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  废气涡轮增压是用废气排出的能量来驱动涡轮增压器，当柴油机转速低时，由于排气能量不足，涡轮转速和增压压力下降，造成燃烧冒黑烟、排气温度和零件温度上升、扭矩特性变差等后果。

  为使废气涡轮增压，在柴油机低速高负荷工况下满足车辆对扭矩适应性的要求，使车用柴油机在低速时获得足够高的增压压力，以提高低速高负荷时的扭矩，必须将低速下最大扭矩工况点匹配在压气机高效率区。

  但是这样会使柴油机在高速高负荷时增压压力过高，造成增压器超速、气缸燃烧压力过高。

  此外，由于运动件惯性的原因，在低速区域涡轮增压器的响应性很差，很难满足车辆（特别是轿车）对瞬态工况快速反应的要求，即在一个宽广的负荷一转速范围内任意变动地运行，特别是部分负荷时运行性能不良。

  针对以上问题，采用各种可调系统，优化涡轮增压器与柴油机的匹配性能，以改善涡轮增压器的流体力学性能，改善涡轮增压柴油机的低速扭矩特性和提高其瞬态响应能力。

  本文通过改变VNT喷嘴环叶片位置，进行了柴油机性能研究，根据结果得出：VNT发动机性能得到了优化。

  可变喷嘴截面涡轮增压器(VNT)，即随发动机负荷和转速的变化，用调节喷嘴环上可变叶片位置改变喷嘴有效截面积和叶片进气角。试验所用的可变喷嘴增压器如图1所示。

  此时在涡壳内有1个喷嘴环，环上装有9个位置可调的叶片，环上拉杆连接到真空室中，通过改变真空室的真空度来改变叶片的相对位置，从而改变喷嘴环的流通面积，来改变压气机的进气量。

  当控制单元不控制时，喷嘴环面积最大，是喷嘴环的初始位置，随着控制单元输出电压的不断加大，销轴上的叶片向喷嘴环面积减小的方向转动，可实现连续无极地调节可变喷嘴截面，输出电压越大，叶片转过的角度越大，当输出电压最大时，喷嘴环的面积达到最小。

  因此本文定义为：喷嘴环的初始位置，叶片的开度为0(表示叶片不转动)；喷嘴环的面积最小时，叶片的开度为100％(表示叶片从初始位置转过最大角度)。

  而当喷嘴环的叶片开度大时，喷嘴环流通面积减小，膨胀比加大，增加涡前压力；反之，喷嘴环的叶片开度小时，喷嘴环流通面积增大，涡前压力减小，膨胀比减小。

  随后柴油机启动，当柴油机在低速运行时，将喷嘴环的开度加大，即涡轮喷嘴环的流通面积减小，则膨胀比将增大，能增加涡轮的输出功率，从而增加增压压力，改善涡轮对废气能量的利用；当柴油机在高速运行时，由于喷嘴有效截面积增大，不会使涡轮超速或增压压力过高。

  VNT通过改变涡轮喷嘴环面积，实现供气与柴油机各转速工况下的最佳匹配，使发动机的性能达到最佳，可变截面增压器的匹配设计点不是外特性上的一个点，而是外特性上的一段，当膨胀比一定时，涡流的流量随着流通面积的减小而减小。

  使VNT在不同的负荷时，通过调整VNT截面使膨胀比保持一个相对来说比较稳定的数值，使VNT涡轮对发动机在不同工况工作时的流量变化有很强的适应能力。

  发动机的负荷在一定的范围内变化时，通过调整VNT的流通面积，对于变化了的发动机流量仍能保持一个很高的膨胀比，使VNT的流量与发动机的流量相适应。

  在此之后，我们对实验的设备做分析检查，然后对喷嘴环叶片位置对发动机外特性的影响进行研究。

  本次试验是在498Z柴油机上进行的，发动机的技术参数见表1，而主要测试设备为：柴油机废气分析仪AVL4100S，半自动波许烟度计FBY-3，AVI，消光烟度计，电涡流测功机启测DW250。

  检查完设备后，研究人员开始对设备做多元化的分析，图2和图3分别为喷嘴环叶片位置对发动机外特性参数影响的曲线所示，扭矩随喷嘴环的变化是先增加后减小，

  低速时最大扭矩对应的喷嘴环开度为80％，随着转速的升高，最大扭矩对应的喷嘴环开度降低，约为60％。

  高速时喷嘴环开度减小，可防止涡轮增压器超速，随喷嘴环叶片开度的增加，油耗率先减少后增加，高速时表现不是很明显。

  在低速时最低油耗率对应的喷嘴环叶片开度为80％，高速时最低油耗率对应的叶片开度为60％。根据扭矩与油耗率的变化规律可以解释为：当喷嘴环叶片开度很小，喷嘴环面积较大时，膨胀比很低，涡轮获得的动能较少。

  因此这将会导致压气机的增压比也较小，进气量不足，燃烧不充分，扭矩较低，油耗率较高；当喷嘴环叶片开度很大，喷嘴环面积较小时，再继续增加叶片开度，一方面排气阻力加大，泵气损失增加；另一方面，涡轮增压器的效率降低。

  从图3可看出，在低速和中等转速，随喷嘴环叶片开度的增加，NOx，排放明显增多，烟度明显降低；在高速时NOx和烟度的变化不是很明显。

  这主要是由于增加叶片开度，能有效地改善增压器低速供气不足现象，提高了增压比，使燃烧变得更加充分。

  研究喷嘴环的位置对发动机不同负荷性能的影响，本文选取2000r/min时，10％、50％、90％负荷进行分析，试验中采取定转速、定扭矩模式下调整喷嘴环叶片的开度。

  从图4～图6可看出，在低负荷时，随着喷嘴环叶片开度的加大，油耗率和进气量有相似的规律，都是先略微减小然后增加，

  NOx和烟度排放也是先减小后增加，最低值在开度为60％左右；涡前压力和压后压力都增加(在下文没有特殊说明均为相对压力)。

  随喷嘴环叶片开度进一步增加，进气量增多，工质会带走部分热量，发动机的燃烧热效率降低，导致油耗率增加，NOx排放降低。

  当喷嘴环开度接近最大时，由于排气背压的增加，泵气损失的增加，油耗率和烟度仍然是增加的，但是此时气缸内温度是增加的，导致NOx，排放增加。

  接着设备来到中等负荷时，发动机的性能参数随着喷嘴环的变化规律与低负荷基本相同，不同的是从变化规律上看，最佳的喷嘴环叶片开度要比低负荷时叶片开度大一些。

  高负荷时如图10、12所示，进气量、涡前压力和压后压力参数的变化规律与低负荷、中等负荷相同，油耗率、NOx，和烟度参数与低负荷，中等负荷不同。

  这是因为高负荷时空燃比较小，在喷嘴环开度达到75％之前，随着叶片开度的增加，进气量增多，油、气混合更加充分，更有利于燃烧，所以油耗率降低，NOx，排放升高；烟度降低。

  通过上述分析对VNT脉谱图进行优化，在低负荷主要以NOx、油耗率为指标，在高负荷时，主要以烟度、油耗率为指标。图13是VNT的全工况脉谱图。

  从图13可看出，随着转速的增加，喷嘴环叶片开度逐渐减小，喷嘴环面积增加，可防止增压器过载；随着负荷的增加，喷嘴环叶片开度逐渐增大，以满足所需要的进气量要求，之后研究人员又对其设备做了优化。

  喷嘴环的叶片开度优化后，发动机的性能与原机相比有了很大程度的改善。图14为匹配VNT后柴油机全工况油耗率降低百分比(与普通增压器相比)，从图14可看出，高速低负荷区域油耗率降低最大，约10％。

  图15为柴油机的低速性能对比，在增加低速空气量的同时，提高了柴油机的低速扭矩，降低了低速工况的烟度，

  匹配VNT增压器和废气旁通增压器的柴油机外特性性能对比图16～图17为两种增压器的外特性性能的对比。

  可以看出，VNT增压器增加了低速区域的扭矩；改善了低速的烟度，在中高速区域的烟度与原机相差不大，在低速区域烟度降低2BSU。

  因此在所有的转速范围内油耗率都低于旁通增压器，油耗率降低2％～3％；但是NOx的排放在低速时要高于原机100×10，主要是由于加大了进气量，使燃烧更充分。

  由于旁通增压器的高速放气，不致于使进气量过多引起增压器超载，所以进行VNT的外特性标定时，力求增加低速的进气量，而高速的进气量比旁通增压器相对低一些。

  本文主要对VNT的自由加速烟度和定速加载烟度做试验研究，图18为VNT的自由加速烟度测试结果，用AVL消光烟度计记录这一过程的消光烟度变化。

  在A、B、C3个转速下，从10％负荷开始，将油门突然加到最大，测量这样的一个过程中的烟度变化。根据油泵的外特性功率曲线r/min。

  可变喷嘴增压器(VNT)通过改变涡轮喷嘴环面积，实现供气与柴油机在各个转速工况下的最佳匹配，使发动机的性能达到最佳。

  ，在低负荷主要以NOx、油耗率为目标，在高负荷主要以烟度、油耗率为目标对VNT脉谱图优化得到最佳脉谱。

  随转速的增加，喷嘴环叶片开度应逐渐减小，也就是加大喷嘴环的面积；随负荷的增加，喷嘴环叶片开度应逐渐增大，减小喷嘴环的面积。

  ，在高速低负荷油耗率降低最多，达到10％；VNT对柴油机低速高负荷工况性能有明显改善。

  通过增加低速时进气量，使扭矩增加约15Nm，油耗率降低了2％，烟度从原机4.5BSU降低到2.5BSU。

  匹配VNT的柴油机与原机外特性的对比，在中高速时NOx，与烟度排放与原机相差不大，在低速区NOx增加约100X10烟度降低2BSU在整个转速范围内油耗率降低2%~3%。

  采用VNT可以加快空气动态过程，使空气系统的过渡过程和燃油系统的过渡过程较好匹配，从而避免柴油机加速冒烟。

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