王磊 翁志勇 田洪明

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

滿足國Ⅵ排放法規(guī)的重型車用柴油機(jī)非對(duì)稱增壓器開發(fā)

王磊 翁志勇 田洪明

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

首先介紹實(shí)現(xiàn)國Ⅵ排放法規(guī)的技術(shù)路線，其次介紹非對(duì)稱增壓器的模型建立，最后詳細(xì)論述增壓器的選型開發(fā)。通過試驗(yàn)結(jié)果可知，非對(duì)稱增壓器方案相比VGT方案能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)空燃比和EGR率，并且泵氣損失最小。通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，識(shí)別出非對(duì)稱增壓器模擬技術(shù)的難點(diǎn)。

1 前言

自1960年代以來，重型柴油機(jī)就采用渦輪增壓技術(shù)以提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。2013年戴姆勒公司推出滿足歐Ⅵ排放法規(guī)的重型柴油機(jī)，利用非對(duì)稱增壓技術(shù)驅(qū)動(dòng)EGR。該技術(shù)相比可變?cè)鰤杭夹g(shù)不僅能滿足歐Ⅵ排放法規(guī)，而且可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和可靠性[1]。

2017年1月1日起全國實(shí)行國家第五階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。2016年10月環(huán)保部發(fā)布國Ⅵ排放法規(guī)征求意見稿，預(yù)計(jì)2020年1月1日起實(shí)行國Ⅵ排放法規(guī)。為了滿足國家排放法規(guī)的升級(jí)，本文通過對(duì)不同增壓器方案進(jìn)行模擬及試驗(yàn)，分析各增壓器方案與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配結(jié)果，識(shí)別方案的性能優(yōu)劣，為增壓器選型提供依據(jù)。同時(shí)為了降低開發(fā)成本，對(duì)非對(duì)稱增壓器的模擬技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，分析模擬方法的精度問題，并提出改進(jìn)意見。

2 技術(shù)路線

所選研究樣機(jī)是某13 L國Ⅴ柴油機(jī)最新一代重型柴油機(jī)平臺(tái)，該機(jī)型采用高爆發(fā)壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及輕量化設(shè)計(jì)、低微粒分布式燃燒系統(tǒng)、共軌噴油系統(tǒng)電子控制單元和氣驅(qū)尿素噴射系統(tǒng)等8項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，其參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能參數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)國Ⅵ排放法規(guī)，排放控制策略由燃燒方案配置、發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定策略和后處理這3個(gè)因素決定。根據(jù)國內(nèi)的油品、排放法規(guī)、市場(chǎng)以及用戶習(xí)慣等情況，將兩種不同的實(shí)現(xiàn)國Ⅵ排放法規(guī)的技術(shù)路線列于表2。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理的性能、特點(diǎn)，現(xiàn)階段重型柴油機(jī)平臺(tái)采用SCR+低EGR率方案比較合適。由于SCR中需要添加NH3，為了防止NH3逃逸，在SCR后還需要安裝NH3逃逸回收裝置。

表2 排放控制技術(shù)對(duì)比

為滿足國Ⅵ排放法規(guī)，發(fā)動(dòng)機(jī)不僅需要消耗燃油，還需要消耗尿素，所以發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合成本。圖1為考慮不同技術(shù)方案下發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合消耗對(duì)比，其中綜合油耗按照柴油與尿素價(jià)格1∶0.5計(jì)。針對(duì)該重型柴油機(jī)平臺(tái)，發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)NOx排放控制在5～7 g/（kW·h）是發(fā)動(dòng)機(jī)綜合成本最低的技術(shù)目標(biāo)。相比國Ⅴ燃燒系統(tǒng)，NOx排放降低30%，需要實(shí)現(xiàn)10%～15%的EGR率。

圖1 不同技術(shù)方案下發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合消耗對(duì)比

為了引入10%～15%EGR需要建立排進(jìn)氣壓差，可采用的技術(shù)方案包括可變?cè)鰤浩鳎╒GT）方案和非對(duì)稱增壓器（AWT）方案。VGT已經(jīng)在國內(nèi)外歐Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用，具有可調(diào)范圍廣、適應(yīng)性能好的優(yōu)點(diǎn)，但也有成本高、運(yùn)動(dòng)部件多等劣勢(shì)。AWT被大量應(yīng)用在戴姆勒奔馳重型柴油機(jī)平臺(tái)，其具有成本低、技術(shù)可靠，而且能夠產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)EGR的壓差，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器的匹配技術(shù)要求較高。AWT技術(shù)原理如圖2所示?？芍鰤浩鳒u輪為雙通道，兩個(gè)通道分別與1～3缸和4～6缸相連。其中與1～3缸相連的通道截面較小，能夠在渦前產(chǎn)生較大壓力以驅(qū)動(dòng)EGR。EGR取氣全部來自1～3缸的排氣，剩余的排氣用于驅(qū)動(dòng)渦輪。與4～6缸相連的通道截面較大，主要用于推動(dòng)渦輪做功，用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)壓縮進(jìn)氣[1]。

圖2 非對(duì)稱增壓器原理[1]

在性能設(shè)計(jì)階段，匹配國Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器方案有非對(duì)稱增壓器大、小流量兩個(gè)方案和VGT方案。小流量方案主要目的是適當(dāng)提高低速空燃比，但存在增壓器超速風(fēng)險(xiǎn)；大流量方案超速風(fēng)險(xiǎn)較小，但是低速空燃比不滿足要求；VGT方案在全部工況下具有可變性，其適應(yīng)性能較好。

3 模擬計(jì)算

利用模擬計(jì)算技術(shù)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)前對(duì)增壓器方案進(jìn)行預(yù)評(píng)估，可大幅節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)周期。預(yù)評(píng)估通常采用一維熱力學(xué)計(jì)算軟件（如GT-Suite）對(duì)各增壓器方案進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估內(nèi)容包括是否滿足空燃比和EGR率要求，同時(shí)保證增壓器具有足夠的喘振裕度和較小的超速風(fēng)險(xiǎn)。

由于EGR引入及排氣的波動(dòng)特性，同一時(shí)刻非對(duì)稱增壓器兩個(gè)通道之間的流量差異較大，而兩個(gè)通道之間流量比變化對(duì)增壓器性能影響較大[2]。因此，對(duì)模擬計(jì)算技術(shù)和增壓器測(cè)試都有更高要求。對(duì)模擬技術(shù)的要求是計(jì)算模型能考慮非對(duì)稱增壓器的技術(shù)特點(diǎn)，即能考慮同一循環(huán)下不同時(shí)刻兩個(gè)通道之間的流量變化過程，如何確定渦輪膨脹比和效率。對(duì)增壓器測(cè)試要求是能夠測(cè)量兩個(gè)通道在不同流量比下增壓器的MAP。

針對(duì)模擬技術(shù)，建立3個(gè)渦輪的增壓器模型，分別模擬小通道、大通道及兩個(gè)通道之間的竄氣過程，如圖3所示[2]。針對(duì)增壓器測(cè)試要求，增壓器測(cè)試至少需要3次，分別測(cè)量堵住大小流道測(cè)量渦輪MAP和大小流道同時(shí)流動(dòng)測(cè)量渦輪MAP。如果條件允許，可以測(cè)試兩個(gè)流道在不同流量比下的渦輪MAP。需要注意在大小流道同時(shí)流動(dòng)時(shí)，需要分別確定各個(gè)通道的MAP。計(jì)算過程中，模型實(shí)時(shí)根據(jù)渦輪兩個(gè)通道不同的流量比，通過插值的方式確定實(shí)時(shí)的渦輪MAP。

圖3 非對(duì)稱增壓器模型

VGT方案的模擬，由于渦輪入口為單通道，模擬的復(fù)雜性也不如非對(duì)稱增壓器方案。針對(duì)VGT增壓器模擬，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟。

評(píng)價(jià)或者選擇增壓器方案的準(zhǔn)則為在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空燃比和EGR率的前提下，盡量降低發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失；如果不能保證空燃比和EGR率，則要求保持原機(jī)NOx排放一致的前提下，盡量保證發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比與目標(biāo)一致。

針對(duì)這3個(gè)增壓器方案進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖4所示?？芍?，3個(gè)方案的空燃比和EGR率均能滿足目標(biāo)要求。另外，3個(gè)增壓器方案也不存在超速和喘振風(fēng)險(xiǎn)，所以該3個(gè)方案從計(jì)算結(jié)果上是滿足要求的。為了驗(yàn)證方案的可行性，將對(duì)該3個(gè)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，保證試驗(yàn)的邊界條件和環(huán)境一致（見表3），并按上文評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)各方案進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5為不同增壓器方案下發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比和EGR率試驗(yàn)值?？芍菍?duì)稱大流量方案可以很好滿足空燃比和EGR率的要求；VGT方案和非對(duì)稱小流量方案空燃比和EGR率都不能滿足目標(biāo)。VGT方案在發(fā)動(dòng)機(jī)低速區(qū)域由于效率太高，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)EGR率只能將VGT開度設(shè)得很小，造成空燃比高于目標(biāo)；在發(fā)動(dòng)機(jī)高速區(qū)域由于受增壓器轉(zhuǎn)速限制，只能將VGT開度設(shè)得很大，又導(dǎo)致空燃比低于目標(biāo)。非對(duì)稱小流量方案在發(fā)動(dòng)機(jī)低速區(qū)域由于效率太高以及渦輪流量小的原因，造成空燃比高于目標(biāo)，EGR率低于目標(biāo)；在發(fā)動(dòng)機(jī)額定點(diǎn)由于渦輪流量小導(dǎo)致渦前壓力高，為此只能增加EGR率以降低發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比。由于非對(duì)稱小流量方案可控因素較少，空燃比、EGR率以及原機(jī)NOx排放均沒有滿足要求。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)環(huán)境和邊界條件

圖5 不同增壓器方案下發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比和EGR率試驗(yàn)值

圖6為不同增壓器方案下發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失結(jié)果，用換氣階段平均有效壓力（PMEP）表示，其值越大則泵氣損失越小。發(fā)動(dòng)機(jī)中低速區(qū)域，非對(duì)稱增壓器方案泵氣損失明顯低于VGT方案，主要原因是非對(duì)稱增壓器方案只有1～3缸用于驅(qū)動(dòng)EGR，即1～3缸排氣壓力大于進(jìn)氣壓力，而4～6缸則相反。而VGT方案為了驅(qū)動(dòng)EGR，所有氣缸的排氣壓力均應(yīng)大于進(jìn)氣壓力。發(fā)動(dòng)機(jī)高速區(qū)域，由于非對(duì)稱增壓器小通道和大通道渦前壓力均很高，驅(qū)動(dòng)15%EGR率有很大富余；而VGT方案，具有可變特性，能夠盡量降低渦前壓力以降低驅(qū)動(dòng)EGR的富余。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)高速區(qū)域VGT方案具有更小的泵氣損失。由于整車常用區(qū)域?yàn)橹械娃D(zhuǎn)速，最終的開發(fā)結(jié)果選擇非對(duì)稱增壓器作為國Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器方案。

圖6 不同增壓器方案下發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失

利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)非對(duì)稱增壓器模型校正，為了滿足使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力溫度與試驗(yàn)結(jié)果吻合，對(duì)渦輪MAP進(jìn)行適當(dāng)縮放，縮放系數(shù)如圖7所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，縮放系數(shù)在0.95～1.05的范圍比較合理，說明此處的縮放不合理。校正顯示發(fā)動(dòng)機(jī)功率、比油耗、缸壓曲線、進(jìn)氣壓力溫度、空燃比、發(fā)動(dòng)機(jī)能量分布均與試驗(yàn)結(jié)果吻合，但是非對(duì)稱增壓器渦前壓力模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差別較大，如圖8所示。外特性工況下，校正模型計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)渦前壓力與試驗(yàn)渦前壓力最多相差40 kPa。圖7和圖8說明在非對(duì)稱增壓器渦輪的模擬精度方面存在問題，包括渦輪膨脹比及效率計(jì)算方面都存在問題。

由于EGR的引入及排氣的波動(dòng)特性，同一時(shí)刻非對(duì)稱增壓器兩個(gè)通道之間的流量差異較大。圖9為一個(gè)循環(huán)下小通道流量占渦輪總流量比。低轉(zhuǎn)速下兩個(gè)通道之間的流量差別變動(dòng)非常大，而高轉(zhuǎn)速下該差別變動(dòng)很小，即隨著轉(zhuǎn)速增加，兩個(gè)通道之間的流量波動(dòng)逐漸變小?，F(xiàn)階段增壓器供應(yīng)商提供的渦輪MAP數(shù)據(jù)較少（3張MAP），利用插值方法獲得的渦輪MAP數(shù)據(jù)精度不高，導(dǎo)致模擬誤差。顯然增壓器渦輪MAP數(shù)據(jù)是不夠的，為了使模擬精度更高，希望獲得更多的兩個(gè)通道之間流量比不同的渦輪MAP。

圖7 縮放系數(shù)

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)渦前壓力對(duì)比

圖9 一個(gè)循環(huán)下渦輪小通道流量占渦輪總流量比例

5 結(jié)束語

根據(jù)非對(duì)稱增壓器的技術(shù)特點(diǎn)，利用模擬計(jì)算和試驗(yàn)手段分析不同增壓器方案與滿足國Ⅵ排放法規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)匹配情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，非對(duì)稱增壓器方案可以滿足空燃比和EGR率的要求，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)需求；發(fā)動(dòng)機(jī)中低速區(qū)域非對(duì)稱增壓器方案泵氣損失明顯低于VGT方案，而發(fā)動(dòng)機(jī)高速區(qū)域則相反；非對(duì)稱增壓器模型模擬存在精度問題。

1 ELIAS CHEBLI,MARKUS MüLLER.DEVELOPMENT OF AN EXHAUST-GAS TURBOCHARGER FOR HD DAIMLER CV ENGINES.MTZ,2013,70：24～29.

2 Tolga Uhlmann,Dominik Lückmann,Richard Aymanns,et al.Development and Matching of Double Entry Turbines for the Next Generation of Highly Boosted Gasoline Engines.Internationals Wiener Motorensymposium,Wiener,2013.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年8月1日。

Development of Asymmetrical Turbocharger for Heavy Duty Vehicle Diesel Engine Complying with China Emission Regulations

Wang Lei,Weng Zhiyong,Tian Hongming
（China FAW Corporation Limited Ramp;D Center,Changchun 130011）

The paper firstly introduces the technology roadmap to implement China Ⅵ emission regulations,then introduces the establishment of asymmetrical turbocharger and lastly discusses the model selection and development of turbocharger in details.The test results show that compared with VGT,the asymmetrical turbocharger can achieve the target air-fuel ratio and EGR rate,and minimize pump loss.In addition,by comparing the test results and simulation results,the difficulty of asymmetric turbocharger simulation technology is identified.

Heavy duty vehicle,Diesel engine,Asymmetrical Turbocharger,China Ⅵ Emission Regulation

重型車 柴油機(jī) 非對(duì)稱增壓器 國Ⅵ排放法規(guī)

U464.135 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）09-0044-04