匹配VGT柴油机的热力参数特性与性能模拟

付锦云

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050）

涡轮增压技术可有效地提高动力性、改善燃烧、提高经济性、减少废气中的HC、CO 及C粒和降低噪声。车用柴油机由于工况范围宽，导致废气涡轮增压器与发动机匹配产生矛盾，而VGT技术有效解决了这一矛盾，是改善废气涡轮增压器与车用柴油机匹配性能较理想的方案［1-4］。

世界上有各种涡轮特性调节机构，诸如转叶式、舌形挡板式、可变喉口式等，其差别在于起作用的部位不同，对涡轮工作的热效率影响不同。最常见可变几何涡轮增压器包含：变喉口增压器、舌形挡板增压器和可变喷嘴环增压器（VNT）［5-7］。

本文首先介绍了VGT 的工作原理和优点，然后从匹配要求和VGT 叶片转动的参数特性两方面对其与油机匹配进行了热力建模，最后给出了叶片转角与发动机油门开度和发动机转速的变化，以及增压比随发动机转速变化的模拟结果，并且进行了简要分析。

1 VGT 的工作原理与优点

采用VGT 技术的涡轮增压系统的核心是导流叶片，其作用是调节涡轮截面。从图1中可以看出，在涡轮的外侧，增加了一圈导流叶片，导流叶片的相对位置是固定的，但是叶片角度可以电控系统控制和调整。在系统工作时，废气顺着导流叶片流到涡轮叶片上，通过叶片角度的调整，达到控制流经涡轮叶片气体的流量和流速，进而控制涡轮转速的目的。

图1 采用VGT 技术的涡轮增压系统

在发动机低转速运转时，排气压力低，导流叶片打开较小的角度，使得导入涡轮处的空气流速加快，进而增加涡轮处的压力，顺利推动涡轮转动，有效的减轻了涡轮迟滞的现象，改善了发动机低速运转时的响应速度和加速性能。

随着发动机转速的上升，排气的压力逐渐增大，叶片打开的角度随之逐渐增加，在发动机全负荷运转时，叶片保持全开，减小了排气背压，达到了良好的增压效果。而且由于叶片角度的改变能够有效的控制涡轮的转速，故而同时实现了对涡轮的过载保护。

采用VGT 的目的有三个方面：（1）、在发动机低速运转时有较高的增压压力，进而产生较大的转矩；（2）、发动机在额定点附近运转时，涡轮增压压力不致过高，避免发动机过高的机械负荷和涡轮增压器的超速.；（3）、发动机部分负荷时，通过可变截面涡轮增压，改善发动机的性能。通过涡轮增压器的调节改善增压器与发动机之间的匹配，从而达到改善车用增压发动机转矩特性的目的。可变截面涡轮增压与电控技术相结合后，可实现发动机运转全工况范围内发动机与增压器的最佳匹配，达到发动机性能全面优化的目的。VGT 可变截面涡轮增压器只能通过改变排气入口的横切面积来改变涡轮的特性，但是涡轮的尺寸并不会发生变化。

2 VGT柴油机的热力性能参数分析

2.1 匹配性能要求

（1）要使得在同一膨胀比变化率下，涡轮流量范围更广，则VGT 涡轮的流量特性曲线的工作段应尽量平坦。

（2）在涡轮改变截面后，要想保持较高的涡轮效率，则VGT 涡轮的效率特性曲线的高效率区应尽量平缓和范围宽。

（3）要使得VGT 涡轮有足够的流量范围，也就是涡轮的最大流通特性比发动机的最大耗气特性大，涡轮的最小流通特性比在最大转矩转速下发动机的耗气特性小，并尽量保持较高的效率，才能通过减小涡轮截面的方法来提高加速时的响应。

2.2 VGT 叶片转动的参数特性

（1）喷嘴环出口面积An：

其中：d 为喷嘴叶片间垂直距离；bn为叶片宽度；N 为喷嘴叶片数。

涡轮的相似流量计算公式为［2］：

上式中：A 为当量面积；An、AT分别为喷嘴环出口和叶轮出口喉部面积；π=p＊／p2为级膨胀比，p2为叶轮出口处的压力；μ 为流量系数；ρ为反动度；ρ1、ρ2 分别为喷嘴环出口和叶轮出口的工质密度HST；为涡轮级等熵焓降；¯D2为涡轮叶轮出口直径比；G2m、D2、D0分别为涡轮叶轮出口的平均直径、外径、轮毂直径；其他速度参数的含义不再罗列。

压气机的绝热压缩功Hc：

式中：T1为压气机进口工质温度；π 为增压比。

压气机出口的工质温度：Tc

涡轮前的燃气平均滞止温度：T＊

式中：qw为冷却水带走的热量损失百分率；Hu为燃油低热值；φac为总过量空气系数；CPC为空气的定压比热容；CPT分别为空气和燃气的定压比热容。

压气机的耗功为：

涡轮膨胀产生的功率为：

注意：对于压气机与膨胀机工质分别对应空气与燃气，所以其物性参数分别使用空气与燃气的物性参数。

3 性能模拟与讨论

在过量空气系数一定（1.85）以及发动机转速一定时，图2给出了叶片转角随油门位置变化的模拟情况。在转速不变的情况下，叶片转角随负荷的增大而减小。在油门开度为50%以下时，若保持较小的过量空气系数，则叶片转角数值会较大，甚至有可能超出可调叶片所允许转动的角度。

过量空气系数一定时，图3给出了叶片转角随发动机转速变化的模拟情况，图4给出了增压比随发动机转速变化的模拟情况。从图中可以看出，当过量空气系数保持不变时，叶片转角会随发动机转速的增加而增大增压比也随之增大；在过量空气系数增大时，叶片转角应逐渐减小，过量空气系数随增压比的增大而增加。

图2 叶片转角随发动机油门位置开度变化的模拟情况

图3 在过量空气系数不同的情况下，叶片转角随转速变化的模拟情况

图4 不同过量空气系数时增压比随转速变化的模拟情况

4 结 语

VGT 是在发动机运行工况发生变化时，根据发动机运行工况的改变调整涡轮流通截面的增压器，该技术是改善废气涡轮，增压器与车用柴油机匹配性能较理想的方案，除了具备常规涡轮所具备有的流量特性和效率特性外，当涡轮喷嘴环的角度发生变化时，涡轮的流通面积也随之变化，进而改变了涡轮流量特性和效率特性。

1 蒋得明 内燃机的涡轮增压机械［M］.工业出版社，1986

2 朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器［M］.北京：机械工业出版社，1992

3 马朝臣.郭林福.径流式有叶涡轮流量特性预测及试验研究［J］.北京理工大学学报，2002（6）：24～29

4 宋雪桦等.基于分布式技术的VGT 和EGR 控制研究［J］.内燃机工程，2011（6）：30～38

5 王浒等.基于VGT 的EGR 对电控柴油机影响的试验研究［J］.内燃机学报，2009（2）：109～115

6 Steve A mold，Mark G roskreutz.Advanced Variable Geometry Turbocharger for Diesel Engine Applications［C］.SAE Paper 2002-01-161，2002.

7 Volker Mueller，Ralf Christmann，Stefan Muenz.System Structure and Controller Concept for an Advanced Turbocharger／EGR System for a Turbocharged Passenger Car Diesel Engine［C］.SAE Paper 2005-01-3888，2005.

8 吕伟.可调涡轮增压器（VGT）控制技术的研究［D］.北京：中国农业大学，2003

9 张哲，马朝臣.VGT 的发展及可调结构配合间隙优化方法的研究［J］.北京：车辆与动力技术，2005（2）