可變噴嘴環(huán)增壓器在低速柴油機上的應(yīng)用

顧 駿

（曼恩動力設(shè)備上海有限公司，上海201206）

0 引言

現(xiàn)代大缸徑柴油機在全負(fù)荷范圍內(nèi)為滿足排放法規(guī)以及燃油消耗率的要求，需要更加柔性地控制進入氣缸的空氣量和燃料量，這已成為完成上述要求的關(guān)鍵因素?？勺儑娮旖孛鏈u輪的使用，使空氣量與燃料量的精確匹配成為可能，從而使柴油機在全負(fù)荷范圍內(nèi)降低燃油消耗率的同時，HC和CO排放也大幅度降低，并且對負(fù)荷變化的響應(yīng)速度也有了很大的改善。

當(dāng)柴油機工作在部分負(fù)荷時，適當(dāng)減小增壓器噴嘴環(huán)流通面積，可以提高流經(jīng)噴嘴環(huán)葉片的氣體流速，從而使氣流沖擊渦輪葉片的力量加大，增壓器渦輪轉(zhuǎn)子獲得更高的轉(zhuǎn)速，壓氣葉輪獲得更高的圓周速度，進而柴油機獲得更高的掃氣壓力，使得更多的新鮮空氣進入氣缸，帶來燃燒品質(zhì)的改善［1］。

渦輪增壓器上采用可變噴嘴環(huán)技術(shù)已有很多年，主要是為了改善發(fā)動機在中低負(fù)荷的性能，但受以往可變噴嘴環(huán)技術(shù)條件的限制，該技術(shù)的應(yīng)用范圍以往僅局限于以輕質(zhì)燃油或可燃氣體為燃料的發(fā)動機，因為船舶發(fā)動機一般使用劣質(zhì)重油為主要燃料，使得該技術(shù)一直未在船舶動力行業(yè)推廣。但隨著2008年全球金融危機爆發(fā)給航運業(yè)帶來的持續(xù)不景氣，各船公司為降低運營成本，紛紛要求船舶降低航速、主機低負(fù)荷運行，這就為向船舶動力行業(yè)引入可變噴嘴環(huán)技術(shù)創(chuàng)造了條件。近年來，數(shù)家渦輪增壓器廠家紛紛涉足這個過去的“技術(shù)禁區(qū)”，研發(fā)并向船舶發(fā)動機市場推出了可適用于劣質(zhì)燃油的可變噴嘴環(huán)渦輪增壓器。

1 可變噴嘴環(huán)增壓系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理

可變噴嘴環(huán)增壓系統(tǒng)主要由2部分構(gòu)成：噴嘴環(huán)流通截面積可調(diào)的渦輪增壓器、掃氣壓力控制單元（SCU）。

（1）噴嘴環(huán)流通截面積可調(diào)的渦輪增壓器主要包括可變噴嘴環(huán)本體、伺服馬達、執(zhí)行機構(gòu)、VT控制系統(tǒng)，如圖1所示。VT控制系統(tǒng)接收到由柴油機掃氣壓力控制單元發(fā)出的位置信號后，將自主控制可變噴嘴環(huán)的動作，并在動作結(jié)束后將噴嘴環(huán)位置信號發(fā)回柴油機掃氣壓力控制單元。

圖1 可變噴嘴環(huán)渦輪增壓器

（2）掃氣壓力控制單元主要包括中央控制器（MPC）、油門齒條傳感器、掃氣壓力傳感器、柴油機轉(zhuǎn)速傳感器、操控面板、控制軟件，如圖2所示。

圖2 柴油機掃氣壓力控制單元

柴油機掃氣壓力控制單元負(fù)責(zé)對掃氣壓力進行調(diào)整，向VT控制系統(tǒng)發(fā)出噴嘴環(huán)開合的位置信號。各負(fù)荷點的掃氣壓力期望值已被預(yù)先寫入中央控制器。當(dāng)柴油機工作時，中央控制器對掃氣壓力、油門齒條位置以及柴油機轉(zhuǎn)速等信號進行實時采樣，計算出該時刻的柴油機功率，并與預(yù)設(shè)的在該功率點下的期望掃氣壓力值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果向VT控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的動作指令。假設(shè)實際的掃氣壓力低于設(shè)定值，中央控制器就向VT控制系統(tǒng)發(fā)出小電流信號，VT控制系統(tǒng)根據(jù)小電流信號值，向VT伺服馬達發(fā)出指令，使執(zhí)行機構(gòu)向減小噴嘴環(huán)流通面積的方向動作，并將動作后最終的位置信號反饋回中央控制器。這種采樣、比對以及調(diào)整周而復(fù)始地不間斷進行，直至實際掃氣壓力與設(shè)定值相一致。

2 柴油機實際運行參數(shù)比較

對相同的柴油機在分別配置可變噴嘴環(huán)增壓器與固定噴嘴環(huán)增壓器的情況下進行了對比試驗?？勺儑娮飙h(huán)增壓器安裝于柴油機，如圖3所示。

通過試驗結(jié)果對比可以看出，柴油機在使用了可變噴嘴環(huán)增壓器后，在中低負(fù)荷段，柴油機的運行參數(shù)與使用固定噴嘴環(huán)增壓器時相比有了顯著的變化，主要有以下幾方面：

（1）當(dāng)負(fù)荷低于90%時，柴油機各參數(shù)變化明顯；當(dāng)負(fù)荷高于90%時，性能參數(shù)變化不大。

（2）渦輪前后廢氣溫度在中低負(fù)荷時有大幅度的降低，特別在低于50%負(fù)荷時，廢氣溫度降低30～40℃。

圖3 可變噴嘴環(huán)增壓器安裝于6S50MEC柴油機

（3）空氣消耗率在中低負(fù)荷提高2%～3%，改善了柴油機缸內(nèi)換氣過程和燃燒質(zhì)量。

（4）掃氣壓力在中低負(fù)荷提高約0.03 MPa。

（5）增壓器效率在中低負(fù)荷提高約2%。

（6）燃油消耗率在中低負(fù)荷降低約3 g/k W·h，在100%負(fù)荷時有1 g/k W·h的增加。

（7）HC以及CO排放在中低負(fù)荷有大幅度下降；NOx排放略有升高，但還是在排放法規(guī)所允許的范圍內(nèi)。

具體參數(shù)變化如表1所示。

表1 柴油機各負(fù)荷點參數(shù)比較

試驗結(jié)果很好地證明了通過可變噴嘴環(huán)的使用可以使柴油機性能提高的預(yù)期。

3 運行參數(shù)評估以及排放文件上的新問題

可變噴嘴環(huán)增壓器應(yīng)用的初衷是改善柴油機在中低負(fù)荷段的運行性能，特別是以降低燃油消耗率為目的。而實際使用后，又獲得事實上的另外一個益處，就是補償了外部條件變化對柴油機運行參數(shù)的影響，也就是說，對于一般大氣環(huán)境的變化，柴油機都可以通過對可變噴嘴環(huán)面積的適當(dāng)調(diào)整，而使柴油機的關(guān)鍵運行參數(shù)基本保持不變。這個益處也是發(fā)動機行業(yè)數(shù)十年來一直苦苦追求的目標(biāo)，現(xiàn)在通過可變噴嘴環(huán)增壓器的使用，這個目標(biāo)得到了部分實現(xiàn)。這里舉一個例子進行說明：柴油機如果在夏天運行，由于環(huán)境溫度高，吸入的新鮮空氣溫度也會較高，從而導(dǎo)致掃氣壓力低、缸內(nèi)壓縮壓力低、缸內(nèi)爆發(fā)壓力低、渦輪前后廢氣溫度高等一系列問題。但如果使用可變噴嘴環(huán)增壓器，柴油機控制系統(tǒng)就會實時對掃氣壓力進行采樣，并與預(yù)設(shè)值進行比對，當(dāng)發(fā)現(xiàn)掃氣壓力低于預(yù)設(shè)值時，就會減小噴嘴環(huán)流通面積來提高掃氣壓力，并調(diào)整到最終與預(yù)設(shè)值一致。由于掃氣壓力值保持不變，從而缸內(nèi)壓縮壓力、缸內(nèi)爆發(fā)壓力也保持不變，渦輪前后的廢氣溫度也將部分得到補償，雖然會比設(shè)計值高些，但也終將比使用常規(guī)固定噴嘴環(huán)增壓器要來的低些。

對柴油機性能的評估，目前行業(yè)內(nèi)的通行規(guī)則是先將實際運行參數(shù)在ISO條件下進行修正，然后對修正值進行評估比較，以判斷柴油機性能的好壞。之所以要修正，是為了消除外部因素對柴油機性能參數(shù)造成的影響，建立一個性能評估的公共基礎(chǔ)［2］。這種按修正值進行性能評估的辦法，對零部件以及設(shè)定參數(shù)不能自動調(diào)整的柴油機是合理的，也是必要的。然而可變噴嘴環(huán)增壓器技術(shù)的引入?yún)s對這個規(guī)則造成了沖擊，因為通過噴嘴環(huán)流通截面的實時調(diào)整，可以使得柴油機關(guān)鍵運行參數(shù)保持不變。但目前的ISO修正規(guī)則要求首先必須將柴油機零部件尺寸、參數(shù)以及設(shè)定值固定，然后才可以對運行參數(shù)進行修正并分析比較，這顯然和可變噴嘴環(huán)技術(shù)是相矛盾的，這樣就引出了新的問題：柴油機實際運行參數(shù)ISO條件下的修正對于零部件可以實時調(diào)整的柴油機是否還有必要？老的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是否適用于最新出現(xiàn)的柴油機技術(shù)？作者的觀點是否定的，新的技術(shù)不應(yīng)該被老標(biāo)準(zhǔn)束縛住，但改變行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和被行業(yè)接受需要時間。

柴油機NOx排放證書獲得也遇到了相類似的問題。根據(jù)排放法規(guī)的要求，NOx排放值要求在系列柴油機的母型機上實際測量，并要求在NOx排放測量后對柴油機技術(shù)狀態(tài)進行固定，即與排放相關(guān)的零部件尺寸以及柴油機設(shè)置參數(shù)不能再有變化，作為今后該系列柴油機的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。因此，這個規(guī)則也與可變噴嘴環(huán)增壓器的特性存在矛盾。作為折中方案，排放認(rèn)證組織要求對可變噴嘴環(huán)的“可用最大面積”進行設(shè)定，即將100%柴油機負(fù)荷時，獲得相同柴油機運行參數(shù)的固定噴嘴環(huán)面積作為可變噴嘴環(huán)的“可用最大面積”。因此可以看出，這種折中辦法會很大地限制可變噴嘴環(huán)的調(diào)整范圍，束縛其調(diào)整能力，使船舶在低氣溫區(qū)域航行時柴油機原本可以發(fā)揮的優(yōu)良表現(xiàn)被人為限制住。這又是一個老標(biāo)準(zhǔn)束縛新技術(shù)的例子。相關(guān)的海事管理機構(gòu)、柴油機設(shè)計公司、船舶檢驗公司以及排放認(rèn)證組織必須要有所作為，協(xié)力為零部件參數(shù)可調(diào)整的智能型柴油機制定新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）可變噴嘴環(huán)增壓器可以很好地應(yīng)用于以重油為燃料的船用低速柴油機。

（2）可變噴嘴環(huán)增壓器需要和柴油機控制系統(tǒng)進行整合，并按照柴油機控制系統(tǒng)的指令工作。

（3）柴油機應(yīng)用可變噴嘴環(huán)增壓器后，高負(fù)荷時對燃油消耗率、廢氣溫度等參數(shù)影響不大；但中低負(fù)荷時，這些參數(shù)有很大的改善。

（4）柴油機應(yīng)用可變噴嘴環(huán)增壓器后，通過噴嘴環(huán)面積的自動調(diào)整，可以補償由于環(huán)境條件變化對柴油機運行參數(shù)造成的影響。

（5）柴油機應(yīng)用可變噴嘴環(huán)增壓器后，運行參數(shù)是否需要被ISO條件修正有待進一步討論，需要柴油機設(shè)計公司、船舶檢驗公司以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織做進一步的調(diào)查研究，得出結(jié)論。

（6）柴油機應(yīng)用可變噴嘴環(huán)增壓器后，噴嘴環(huán)面積的可調(diào)整范圍受現(xiàn)行排放法規(guī)的約束，不能很好地發(fā)揮可變噴嘴環(huán)增壓器應(yīng)有的性能優(yōu)勢，也亟待相關(guān)組織有所作為，制定新的標(biāo)準(zhǔn)，與時俱進。

［1］黃少竹，翁澤民.二沖程主柴油機增壓系統(tǒng)的運行規(guī)律［J］.中國航海，2001（2）：95～99

［2］李可順，孫培廷，常東曉.環(huán)境條件對船舶柴油機渦輪增壓器性能的影響［J］.世界海運，2004（6）：48～49