不同海拔下VGT 對高壓共軌柴油機性能影響的數值模擬＊

2019-09-21 03:45:38劉海軍

汽車實用技術 2019年17期

劉海軍

（鄂爾多斯應用技術學院機械交通系，內蒙古鄂爾多斯 017010）

概述

高原大氣特點與平原有著顯著的差異，高原地區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導致柴油機燃燒品質變差，動力性下降、油耗迅速惡化，熱負荷增加、碳煙（Soot）快速升高等嚴重問題[1-3]。相比傳統兩級增壓系統，配有可變幾何截面渦輪（VGT）的兩級增壓系統具有高增壓比、流量范圍大的特點，同時合理的匹配能保證各級壓氣機和渦輪均運行在高定熵效率區，對廢氣能量利用更加合理，能有效提升低速時的空燃比、瞬態響應特性。

相對而言，西方國家高原少，海拔低，研究主要集中在海拔2km 以下提升柴油機動力性、經濟性、排放特性及增壓壓力控制[4-5]。基于我國高原環境特征，北京理工大學劉系嵩等針對某 6 缸柴油機進行了不同海拔下單級增壓和二級增壓的仿真計算，采用二級增壓可以使柴油機在海拔 5.5 km 時最大轉矩和標定點功率相對單級增壓時分別提高15.5%和 27.2%，并且低速轉矩性能得到提高，兩級壓氣機均工作在高效率區且不會超速[6]。軍事交通學院董素榮、劉瑞林等[7]，基于 VGT 的可調二級增壓柴油機高海拔燃燒與性能模擬試驗系統，研究了不同海拔條件下二級增壓器與柴油機的匹配特性、柴油機燃燒特性和動力經濟性能隨可調二級增壓系統調節參數（VGT 葉片開度）的變化規律。昆明理工大學陳貴升、狄磊、陳春林等研究了高海拔環境下，不同可變兩級增壓系統對柴油機廢氣再循環的引入能力及其對柴油機性能及排放的影響規律[8-10]。

本文以高壓共軌柴油機為研究機型，借助數值模擬手段從增壓系統優化角度出發，研究變海拔工況下VGT 葉片開度對進氣特性、燃燒特性的影響規律，從而得出對動力性能金額經濟性能的影響結果，這對實現節能減排和滿足新法規排放法規具有重要的現實意義。

1 發動機模型的建立與驗證

1.1 原機參數

本文基于高壓共軌柴油機為研究機型，先對該機進行了兩級增壓系統（簡稱TST）的匹配進行試驗研究，重新匹配了流量較小的高壓級可變截面渦輪增壓器和流量較小的低壓級渦輪增壓器。其中增壓器壓氣機與渦輪機MAP 數據是由某增壓器廠家提供。可變兩級增壓系統通過設置“Rack Position”的大小（0～1）來控制葉片開度。柴油機主要技術參數見表1 所示。

表1 發動機相關參數

1.2 一維熱力學模型的構建與驗證

采用GT-power 構建了兩級增壓系統的一維熱力學仿真模型，如圖1 所示。

圖1 兩級增壓柴油機的GT-Power 仿真模型

圖2 是0km 海拔環境下，外特性工況的兩級增壓柴油機的模型驗證，由圖可知，計算誤差均保持在7%以內，所構建的一維仿真模型符合模型計算的精度要求[10]。

圖2 一維熱力學仿真模型扭矩與功率驗證

2 仿真與結果分析

針對一維模型，研究柴油機 ESC 測試循環中轉速1330r/min，75%負荷（簡稱A75 工況）及轉速1990r/min，75%負荷（簡稱C75 工況），EGR 率為零工況下的可變兩級增壓系統高壓級渦輪（VGT）葉片開度及海拔對柴油機工作過程的影響。

2.1 VGT 葉片開度對進氣特性的影響

圖3 為VGT 葉片開度及海拔對進氣特性的影響。

由圖3 中的（a）和（b）可知，柴油機在低轉速和高轉速工況下不同海拔的空燃比隨著VGT 葉片開度的增大出現空燃比降低的情況，而且容易對比得出在低速時隨著葉片開度增大變化的空燃比降低更為迅速，高速時變化較為平緩。這是因為柴油機在低速時排氣能量較低，折合流量及壓比均較低，增壓系統做功能力相對高速差，從而導致進氣流量低，空燃比降低。而在高轉速下，排氣能量較高，柴油機聯合運行線靠近增壓系統高效區，折合流量及壓比均較高，增壓系統做功能力較強，從而使得進氣流量較高。相對于高速工況而言，低速工況下柴油機進氣特性對葉片開度的變化更敏感，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度對進氣特性的影響

當VGT 葉片開度一定，高低轉速下都出現隨著海拔的增加致使空燃比降低的情況，而且相對的高速工況下的變化更大，對海拔變化更敏感，但是數值上卻大于低速工況。這是因為隨著海拔的增加，大氣壓力降低，空氣密度降低，導致增壓器在高海拔工作時工作效率下降，進氣特性較差，從而空燃比降低。另一方面，相對低速情況，高速時排氣能量較大，能夠保持高速時較高空燃比。

由（c）和（d）可知，柴油機無論是低速還是高速下，隨著VGT 葉片開度增大泵氣損失都相應減小，葉片開度增大到后期泵氣損失減小平緩。同一葉片開度下，泵氣損失隨著海拔的升高而減小，而且高速工況降低更快。因為隨著轉速升高，排氣能量逐漸增大，渦前壓力也逐漸增大，隨著葉片開度增加，渦前壓力會迅速下降，導致進排氣壓差增加，從而泵氣損失快速降低。當葉片增大到一定值后，渦前壓力與進氣壓力降低的幅度大致相當，從而使得泵氣損失壓力的變化不大。

2.2 VGT 葉片開度的變化對缸內壓力參數的影響

圖4 不同海拔下最高燃燒壓力隨VGT 葉片開度變化

圖4 為不同海拔下最高燃燒壓力隨VGT 葉片開度變化。圖5 為4000km 海拔下不同轉速所對應的缸壓曲線。

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

2.3 VGT 葉片開度的變化對柴油機動力性與經濟性的影響

圖6 不同海拔下葉片開度變化對動力性能的影響

在低轉速工況下，柴油機的有效轉矩和有效功率隨著葉片開度增加出現先增大后逐漸減小的趨勢。低轉速下有效轉矩能夠在葉片開度很小的范圍內就能達到峰值，并且持續較寬的范圍。這是由于葉片開度逐漸增大，排氣背壓減小導致泵氣損失壓力降低，保證燃燒充分，使得扭矩和功率升高。當葉片開度過大時進氣流量逐漸降低已不能保證充分燃燒，從而有效轉矩和有效功率都出現下降趨勢。

還可以看出在低轉速工況下，當葉片開度低于30%時，不同海拔下的有效轉矩和有效功率差距不明顯，但當葉片開度增至較大時，柴油機扭矩及功率差異明顯，隨著海拔升高而逐漸降低。這是因為不同海拔的低轉速時，葉片小開度增壓系統仍能保持在較高效率工作，保證了缸內的充分燃燒。當葉片開度大于30%時，進氣流量降低，而且隨著海拔升高，進氣流量進一步降低，燃燒變差，動力性能降低。

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

高轉速工況下當葉片開度大于40%之后，隨葉片開度增大，有效轉矩和功率受海拔影響關系不大，都能充分的燃燒，有效轉矩和有效功率都較大且保持較寬范圍。由此可見，相對低轉速大負荷，高轉速大負荷工況葉片在葉片大范圍開度內有效轉矩和有效功率都保持較高，說明對海拔環境的適應性更好。

圖7 不同海拔下葉片開度變化對經濟性能的影響

由圖7（a-b）可知，低速工況下，當海拔一定時，柴油機有效燃油消耗率（BSFC）隨葉片開度的增大先減小后逐漸升高，這與前面討論的葉片開度對有效轉矩的影響趨勢相反。而且，葉片開度在較小范圍內即低于30%內變化時，BSFC隨海拔升高無明顯變化。當葉片開度高于30%后再逐漸增大，BSFC 在不同海拔體現出的差異較為明顯。葉片度逐漸增大，排氣背壓減小導致泵氣損失壓力降低，保證燃燒充分，BSFC降低，此時葉片開度對應的進氣量也能滿足各個海拔所需，海拔變化下燃油消耗也無明顯變化。如果葉片開度繼續增大，進氣流量會逐漸降低，海拔越高進氣流量越顯不足，不能保證充分燃燒，燃油消耗增加。

與低速工況對比明顯的是在高速工況下，BSFC 隨葉片開度的增大而逐漸減小。高轉速工況下由于轉速升高，隨著葉片開度增大，排氣能量增高增壓效果突出，進氣流量大增，燃燒效率進一步提高，燃油消耗逐漸降低。