搭載可變截面增壓器的柴油機高原標定方法研究

摘 "要：對搭載可變截面增壓器的電控柴油機在高原移動臺架上進行了高原工作條件確定和優化標定試驗，提出了針對不同轉速區域的標定原則和方法，并用標定后的MAP控制發動機進行了臺架性能試驗。試驗結果表明，經高原標定后的柴油機，可滿足既定的機械限值要求和動力性要求，達到了試驗目標期望。

關鍵詞：柴油機;可變截面增壓器（VGT）;高原標定方法

中圖分類號：U467.1 " " "文獻標志碼：A " " "文章編號：1005-2550（2022）05-0088-06

Altitude Calibration and Match for Electronic Control Diesel Engine with Variable Geometry Turbocharger

CAI Cheng-Yang，YANG Jun， LIU Yao-wu， JIANG Yi-zuo， XIE Liang

（ National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang）， Xiangyang 441004， China）

Abstract： This paper introduces the altittude calibration boundary conditions and completed optimization calibration test for electronic Control Diesel Engine with Variable Geometry Turbocharger， The calibration principles and methods for different speed regions are proposed.The engine full load test was carried out with the calibrated map control system. The test results show that the engine performance calibrated on altitude can meet the requirements of mechanical limit and the dynamic performance，which meet the test target expectation.

Key Words： Desiel; Variable Geometry Turbocharger（VGT）; Altitude Calibration " "Method

引 " "言

高原標定是發動機開發中必不可少的環節。高原地區空氣稀薄，隨著海拔的增加空氣密度對應降低，導致發動機進氣量減少，發動機燃燒變差，發動機性能和排放表現與平原產生明顯差異。目前，國內外提高柴油機高原環境適應性的研究工作中，增壓技術是最重要的技術手段之一。當海拔上升到一定高度后，受壓氣機喘振、增壓器超速以及聯合運行點等的限制，傳統的排氣旁通式渦輪增壓器的進氣補償作用將不足以彌補因大氣壓力和密度的大幅下降而帶來的進氣量降低，因而柴油機的高原性能也受到一定的影響。為恢復柴油機的高原性能，需要采用更加先進的高增壓技術，如可變渦輪增壓技術。

本文介紹的噴嘴環式可變截面增壓器，相對于其他可變截面增壓器，其優點是調節范圍廣，響應速度快，結構簡單，可靠性高。該增壓器的核心結構部分是可調的渦流截面噴嘴環（如圖1），其位置的變化是通過ECU控制噴嘴環的軸向移動進行調整，可有效的改進發動機進氣量，提升發動機的各項性能表現。張海雷等人[1-2]對匹配 VGT 柴油機進行了不同海拔性能仿真研究，結果表明：同固定截面渦輪增壓器的柴油機相比，匹配 VGT 的柴油機能夠明顯改善柴油機在高海拔地區性能下降的問題。楊殿勇等人[3]在高原地區與平原地區上，對搭載了 VGT 柴油機的客車進行了起動、起步加速、換擋加速及減速等變工況下的瞬態整車動力性能試驗研究。楊永忠等人[4]對搭載了可變噴嘴渦輪增壓器的柴油機在高原地區的性能與排放的影響進行了研究，分析了VGT對排放的影響。文萬斌等人[5]運用仿真方法對高原環境下排氣再循環（EGR）與 VGT柴油機性能的影響進行了研究。搭載VGT的發動機在高原地區同樣會出現不同程度的性能衰減，通過對VGT的高原標定方法進行系統研究，可以為高原地區電控柴油機與VGT的匹配控制提供一定指導。

2 " "試驗裝置及邊界條件

2.1 " 試驗樣品

本試驗采用的是某型柴油發動機，該發動機采用了霍爾塞特VGT增壓器，發動機主要技術參數見表1：

2.2 " 試驗設備

本次高原試驗在移動式高原發動機臺架中進行，車輛將臺架移動至相應的海拔地段后，對發動機進行實時在線標定。試驗設備主要有CW150B電渦流測功機、FST-Open發動機臺架測控系統、CMFD015智能油耗儀、ToCeil空氣流量計、ACLDi不透光煙度計。使用標定軟件對發動機進行在線數據修改，試驗系統見圖2：

2.3 " 邊界條件

2.3.1 海拔范圍

根據我國汽車公路的分布情況，汽車在高原行駛的海拔范圍主要集中在4900m以下。實踐證明，海拔1700m以下的發動機性能表現未見明顯衰減，故不對海拔1700m以下做高原標定要求。根據工程經驗，結合高原環境的特點在1700m～4900m之間選取6個海拔點進行標定，其他海拔的標定采用插值法完成[6]。

2.3.2機械限值范圍

機械限值范圍。在高原環境中發動機不僅僅會出現功扭降低，而且會表現出各種機械限值超限，影響發動機的可靠性和壽命。根據發動機各零部件的性能參數以及工程經驗[7]，本次試驗中發動機在標定時需要滿足以下參數的機械限值：增壓器轉速lt;150000r/min、壓氣機端出口溫度lt;230℃，渦輪機端入口溫度lt;760℃，缸內最大壓力lt;180bar，煙度lt;30%等。通常發動機的外特性為各項機械限值參數的最大極限，因此完成外特性各項參數的標定，即能滿足部分負荷工況限值要求。

3 " " 標定方法

3.1 " VGT的進氣特性

發動機搭載的霍爾塞特VGT增壓器主要通過控制電控系統對噴嘴環進行控制，通過修改噴嘴環的關度標定map實現不同的噴嘴環關度。對于VGT的噴嘴環關度定義，0%表示全開，100%表示全關。VGT增壓器通過改變VGT關度，進而改變增壓器的進氣截面，影響發動機的進、排氣，達到改變發動機性能的目的。因此對兩者之間的相關性進行研究能為標定方法提供良好的指導。

1）可變截面增壓器VGT噴嘴環位置與進氣量關系。

選定一個柴油機典型運行工況點，即中速1400r/min（最大扭矩工況點）進行分析。不同的VGT關度對進氣量的影響（如圖3，圖4）。隨著VGT關度增大，排氣壓力增大，進氣量也會隨之變大，但VGT進氣量跟VGT關度并非絕對的線性關系，在排氣壓力大到一定程度下，進氣量呈減少趨勢。

2）可變截面增壓器VGT噴嘴環位置與進、排氣壓力關系。

通過數據分析，發現VGT的噴嘴位置移動對進氣壓力、排氣壓力的影響，兩者的影響與進氣量呈現一一對應的關系（如圖5）：噴嘴環位移超過限值時，繼續減小噴嘴環位移（噴嘴環關度增大），排氣壓力明顯增加，而進氣壓力并未明顯增大，繼續改變位移達到一定程度，進氣壓力衰減明顯，密度不變的情況下進氣量對應急劇減少，此時進氣壓力與排氣壓力之間的壓差值增大，且與排氣壓力呈正比關系。當VGT關度（噴嘴環位移增大）放開至一定的限值，進氣壓力與排氣壓力之間的壓差值減小，VGT的關度對進氣量的影響較小。

VGT的關度在限值范圍外，進氣壓力和排氣壓力之間的壓差增加，進氣量減少;VGT的關度在限制范圍內，進氣和排氣壓力之間的壓差小，進氣量與VGT噴嘴環關度呈線性關系。

根據以上得出VGT噴嘴關度與進氣和排氣的關系，發現VGT增壓器對進氣量效率的提升是有一定范圍的。雖然VGT可以通過改變噴嘴環位移實現在低速區比普通WG更小的流通面積，但是VGT的特性是當關度超過一定范圍時，渦輪效率反而更低。因此當前VGT側重于大渦殼選型時，其在低速區的效率與期望有差距，無法實現更好的低速性能。

低速區時廢氣能量很低，通過改變流通截面積會帶來一定程度的進氣量提升，但是效果不是很明顯，煙度反而會成倍上升（如圖6）。因此，對于低速區，不建議調整VGT最大關度，一方面調整效果不明顯，另一方面需要重新驗證平原機械限值超限和瞬態響應。

3.2 " 標定方法

VGT MAP標定內容主要包括VGT的進氣量MAP、VGT的關度MAP和高原噴油量MAP。由于發動機許多基本參數都受到冷卻水溫修正的影響，標定試驗前需要充分熱機，即水溫保持88℃，機油溫保持95℃。標定過程中對高速區、中速區和低速區采用不同標定方法進行。

試驗測試的工況點選取：發動機轉速限定900r/min～2600r/min，油門設定100%，轉速間隔100r/min選取工況點;分別在各海拔點進行外特性試驗，并記錄每個工況點的動力性、經濟性、機械限值和煙度等數值。

3.2.1 高速區基本MAP標定

本次試驗用柴油機轉速在2000r/min以上時，發動機即進入高轉速工況，此時增壓器的轉速及熱負荷容易超出限值，進氣密度下降對動力輸出影響較為明顯。標定時要先滿足增壓器轉速和渦輪端入口溫度要求，再提升發動機扭矩。

試驗時首先使發動機在額定轉速，100%油門工況下穩定運轉，然后觀察發動機的扭矩、渦輪增壓器轉速、渦輪入口溫度、增壓器壓氣機入口溫度，煙度等參數是否超限。針對渦輪增壓器轉速超限，通過高原油量限制表調整高原噴油量，減少供油，使增壓器轉速在限值范圍內。然后繼續觀察渦輪入口溫度、壓氣機入口溫度。如果超出限值，繼續調整噴油量，此時增壓器轉速若還有一定余量，可以調整VGT關度表，增加進氣量。最后再進行供油提前角和噴油量的微調，在滿足缸內最大壓力限值要求的前提下，得到該轉速下扭矩的最大值即為最佳值。采用相同的方法對高速區其他轉速點依次進行標定，各海拔的標定類似，以獲取高速區標定MAP圖。

此外，高速區經常會出一哨叫聲問題。分析發現，異常哨叫聲產生的原因是發動機ECU根據傳感器測量值計算得出的進氣量與VGT中進氣量命令值不一致，導致VGT的噴嘴環反復調整所致，此時需要對發動機VGT中進氣量MAP進行標定，使VGT進氣標定量與發動機實際測量值一致即可。

3.2.2 中速區MAP標定

該機型的中速區范圍約在1200r/min～1900r/min，其受到機械限值和VGT關度影響小，主要保證動力輸出，同時獲得最低的燃油消耗率。標定時首先提升發動機扭矩，再根據機械限值情況進行適當調整。

試驗時在每個工況點（轉速和油門）下，按照最大扭矩原則，調整高原油量限制表，即放大高原油量限制，增加噴油量，將扭矩提升至目標值，然后觀察機械限值是否超限，檢查增壓器渦輪轉速、渦輪入口溫度、增壓器壓氣機入口溫度、缸內最大壓力，若超出范圍可減少噴油量，最后各工況點在滿足機械限值要求的前提下進行噴油量和供油提前角調整，找到每個工況點的燃料消耗最低時對應對的標定值即為最佳值，采用相同的方法對中速區其他轉速點依次進行標定，各海拔的標定類似，獲得中速區的標定MAP。

3.2.3 低速區MAP標定

在1200r/min以下的低速區，機械限值非主要限制因素，但發動機容易出現喘振。標定時首先解決發動機喘振問題，再提升發動機扭矩。

發動機高原出現喘振的原因是VGT的關度短時間過大，增壓器的進氣量短時間內大量減少，導致渦輪增壓器容易進入喘振邊界或者喘振區，需要對VGT的最大關度進行標定。試驗時在每個工況點（轉速和油門）下，按照防止喘振優先和最大扭矩的原則，對發動機的噴油量和VGT關度進行調整，對于發生喘振的工況點，首先調整VGT關度，即放大VGT關度，然后減少噴油量，消除喘振現象，再微調噴油量和供油提前角，使扭矩達到最大值。采用相同的方法低速區其他轉速點依次進行標定，各海拔的標定類似，獲得低速區的標定MAP。

以上為根據不同的轉速區對發動機動力性、經濟性和機械限值的要求綜合考慮并兼顧全工況的平順性原則，對基本的VGT MAP進行標定，得到的最佳噴油量MAP、VGT進氣量MAP、VGT關度MAP分別如圖7、圖8和圖9所示：

3.3 " 標定后性能驗證

經高原標定后，在不同海拔點柴油機外特性數據與其在平原的外特性數據進行對比，結果如圖10、圖11所示。經過高原標定后柴油機的動力性較標定前有明顯改善，其中在最大扭矩區間發動機扭矩平均提高5.0%，最大功率平均提高12%。雖然在高速區和低速區的動力呈現不同程度的衰減，但基本滿足標定期望。

4 " "結論

a）在每個海拔點對發動機的外特性進行標定時，轉速范圍不同，標定的方法不同：高速區標定主要目的是保證發動機機械限值不超限;中速區標定主要目的是保證扭矩提升;低速區的標定主要目的是消除喘振，并提升扭矩。

b）完成各海拔點標定前后的外特性試驗。標定后發動機扭矩平均提高5.0%，最大功率平均提高12%，動力水平基本滿足預期要求。機械限值處理限值范圍以內，驗證了高原標定方法的合理性。

c）對VGT增壓器進氣和排氣特點進行了研究。發現VGT增壓器的噴嘴位置變化與進氣效率并非線性關系，與排氣壓力呈線性關系;VGT增壓器在一定范圍內對進氣效率提升作用明顯。

參考文獻：

[1]ZHANG H， ZHUGE W， ZHANG Y， et al. Study of the Control Strategy of the Plateau Self-adapted Turbocharg-ing System for Diesel Engine[R]. SAE Technical Paper，2008，2008-01-1636.

[2]張海雷. 柴油機變海拔渦輪增壓技術研究[D]. 北京： 清華大學，2008.

[3]楊殿勇，王忠，歷寶錄等. VNT 增壓柴油機與整車速度瞬態響應的試驗分析[J]. 車用發動機， 2005（5）： 41- 44.

[4]楊永忠，申立中，畢玉華等. 可變噴嘴渦輪增壓器（VNT）對高原地區車用柴油機性能與排放的影響研究[J].裝備環境工程，2017，17（10）： 6-11.

[5]文萬斌，劉少華，畢玉華等. 高原環境下EGR與VNT對柴油機性能影響的仿真研究[J]. 小型內燃機與車輛技術，2016，45（6）： 12-18.

[6]高原型柴油發動機在不同高原環境下的性能試驗分析[J]，肖俊，機電產品開發與創新，2020（4），82-83.

[7]毛安，整車標定高原試驗[J]，汽車工程師， 2016（6），43-45.

蔡成楊

畢業于福州大學，研究生學歷，現就職于襄陽達安汽車檢測中心有限公司檢測工程部發動機試驗室工作，職稱為工程師。

專家推薦語

龍永生

東風汽車集團有限公司技術中心

動力總成技術總工程師 研究員級高級工程師

本文對搭載可變截面增壓器的電控柴油機在高原移動臺架上進行了高原工作條件確定和優化標定試驗，提出了針對不同轉速區域的標定原則和方法，并用標定后的MAP控制發動機進行了臺架性能試驗，結果表明標定后發動機扭矩平均提高5.0%，最大功率平均提高12%，動力水平基本滿足預期要求;同時對VGT增壓器進氣和排氣特點進行了研究，發現VGT增壓器的噴嘴位置變化與進氣效率并非線性關系，與排氣壓力呈線性關系，VGT增壓器在一定范圍內對進氣效率提升作用明顯。

隨著2019年7月第六階段排放法規的實施，監管開始關注高原排放的優化及控制技術;我國下階段排放法規研究也在制定過程中，并明確表示將導入高原排放限值及導入監管范圍。高原地區空氣稀薄，隨著海拔的增加空氣密度對應降低，導致發動機進氣量減少，發動機燃燒變差，發動機性能和排放表現與平原產生明顯差異。

文中介紹到的高原VGT進氣特性，試驗測試的工況點選取等高原環境的標定優化方法，對優化高原排放具有比較好的參考意義。