王元真 徐一凡 陳雄 姜江 張磊

摘 ?要：柴油機(jī)與渦輪增壓器之間的匹配影響發(fā)動機(jī)性能。本文制定了一種國六發(fā)動機(jī)增壓器選型試驗(yàn)方法，按照動力性、邊界條件、排放、經(jīng)濟(jì)性依次進(jìn)行判斷篩選增壓器，當(dāng)增壓器不能滿足優(yōu)先度較高要求時(shí)，不再對該增壓器進(jìn)行后續(xù)比較。通過試驗(yàn)，從參與選型的4臺增壓器中選擇出了最適宜發(fā)動機(jī)的增壓器，滿足發(fā)動機(jī)性能需求;提高了增壓器選型與匹配的選優(yōu)試驗(yàn)效率。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);國VI;增壓器;選型

中圖分類號：U464 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）02-0043-04

Experimental Turbocharger Selection on China

VI Diesel Engine

WANG Yuan-zhen， XU Yi-fan， CHEN Xiong， JIANG Jiang， ZHANG Lei

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technology Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The matching between diesel engine and turbocharger affects engine performance. In this paper， a experiment method for the selection of turbochargers for the engine meeting China VI vehicle emission standards is developed， which is judged and selected according to power performance， boundary conditions， emissions， and economy. When the turbocharger cannot meet the higher priority requirements， it will no longer be used to make subsequent comparisons with this supercharger. Through the test， the most suitable turbocharger for the engine was selected from the 4 turbochargers that participated in the selection to meet the engine performance requirements; the efficiency of the selection and matching of the turbocharger was improved.

Key Words： Diesel Engine; China VI Vehicle Emission Standards; Turbocharger; Match

隨著能源短缺以及環(huán)境惡化問題的日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)動力清掃車經(jīng)濟(jì)性差、排放性差、噪聲高等缺點(diǎn)成為其發(fā)展的瓶頸，節(jié)能環(huán)保型清掃車的發(fā)展尤為重要[1-2] 。

1 ? ?引言

柴油機(jī)因?yàn)槠涑錾膭恿π院土己玫娜加徒?jīng)濟(jì)性，在物流運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程機(jī)械以及軍用動力等方面發(fā)揮了重要的作用[1]。發(fā)動機(jī)與渦輪增壓器之間的匹配直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)性能[2]，因此，針對不同工作狀態(tài)需求的發(fā)動機(jī)，有必要進(jìn)行增壓器匹配工作，以滿足其使用需求。

吳君華等人[3]基于柴油機(jī)試驗(yàn)平臺進(jìn)行了可變噴嘴增壓器的匹配試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)該增壓器降低了排氣煙度，提高了發(fā)動機(jī)外特性的低速轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)大了低油耗區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍，改善了整機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

倪計(jì)民等人[4]應(yīng)用GT-power建立了加裝渦輪增壓器之后的發(fā)動機(jī)模型，分別進(jìn)行了平原、高原環(huán)境下的發(fā)動機(jī)的匹配計(jì)算和性能預(yù)測。

王金環(huán)[5]基于某濰柴發(fā)動機(jī)試驗(yàn)平臺，從已知的發(fā)動機(jī)有害排放物生成機(jī)理出發(fā)，研究了增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配關(guān)系，根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行線選擇合適的增壓器。

劉廷等人[6]運(yùn)用GEM3D工具離散化的方法建立了發(fā)動機(jī)GT-power仿真模型，對增壓發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火提前角進(jìn)行了優(yōu)化，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。

上述學(xué)者對增壓器選型與匹配提出了有效的試驗(yàn)與仿真方法，在動力性、排放、燃油經(jīng)濟(jì)性等因素中進(jìn)行了單一或若干因素的等重要性研究。而在實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用中，發(fā)動機(jī)的動力性是使用者的首要需求;其次，隨著排放要求的日益提高，目前只有符合國VI標(biāo)準(zhǔn)的車輛才能投入市場使用[7];最后，在滿足使用者動力需求和排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，還應(yīng)對燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化，提高增壓器與柴油機(jī)匹配使用性能。

實(shí)際需求表明，增壓器對于動力性、排放、燃油經(jīng)濟(jì)性等因素的要求難以同時(shí)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，匹配過程中需進(jìn)行權(quán)重平衡。例如在特殊路況下為了達(dá)到動力性指標(biāo)，排放和燃油經(jīng)濟(jì)性可能根據(jù)實(shí)際情況略有損失。因此，在下文中的增壓器選型研究中，將基于以上基本原則，首先對動力性進(jìn)行判斷，再對排放、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行驗(yàn)證，依次進(jìn)行試驗(yàn)及分析，在優(yōu)先級較高的指標(biāo)無法滿足時(shí)，不再進(jìn)行優(yōu)先級較低的對比，減少不必要的試驗(yàn)和比較次數(shù)。為達(dá)成某柴油機(jī)性能開發(fā)要求，本次共有4臺增壓器樣品參與選型，最終通過選型試驗(yàn)確認(rèn)出該機(jī)型匹配的最優(yōu)增壓器。

2 ? ?發(fā)動機(jī)類型

本試驗(yàn)使用的發(fā)動機(jī)類型如表1所示。

3 ? ?試驗(yàn)流程

1. 在試驗(yàn)開始前，檢查并確認(rèn)發(fā)動機(jī)及主要零部件的狀態(tài)正常，無異常及損壞;

2.針對所需進(jìn)行試驗(yàn)的發(fā)動機(jī)，確認(rèn)并記錄刷寫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.運(yùn)行發(fā)動機(jī)，確認(rèn)發(fā)動機(jī)原機(jī)狀態(tài)是否正常。

4.確認(rèn)發(fā)動機(jī)原機(jī)狀態(tài)正常后，更換A增壓器，更換前確認(rèn)增壓器樣機(jī)狀態(tài)，本試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍2400r/min～800r/min，以100r/min為步長進(jìn)行外特性試驗(yàn);采用原機(jī)部分特征工況點(diǎn)進(jìn)行性能排放測試;測試結(jié)束后，依次進(jìn)行B、C、D增壓器的選型試驗(yàn)。

4 ? ?試驗(yàn)結(jié)果

4.1 ? 增壓器動力性及邊界驗(yàn)證

4.1.1 發(fā)動機(jī)外特性-扭矩

發(fā)動機(jī)匹配各型號增壓器外特性-扭矩試驗(yàn)如圖1所示，動力性是使用者的首要需求，因此，首先需要對各增壓器進(jìn)行扭矩標(biāo)定。通過改變噴油量，將增壓器匹配下的發(fā)動機(jī)輸出扭矩調(diào)整至外特性動力指標(biāo)需求扭矩[8]。從圖中可以看出，在不觸發(fā)冒煙油量限制的情況下，發(fā)動機(jī)匹配各增壓器時(shí)，輸出扭矩均能滿足扭矩指標(biāo)要求。

4.1.2 發(fā)動機(jī)外特性-爆壓

發(fā)動機(jī)爆壓影響其可靠性，其最大值存在一定的限制。該發(fā)動機(jī)匹配各型號增壓器的外特性-爆壓試驗(yàn)如圖2所示，在所有試驗(yàn)條件下，各型號增壓器爆壓均小于當(dāng)前機(jī)型的設(shè)計(jì)限制指標(biāo)的210bar，因此均滿足設(shè)計(jì)邊界要求。同時(shí)由于在測試過程中使用的是同樣的發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)，僅在外特性循環(huán)供油量的控制上存在差異，而主噴正時(shí)均相同，發(fā)動機(jī)爆壓上的差距主要是來自于發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量差異，發(fā)動機(jī)匹配B增壓器時(shí)，整體爆壓較高，因此B增壓器的增壓能力較強(qiáng)。

4.1.3 發(fā)動機(jī)外特性-增壓器轉(zhuǎn)速

發(fā)動機(jī)匹配各型號增壓器的外特性-增壓器轉(zhuǎn)速試驗(yàn)如圖3所示，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于800r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，B增壓器的轉(zhuǎn)速高于其他增壓器;當(dāng)發(fā)動機(jī)處于900-2400r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，A增壓器的轉(zhuǎn)速高于其他增壓器?？紤]到車輛在高原工況下，最高增壓器轉(zhuǎn)速會高于平原工況下的最高增壓器轉(zhuǎn)速。因此在平原測試時(shí)，應(yīng)留出10%的增壓器轉(zhuǎn)速余量以避免高原時(shí)增壓器的超速風(fēng)險(xiǎn)，故在幾臺增壓器的最高轉(zhuǎn)速限值均為140krpm的情況下，排除A增壓器。

4.1.4 發(fā)動機(jī)外特性-渦前溫度

發(fā)動機(jī)匹配各型號增壓器的外特性-渦前溫度試驗(yàn)如圖4所示，從圖中可以看出，D增壓器的渦前溫度整體最高，并且在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1700rpm時(shí)，渦前溫度達(dá)到了702℃，高于其他增壓器。對于試驗(yàn)用的發(fā)動機(jī)，其最高許用的渦前溫度為760℃，考慮到山區(qū)和高原工況下的最高渦前溫度會高于平原工況，因此在進(jìn)行平原試驗(yàn)時(shí)應(yīng)留有10%的溫度余量，將最高渦前溫度控制在700℃以下，故排除D增壓器。同時(shí)B增壓器的渦前溫度整體最低，為運(yùn)行過程中增壓器留下了更多升溫空間，也有利于排氣歧管和周圍附件的可靠性，故此項(xiàng)性能較優(yōu)。

4.2 ? 排放、經(jīng)濟(jì)性權(quán)衡試驗(yàn)結(jié)果

ESC循環(huán)的A75工況點(diǎn)是所有標(biāo)準(zhǔn)工況點(diǎn)中最能夠代表發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的特征工況點(diǎn)。因此在此次選型試驗(yàn)中，僅選擇該工況點(diǎn)進(jìn)行排放、經(jīng)濟(jì)性權(quán)衡試驗(yàn)，以在簡化試驗(yàn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)增壓器選型目的。

在本次排放、經(jīng)濟(jì)性權(quán)衡試驗(yàn)中，分別選用兩個(gè)軌壓，三個(gè)EGR閥開度和4個(gè)主噴正時(shí)進(jìn)行正交，得到共24個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行測試。圖5為160MPa軌壓條件下的測試結(jié)果，可以看出，B增壓器在軌壓為160MPa的情況下，經(jīng)濟(jì)性和NOx排放上均優(yōu)于C增壓器。

圖6為150MPa的油軌壓力條件下的測試結(jié)果，從圖中可以看出，B增壓器經(jīng) 濟(jì)性和NOx排放上均優(yōu)于C增壓器，與160MPa的油軌壓力條件下的表現(xiàn)一致。因此B增壓器在A75點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)性和排放性均優(yōu)于C增壓器，進(jìn)而認(rèn)定B增壓器能夠更好的匹配當(dāng)前發(fā)動機(jī)。

5 ? ?結(jié)論

本文基于使用者動力需求和排放標(biāo)準(zhǔn)以及生產(chǎn)要求，制定了動力性、邊界條件、排放、經(jīng)濟(jì)性的試驗(yàn)順序依次篩選增壓器，提高了增壓器選型與匹配的試驗(yàn)和選優(yōu)效率。通過比較四款不同增壓器應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的性能，最終優(yōu)選出B方案為該機(jī)型最優(yōu)增壓器。

參考文獻(xiàn)：

[1]何旭，徐一凡，王路，徐雨軒，周揚(yáng)，劉福水.柴油溫度對燃燒火焰溫度和碳煙生成的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2021，39（02）：97-105.

[2]蔣德明.內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 1986.

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[5]王金環(huán). 國四柴油機(jī)EGR系統(tǒng)和增壓器匹配研究[D].天津大學(xué)，2017.

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[8]黃碩. 東風(fēng)某柴油機(jī)增壓器選型與匹配試驗(yàn)研究[J]. 汽車工藝師，2015，000（008）：46-49.

王元真

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)能源動力工程學(xué)院，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，任責(zé)任工程師，主要研究發(fā)動機(jī)性能標(biāo)定優(yōu)化和臺架試驗(yàn)方法，已發(fā)表論文《船舶柴油機(jī)主動隔震監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》。

專家推薦語

蔡文新

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

動力總成專業(yè)總工程師 ?研究員級高級工程師

本文論述簡潔，觀點(diǎn)清晰，論點(diǎn)準(zhǔn)確，科學(xué)性較好;論文論述文字流暢，條理清楚，合乎邏輯，可讀性極強(qiáng);文中內(nèi)容有較好的理論價(jià)值、實(shí)用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對增壓器匹配工作做了較好的總結(jié)，對工程師實(shí)際工作有很好的幫助。