基于GT-POWER的可变喷嘴涡轮增压器匹配分析

张莉莉，付 翀，王彦龙

(1.西安工程大学,西安,710048；2.西安航空职业技术学院,西安,710089)

基于GT-POWER的可变喷嘴涡轮增压器匹配分析

张莉莉1,2，付 翀1，王彦龙1

(1.西安工程大学,西安,710048；2.西安航空职业技术学院,西安,710089)

利用GT-POWER软件仿真软件,建立某可变喷嘴涡轮增压柴油机的仿真模型,通过比较两款可变喷嘴涡轮增压器(VNT)与发动机的联合运行曲线，选择最优的涡轮增压器。通过研究增压器的增压压力、压气机效率，柴油机扭矩、有效燃油消耗率与VNT开度变化的趋势，分析了VNT开度对发动机性能的动力性，经济性的影响，以便为增压系统设计提供依据。

柴油机；可变喷嘴涡轮增压器(VNT)；匹配

0 前言

随着国家对汽车节能和排放要求的逐步提高，涡轮增压技术已成为提高发动机功率和扭矩、降低油耗、满足排放标准要求的一种有效技术。然而，传统的涡轮增压器存在“涡轮迟滞”现象，无法兼顾低速和高速的动力要求。可变喷嘴涡轮增压器（VNT）可以解决传统增压器自身的一些缺点。可变喷嘴涡轮增压器（VNT）通过改变喷嘴截面积可以实现不同的增压比。采用该技术后柴油机的低速扭矩、油耗与采用普通增压器的柴油机相比均有很大改善。随着车用柴油机性能的逐步提高和完善，可变喷嘴涡轮增压器（VNT）将越来越多地应用到车用柴油机上。

本文针对某可变喷嘴涡轮增压柴油发动机的前期开发，通过GT-POWER仿真软件的模拟计算，研究可变喷嘴涡轮增压器（VNT）与柴油发动机的匹配特性。

1 增压参数的计算

1.1 增压比

式中：WT为转子传到轴的功率；

1.2 压气机效率

式中：WKad为空气由

2 发动机仿真模型建立

2.1 发动机基本参数

本文所用的柴油发动机为国产某四缸四冲程水冷发动机，柴油发动机基本参数如表1所示。

表1 柴油发动机的基本参数

2.2 柴油发动机的仿真模型

柴油发动机的仿真通过GT-POWER软件建立的仿真模型实现的，将柴油机简化成由进气系统、排气系统、燃烧系统、增压系统、中冷器以及环境边界及相应连接管路等模型组成的计算模型。图1所示为柴油发动机模型。

3 涡轮增压器与发动机的匹配

研究过程中，选用了两款不同型号的可变喷嘴涡轮增压器（VNT），分别为1号增压器和2号增压器。将两种增压器参数带入仿真模型，进行模拟匹配计算，绘制柴油发动机与增压器的联合运行曲线。图2、图3分别为1号增压器和2号增压器与发动机的联合运行曲线。

采用1号增压器时，压气机的工作点都落在了喘振线里面，且有较大的喘振裕度。但是压气机的大部分工作点落在了效率较低的区域，而这部分工作点是柴油发动机的常用工作点，这将导致全工况内涡轮增压器的整体效率较低。

图1 柴油发动机仿真模型

图2 1号增压器与发动机联合运行曲线

图3 2号增压器与发动机联合运行曲线

采用2号增压器时，压气机的大部分工作点处在了高效率区，保证了增压器有较高的效率。压气机的工作点也都落在了喘振线内，柴油发动机在低速时离喘振线较近，喘振裕度较小，低速时发动机处于怠速状态，发动机负荷较小，所以也可不采取增压，怠速状态时间比较短，所以影响不大。

经过对比后发现，采用2号增压器既能保证发动机达到预期的性能指标，同时也能使增压器整个运行范围内具有较高的工作效率，与发动机的匹配效果较好，因此采用2号增压器。

4 VNT开度对发动机性能的影响

模拟计算时，将2号增压器与柴油机进行了匹配试验，改变VNT开度的大小，分析增压器的增压压力、压气机效率，柴油机的扭矩、有效燃油消耗率随VNT开度变化的规律。

从图4中可以看出，增压压力随VNT开度增大呈现下降的趋势。最高增压压力可以到达3.2bar左右，能够满足发动机增压压力要求。

图5为压气机效率随VNT开度的变化趋势，可以看出，转速在1000r/min时，压气机效率较低，是由于排气能量太少造成的。在其他转速范围内，增压器都可以通过调节VNT开度达到较高的压气机效率，发动机转速在2500r/min和3000r/min时，VNT开度为0.8 左右，其效率可高达77.5%。这就保证了发动机在多数使用工况的转速下能达到最高的效率，表明压气机和发动机匹配效果良好。

图4 增压压力随VNT开度的变化趋势

图6 扭矩随VNT开度的变化趋势

图7 有效燃油消耗率随VNT开度的变化趋势

图6为发动机的扭矩随VNT开度的变化趋势，反映VNT对发动机动力性的影响。从图中可以看出，发动机转速较低时，扭矩随着VNT开度的增大而减小，这是因为在转速较低时，发动机的排气能量较小，需要以最小的VNT开度，来得到高的增压压力，以提高低速时的扭矩；发动机在中高转速时，扭矩随VNT开度变化趋势比较平缓，但总体趋势是随着VNT开度先增大后减小，各转速下都有一个最大的峰值扭矩。

图7为有效燃油消耗率随VNT开度的变化趋势，反映了VNT开度对发动机经济性的影响。在低速区，有效燃油消耗率基本上不随VNT开度的变化而变化。这是因为在低转速时，发动机排气能量不够，相当于没有增压，其有效燃油消耗率也就与VNT开度几乎无关。而整体趋势来看，最低的有效燃油消耗率出现在中等转速，如图中VNT开度在0.3以下的 2000r/min和VNT开度在0.3以上的2500r/min。这符合发动机在中等转速时有最佳的燃油经济性的特性。

5 结论

研究表明，通过GT-POWER软件建立柴油发动机的仿真模型，通过比较不同可变喷嘴涡轮增压器（VNT）与发动机的联合运行曲线，可以选择出工作效率较高的涡轮增压器。通过研究增压器的增压压力、压气机效率，柴油发动机的扭矩、有效燃油消耗率随VNT开度变化的趋势，得出：低转速时，需要较小的VNT开度，以提高低速转矩；高转速时，需要较大的VNT开度，以降低膨胀比使排气畅通进气顺畅，提高发动机的经济性的规律。

[1] 尹凌.基于VGT技术的乘用车柴油机性能提高分析及其优化研究[D].湖南大学硕士学位论文.2012.

[2] 林磊.可变喷嘴涡轮增压器(VNT)与柴油机的匹配及其控制的研究[D].北京交通大学硕士学位论文.2010.

[3] 张小红，李冲霄.可变涡轮增压器的模拟研究[J].上海汽车，2009（11）：11-13.

Study on the Matching of Variable Nozzle Turbocharger Based on GT-POWER Simulation

Zhang Lili1,2，Fu Chong1，Wang Yanlong1
（1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048; 2.Xi 'an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi'an 710089）

Using GT-POWER software simulation software,the establishment of a simulation model of variable nozzle turbocharged diesel engine,by comparing the two variable nozzle turbocharger(VNT)and the joint operation curve of engine,select the most optimal turbochargers.Through the study of charging pressure and compressor efficiency,supercharger diesel engine torque and fuel consumption rate and the opening of the VNT change tendency,analyzes the VNT opening on engine performance,the performance of the influence of the economy,in order to provide the basis for pressurization system design.

Diesel Engine；Variable Nozzle Turbocharger；Matching

张莉莉（1975-），女，西安工程大学硕士研究生，西安航空职业技术学院讲师，主要研究方向：车辆设计。