VNT和EGR耦合对柴油机性能及排放特性影响的试验研究

刘宁，王兴光，田勇，王桂敏，汤东

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏四达动力机械集团有限公司技术中心，江苏 无锡 214100)

据统计，2018年我国石油对外依存度高达69.8%，并且未来还会持续增加，对我国的能源安全造成威胁[1]。汽车保有量的增加使得所消耗的石油资源激增，并且其排放产物会造成空气污染[2-3]。为了应对能源危机与环境污染问题，我国相继制定了国六排放法规和第四阶段油耗法规并实施，推动着柴油机向着节能与减排的方向发展。

与国五排放法规相比，质量为2 000 kg的N1类柴油车国六a阶段新增THC、NMHC、N2O的排放限值，NOx排放的限值加严了70%[4]。EGR可以大幅度降低NOx的排放，而VNT-EGR技术是柴油机满足国六排放法规的主要技术路线之一[5-6]。VNT增压器可以根据工况来调节喷嘴环的开度，开度变化直接影响到涡前压力，可以保证合适的EGR驱动压差，解决了部分工况下EGR引入困难的问题，并实现VNT 开度与 EGR率之间的优化匹配，从而改善全工况范围内的经济性与排放性能[7-9]。

EGR引流和涡轮机涡轮都是由排气能量驱动，当VNT增压器与EGR同时工作时，两者会通过增压压力与涡前压力影响进气量、EGR率等参数变化，二者之间存在强烈的耦合作用，VNT与EGR耦合控制可以实现理想的控制效果[10]。近年来，为了满足日益严格的排放法规，国内学者对VNT与柴油机的匹配做了大量的研究。天津大学的王浒通过台架试验研究了VNT对柴油机性能的影响规律[11]，结果表明，VNT增压器可以显著改善柴油机部分工况的燃油经济性，提高低速扭矩。北京交通大学的林磊用GT-Power软件建立带有VNT的柴油机模型进行匹配研究[12]，以经济性和动力性为目标制取了全工况最佳的VNT开度MAP；大连理工大学的曹爽进行VGT+EGR系统与柴油机匹配的试验研究[5]，结果发现，高速工况下引入EGR可以降低泵气损失，经济性有所改善，VGT与EGR开度配合可以显著降低NOx的排放。昆明理工大学的王俊用响应曲面法分析了VNT与EGR耦合对柴油机性能的影响关系[13]，研究发现，在不同工况下，性能参数随VNT和EGR开度有不同的变化趋势。

目前有关VNT与柴油机单独匹配的研究较多，但对VNT与EGR之间、VNT与喷油参数之间优化匹配的研究较少。在一台配备VNT-EGR系统的四缸高压共轨柴油机上，研究了VNT与EGR耦合对柴油机的经济性和排放特性的影响规律，并分析了其对增压器效率的影响规律；通过VNT开度与EGR开度的正交试验，以NOx比排放为控制目标、燃油经济性为优化目标进行匹配优化，并结合VNT-EGR的协调控制策略与喷油参数，制取全工况范围内最佳的增压压力、进气量的MAP图，完成VNT和EGR系统与柴油机的匹配，为后续进行瞬态工况的优化研究打下基础，对国六柴油机增压系统开发有一定的借鉴意义。

1 试验装置及研究方法

试验所用柴油机的台架示意图和基本参数分别如图1、表1所示。试验边界条件按照GB 18352—2016 《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》进行控制。试验中所用到的主要仪器设备如表2所示。VNT增压器喷嘴环的位置通过关闭度占空比信号控制，喷嘴环最大开度占空比为0%，最小开度输出占空比为100%。通过EGR阀的开度来控制EGR率，定义EGR阀全关时为0%开度，全开时为100%开度。

图1 试验台架示意

表1 柴油机基本参数

表2 试验仪器设备

WLTC测试循环与NEDC测试循环相比，加速与减速工况频繁交替，更贴近发动机的实际运行情况，对柴油机的排放控制技术要求更高[14]。本研究选取WLTC测试循环代表工况点1 600 r/min的70%负荷、2 200 r/min的70%负荷，开展VNT与EGR开度的正交试验，先设置VNT一定的开度以保证合适的EGR驱动压差，EGR开度由0%调整至15%，平均采集4个开度数据，然后设定VNT至下一开度，正交点大致为4×5。

2 试验结果及分析

2.1 VNT和EGR开度对发动机性能的影响

2 200 r/min，70%负荷工况的进气压力和涡前压力的变化关系如图2所示。涡前压力和增压压力随着VNT关闭度的增大而增加，但在小EGR开度时上升更快，喷嘴环流通面积的改变将直接影响到涡前压力的大小，涡轮机叶片转速随之改变，进一步影响到增压压力，由于传动过程存在机械损失导致增压压力上升的幅度较小，EGR驱动压差增大；当EGR开度从0%增加到15%时，最小VNT开度的增压压力降低34 kPa，进一步导致缸内的新鲜进气量减少。

图2 增压压力与涡前压力

空燃比随VNT、EGR开度的变化关系如图3所示。在负荷一定时，空燃比的变化主要与进气量相关，随着VNT关闭度的增大，涡轮机叶轮转速上升，进气量增加的趋势与增压压力相同；在EGR开度为15%时，空燃比随VNT关闭度增加上升得比较缓慢，此时大部分废气会通过EGR管道进入进气歧管中，排气能量的减小导致新鲜进气量上升缓慢。

图3 空燃比

发动机在不同工况运行时都有最佳的EGR率，需要调整VNT与EGR的开度进行控制。EGR驱动压差、EGR率随VNT和EGR开度的变化关系如图4、图5所示。EGR与VNT开度的变化将直接影响到驱动压差的大小，涡前压力越大，驱动压差随EGR开度的变化越明显；EGR率的大小主要与EGR阀开度和EGR驱动压差有关，EGR阀开度一定时，EGR率随驱动压差的增大而增加；VNT开度不变时，虽然驱动压差随EGR开度的增大有所减小，但EGR率明显增加，说明此时EGR阀开度起主要作用。

图4 EGR驱动压差

图5 EGR率

VNT与EGR开度对燃油经济性的影响如图6所示。相同EGR开度下燃油消耗率随着VNT关闭度的增大呈先降低后升高的趋势，是泵气损失与燃烧状况共同作用的结果，进气量的增加使得缸内燃烧更为充分，经济性有所改善，但当减小到某一开度时，泵气损失对油耗的恶化作用大于进气量的改善作用，油耗开始上升，在2 200 r/min时由于排气流量大导致油耗上升速度更快；在泵气损失影响不大的条件下，油耗随着EGR开度的增加而升高，流入缸内的废气进一步降低了氧气浓度，部分混合气不能完全燃烧，经济性恶化。

图6 燃油消耗率

增压器与柴油机匹配的要求是让联合运行曲线经过高效率区域，不能发生喘振与阻塞。VNT与EGR开度对柴油机联合运行曲线的变化关系如图7所示。随着EGR开度的增大，增压器的效率向低效率区域移动，可利用废气能量的降低导致增压器的转速和增压压比减小；EGR开度一定时，VNT关闭度的增大提高了涡轮机叶轮的转速，废气能量的利用率增加使得压气机的进气流量与增压压比升高，压气机效率增加；在1 600 r/min工况点EGR开度为15%时，随着VNT关闭度的增加出现了新鲜进气量下降的现象，更多的废气通过EGR管路进入缸内，压气机效率随之降低。

图7 联合运行曲线

2.2 VNT和EGR对排放的影响

NOx比排放随EGR率的变化关系如图8所示。EGR可以大幅度降低NOx的排放，废气的引入减缓了可燃混合气的燃烧速度，比热容的增加降低了缸内的最高燃烧温度，抑制了NOx生成。在VNT开度为65%、EGR率从0%增加到23%时，NOx比排放降低了66.2%；随着VNT关闭度的增大，循环进气量的增加导致NOx比排放的总体水平有所升高，在EGR率为5%、VNT关闭度从65%增加到70%时，NOx比排放增加了0.65 g/(kW·h)。

图8 NOx比排放

烟度随EGR率变化的关系如图9所示。EGR率在0%～10%内时，由于缸内富氧燃烧的条件，废气对燃烧恶化的程度小，使得烟度对EGR率不敏感；在大EGR率时，烟度主要与进气量相关，在70%VNT开度时，进气量的增加使得烟度随EGR率变化的趋势比较缓慢。烟度的整体趋势是随着EGR率的升高而增加，随着VNT关闭度的增大，空燃比升高，EGR率对燃烧过程的恶化越发不明显，在烟度水平相同的条件下，可以实现更大的EGR率，NOx的排放进一步降低。

图9 烟度

2.3 烟度、燃油消耗率与NOx比排放的trade-off关系

VNT与EGR开度会通过涡前压力影响到柴油机的进气量与EGR率，并且彼此又相互影响。柴油机的每一工况点都有最佳VNT、EGR开度，为了更直观地分析经济性与排放特性之间的关系，对烟度与NOx比排放、油耗与NOx比排放之间的关系做了进一步研究。

图10示出2 200 r/min和1 600 r/min工况点NOx与烟度的trade-off关系。两个工况点的总体变化趋势相同，烟度都在NOx比排放降低到3 g/(kW·h)附近时急剧升高，但1 600 r/min工况点的总体烟度水平较高。低速大负荷时首先要保证足够的进气量，进气流速较低导致缸内湍流运动较弱，柴油与空气混合的不均匀度增大，部分混合气不能完全燃烧，导致烟度较高，所以低速大负荷时EGR开度不宜过大。EGR开度相同时，减小VNT开度可以提高柴油机的空燃比，在烟度水平相同的条件下，可以实现更大的EGR率，进一步降低NOx排放，烟度与NOx的总体排放水平有所降低。

图11示出2 200 r/min和1 600 r/min工况点油耗与NOx比排放的关系。在一定的VNT开度范围内，燃油消耗率随着EGR开度的增大而上升，废气在降低NOx排放的同时恶化缸内燃烧，热效率和放热率峰值降低，导致燃油消耗率上升；在泵气损失影响不大的情况下，油耗与NOx比排放也是“此消彼长”的关系；随着VNT关闭度的增大，燃油消耗率呈先降低后升高的趋势，1 600 r/min，75%VNT关闭度时总体油耗水平开始上升，随着转速的升高，排气流量增大，泵气损失对油耗的影响逐渐升高，导致燃油消耗率上升的趋势更为明显。

图10 烟度与NOx比排放的trade-off关系

图11 燃油消耗率与NOx比排放的trade-off关系

2.4 优化匹配

由于国六柴油机普遍采用DPF后处理装置，捕集效率达90%以上，所以优化目标是将NOx比排放控制在3 g/(kW·h)以内，在烟度不明显恶化的情况下优化燃油经济性。图12示出优化前后NOx比排放、烟度和燃油消耗率的变化。VNT与EGR开度优化可以大幅度降低NOx排放，1 600 r/min和2 200 r/min工况点的NOx比排放分别降低38.4%和49.6%，但烟度和燃油消耗率有所上升，低速大负荷时烟度总体排放水平较高；引入EGR后燃油经济性会变差，但在低速大负荷时经济性会有所改善，1 600 r/min工况点的燃油消耗率降低了1.96 g/(kW·h)，VNT与EGR开度优化同时增加了缸内的新鲜进气量和EGR率，新鲜充量对燃烧的改善效果大于废气的恶化作用。

图12 优化结果对比

喷油参数的优化主要包括喷油压力和主喷定时的调节。推迟喷油可以使缸内整个燃烧过程后移，部分燃油在上止点后燃烧，缸内最高燃烧温度和燃烧效率降低，抑制NOx的生成，但烟度与THC会有所升高；提高轨压可以促进燃油与空气的均匀混合，燃烧比较迅速和充分，可以降低烟度，改善燃油经济性，但会导致NOx排放升高。两个工况点的喷油参数优化可以在NOx排放基本不变的情况下，改善VNT与EGR优化后烟度与经济性恶化的现象，减轻后处理系统的压力。

在VNT与EGR的闭环控制策略中，分别以增压压力、冲程进气量为反馈信号进行开度控制，对相关MAP的制定精度要求较高。通过正交优化原则对WLTC测试循环内的121个工况点进行优化，得到了WLTC测试工况范围的最佳增压压力MAP和冲程进气量MAP(见图13、图14)。当发动机进入稳定工况后，通过协调控制策略确定增压压力和进气量的值，此时就对应着本工况最佳的VNT与EGR开度。

图13 增压压力MAP

图14 基础进气量MAP

3 结论

a) EGR开度增加导致可利用的排气能量降低，柴油机的增压压比和进气量减少，压气机的效率向低效率区域移动，减小VNT开度可改善这一现象；

b) 减小VNT开度能同时增加空燃比和EGR率，在烟度水平相同的条件下，可以实现更低的NOx比排放，烟度与NOx的总体排放水平降低，燃油消耗率有所升高；

c) 2 200 r/min工况时VNT与EGR优化降低了49.6%的NOx比排放，烟度和油耗分别上升0.1 FSN、1.67 g/(kW·h)，配合喷油参数可改善燃油经济性，实现在满足NOx原排的条件下，经济性最优。