摘要：在中型高压共轨柴油机上安装可变喷嘴截面涡轮增压器（VNT），研究其对柴油机动力性、经济性影响。加装EGR系统，研究VNT对EGR率提升以及对排放的改善影响。最后，初步进行了VNT+EGR的控制试验研究。

关键词：VNT；EGR；柴油机；性能；排放

中图分类号：TK423 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）01-0078-05

Researches on VNT Application for Medium-duty Diesel Engine

XIANG Xu-sheng1，YIN Yong1，CHEN Lin2，YANG Xue-qing2

（1.Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China；

2.Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Abstract： In this paper，the research on the effect of variable nozzle turbocharger（VNT）application on medium-duty high pressure common rail diesel engine performance and economy was studied. Furthermore fitting with EGR system， to assess the effect of EGR ratio promotion and emission reduction by VNT.Then，the initial research on the combination control of VNT and EGR was carried out.

Key words：VNT；EGR；Diesel engine；Performance；Emission

电控技术的发展和对缸内燃烧过程的深入研究推动了发动机技术进步，使柴油机性能不断提高。而日益严格的汽车节能环保要求，仍是传统柴油机发展的严峻挑战。

增压技术是提升柴油机性能的基本措施。普通增压器在中低转速时，无法提供足够的增压压力，导致发动机中低转速扭矩不足。带废气放气阀的增压器在中低转速与柴油机匹配较好，为满足中低转速大负荷的进气量需求，一般采用较小的涡轮机，需要在高转速时放掉部分废气以防止增压器超速，从而损失了高速时的经济性。

VNT可在低速时减小涡轮喷嘴环流通面积，增加增压器的转速和压比，在高转速时增大喷嘴环流通面积，防止增压器超速。从而可在全工况实现与柴油机较好的匹配。

冷却EGR是降低NOx排放有效措施。低压EGR系统可获得较大EGR率，但对增压器可靠性存在较大影响；高压EGR系统由于进排气系统压差较小，限制了EGR率的进一步提升。利用VNT匹配EGR系统，可协调控制增压压力与排气背压，获得合理的空燃比与EGR率，从而保证柴油机的性能和排放水平。

1 试验发动机及系统介绍

如图1所示，基础发动机采用四缸高压共轨柴油机。在增压器前排气歧管处引出废气，流经EGR中冷器冷却后进入EGR阀，导入进气歧管，EGR中冷器通过发动机循环水冷却。进气歧管前端加装混合装置，以加强EGR废气与新鲜空气的混合，提高各缸废气混合均匀性。

VNT采用HONEYWELL公司产品，通过PWM信号控制。EGR中冷器采用塔尔基公司产品。EGR阀采用三菱直流电机阀，通过PWM信号，实现EGR阀连续可调。

试验中采用易控凌博公司ECU进行发动机控制，通过CAN卡和ECKA软件进行ECU标定，监控调整燃油系统、VNT、EGR阀参数，完成发动机试验研究。

采用AVL 472部分流颗粒分析仪测量尾气中颗粒、HORIBA MEXA7100D/EGR气体分析仪测量尾气中气体排放及EGR率、AVL439不透光烟度计测量尾气中烟度。试验环境如图2所示。

EGR率定义为废气再循环质量与进气总质量之比，采用较易实现的进排气CO2法。

式中：Xe为EGR率；CCO2in为进气歧管CO2浓度；CCO2env为环境中CO2浓度；CCO2out为排气中CO2浓度。

2 主要试验研究

影响发动机性能排放的主要因素有：增压压力、进气流量、空燃比、燃油参数、EGR温度、EGR率等。其中增压压力、进气流量、EGR率与VNT直接相关，本文选取了不同转速典型工况进行了初步研究。

2.1 VNT对进气影响

选用1 100 r/min中等负荷和1 500 r/min全负荷作为代表性工况进行研究分析，结果如图3所示。

1 100 r/min中等负荷时，保持喷油参数不变，调大VNT关度，使有效涡轮截面积减小，增压压力呈明显上升趋势，进气流量与增压压力上升的相关性较好。

如图4所示，1 500 r/min全负荷时，保持喷油参数不变，调大VNT关度，减小有效涡轮截面积，增压压力呈明显上升趋势，进气流量随着增压压力上升而上升。但增压压力上升至一定程度后，进气流量上升趋势已不明显。

原因在于，随着增压压力的进一步提升，VNT有效涡轮截面积减少，导致涡前排压的提高，泵气损失增加，从而一定程度上降低了涡轮增压器效率。压气机工作在过高的压比，偏离了高效工作区，也导致了效率的下降。

因此在发动机全工况范围匹配合适的VNT关度，以获得合理的增压压力及进气流量是重要的基础工作。依据模拟计算指导，结合试验结果建模，可有效降低工作量。

2.2 VNT对发动机性能影响

如图5所示，1 500 r/min全负荷时，保持燃油参数不变，比油耗随着VNT关度的增加先减小后增加。VNT关度较小时，增压器转速较低，进气量较少，燃烧较为不充分。随着增压压力提升，进气量增加，空燃比提升，燃烧改善，油耗下降。但随着VNT关度进一步增大，泵气损失增大，油耗恶化。

1 100 r/min全负荷时，调整VNT关度，保持空燃比在20～22范围，适当增加燃油喷射量，保持其他燃油参数不变，发动机扭矩明显提升。由原来的483 N·m提升至633 N·m，接近发动机原机最大扭矩水平。

由此，合理的VNT关度可以改善发动机经济性及动力性。

匹配VNT后外特性扭矩、比油耗与原机进行对比。扭矩提升率定义为：（匹配VNT扭矩-原机扭矩）/原机扭矩×100，BSFC变化率定义为：（匹配VNT BSFC-原机BSFC）/原机BSFC×100。

匹配VNT后，低转速发动机扭矩显著提高，且比油耗明显改善（如图6所示）。中转速扭矩有所提升，比油耗有所改善。高转速时由于当前VNT压气机较小，增压器容易超速，增压压力及进气量达不到原机水平，比油耗存在一定程度恶化，需要选用更大流量压气机予以解决。

2.3 VNT对发动机排放影响

如图7所示， 随着VNT关度增大，NOx比排放呈上升趋势，烟度呈下降趋势，且在低转速时趋势更为明显。随着VNT关度增大，增压压力与进气量增加，空燃比增加，燃烧得以改善，从而促进了NOx生成，减少了炭烟生成。

2.4 VNT对EGR率影响

保持EGR阀开度不变，EGR率随着VNT关度的增大而迅速增大。

EGR阀开度不变，意味着EGR管路流通截面不变，随着VNT关度的增大，涡前排压与增压压力均随之增大，但两者之间压差逐步扩大，EGR废气的驱动压差增加，EGR率增加，如图8所示。

如图9所示，EGR率增加，NOx下降明显。一般认为烟度主要取决于空燃比大小，而NOx主要取决于缸内燃烧温度和氧气浓度。

理论上，最大EGR率受限于管路流通截面与最小涡轮截面。但随着VNT关度过度增加，EGR率进一步增加，废气能量损失过多，进气流量下降，空燃比下降。同时随着着火延迟，最高燃烧温度降低，燃烧过程恶化，经济性恶化。

因此需要合理控制EGR率，即综合考虑油耗、NOx、烟度，在三者之间折中，确定合理的空燃比与EGR率，同时辅以合理的燃油喷射规律，才能获得综合优化结果。

3 VNT/EGR控制初步研究

调整VNT关度与EGR阀开度，观察增压压力与进气流量变化过程。

如图9所示，VNT关度对增压压力影响比较明显——VNT关度上升，增压压力随之上升。VNT关度对进气流量也有影响，影响程度较增压压力为弱，VNT关度上升，增压压力上升，但影响程度随着EGR开度不同有所不同。

EGR开度对进气流量影响极为明显，EGR开度增大，进气流量显著下降，但不同VNT关度时，影响程度有所不同。EGR开度对增压压力也有影响，其影响程度随不同VNT关度变化很大。

显然，VNT关度和EGR开度对增压压力和进气流量的影响是交叉耦合的，耦合关系来源于两者共同对进排气管状态的影响。同时VNT能显著影响增压压力，EGR能显著影响进气流量。

两者之间的交叉影响，导致通过解耦的开环控制来获得空燃比与EGR率匹配优化需要极大的试验工作量。而动态过程中，瞬态控制效果更为不理想，容易出现加速冒烟及转矩波动现象。两者影响见图10。

综合考虑控制复杂程度及控制效果，尝试对 VNT和EGR采用独立双闭环控制。VNT控制目标是增压压力，通过增压压力传感器反馈；EGR控制目标是进气流量，通过进气流量传感器反馈。结构图见图11。

增压压力及进气流量均通过PI控制器进行闭环控制。开度基础值MAP起前馈作用，用以加快闭环控制瞬态响应速度。限制条件主要来源于三个方面：增压压力保证增压器不超速、空燃比保证发动机动力性、EGR率保证NOx排放。

试验中纯粹依靠手动调节VNT、EGR阀参数来获取最佳的增压压力/空燃比/EGR率配置需要占用大量的台时和精力。DOE是一种高效便捷的优化方法，在一定试验工作基础上，建立基于多参数影响的发动机数学模型，用数学模型代替海量的试验工作作为参数优化的指导。

首先优化目标为针对转速/油量工况，调整不同EGR阀开度和VNT关度，获得优化的空燃比/增压压力/EGR率。在DOE初期设定目标工况范围，确定EGR阀开度与VNT关度范围，通过正交填充优化设计试验工况。利用Matlab建立基于试验数据的模型，离线优化增压压力和进气流量，作为最终耦合控制用目标MAP。

4 结论

在中型高压共轨柴油机上应用VNT，并建立VNT 驱动高压 EGR 系统，研究其对柴油机性能和排放的影响。研究结果表明：

（1）应用VNT可有效提升发动机中低速扭矩，提升动力性；

（2）应用VNT可在全工况范围内实现发动机优化匹配，改善经济性，匹配时需考虑压气机效率及流量，以免影响改善效果；

（3）VNT驱动的高压EGR系统，EGR率随着VNT关度增加而增加；

（4）VNT驱动的高压EGR系统中，VNT关度对增压压力影响更为明显，EGR阀开度对进气流量影响更为明显。

尝试对以增压压力为目标闭环控制VNT，以进气流量为目标闭环控制EGR，获得较好的稳态控制效果。

参考文献：

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［2］ 尧命发.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.

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