供的渦輪MAP數(shù)據(jù)較少（3張MAP），利用插值方法獲得的渦輪MAP數(shù)據(jù)精度不高，導致模擬誤差。顯然增壓器渦輪MAP數(shù)據(jù)是不夠的，為了使模擬精度更高，希望獲得更多的兩個通道之間流量比不同的渦輪MAP。

圖7 縮放系數(shù)

圖8 發(fā)動機渦前壓力對比

圖9 一個循環(huán)下渦輪小通道流量占渦輪總流量比例

5 結束語

根據(jù)非對稱增壓器的技術特點，利用模擬計算和試驗手段分析不同增壓器方案與滿足國Ⅵ排放法規(guī)的發(fā)動機匹配情況。試驗結果表明，非對稱增壓器方案可以滿足空燃比和EGR率的要求，滿足發(fā)動機性能開發(fā)需求；發(fā)動機中低速區(qū)域非對稱增壓器方案泵氣損失明顯低于VGT方案，而發(fā)動機高速區(qū)域則相反；非對稱增壓器模型模擬存在精度問題。

1 ELIAS CHEBLI,MARKUS MüLLER.DEVELOPMENT OF AN EXHAUST-GAS TURBOCHARGER FOR HD DAIMLER CV ENGINES.MTZ,2013,70：24～29.

2 Tolga Uhlmann,Dominik Lückmann,Richard Aymanns,et al.Development and Matching of Double Entry Turbines for the Next Generation of Highly Boosted Gasoline Engines.Internationals Wiener Motorensymposium,Wiener,2013.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年8月1日。

Development of Asymmetrical Turbocharger for Heavy Duty Vehicle Diesel Engine Complying with China Emission Regulations

Wang Lei,Weng Zhiyong,Tian Hongming
（China FAW Corporation Limited Ramp;D Center,Changchun 130011）

The paper firstly introduces the technology roadmap to implement China Ⅵ emission regulations,then introduces the establishment of asymmetrical turbocharger and lastly discusses the model selection and development of turbocharger in details.The test results show that compared with VGT,the asymmetrical turbocharger can achieve the target air-fuel ratio and EGR rate,and minimize pump loss.In addition,by comparing the test results and simulation results,the difficulty of asymmetric turbocharger simulation technology is identified.

Heavy duty vehicle,Diesel engine,Asymmetrical Turbocharger,China Ⅵ Emission Regulation

重型車 柴油機 非對稱增壓器 國Ⅵ排放法規(guī)

U464.135 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）09-0044-04