大功率柴油機(jī)相繼增壓技術(shù)研究綜述

李京， 白洪林， 李耀宗， 王子玉

(1. 海軍駐興平地區(qū)軍事代表室， 陜西 興平 713105； 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

大功率柴油機(jī)相繼增壓技術(shù)研究綜述

李京1， 白洪林2， 李耀宗2， 王子玉2

(1. 海軍駐興平地區(qū)軍事代表室， 陜西 興平 713105； 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

隨著大功率柴油機(jī)不斷向高增壓、高功率密度、寬轉(zhuǎn)速范圍以及低排放的方向發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓系統(tǒng)的匹配矛盾愈發(fā)突出，特別是在低速低負(fù)荷的工況范圍內(nèi)。而相繼增壓技術(shù)可使增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)在較寬泛的運(yùn)行范圍內(nèi)達(dá)到良好的匹配，被認(rèn)為是改善高增壓柴油機(jī)性能的最成熟的技術(shù)措施。因此，重點(diǎn)闡述了相繼增壓技術(shù)的工作原理、國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況以及研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

柴油機(jī)； 相繼增壓； 綜合評(píng)述

大功率柴油機(jī)因其優(yōu)越的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性而被廣泛應(yīng)用于艦艇、特種車輛、機(jī)車、工程機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域。近年來(lái)，在高壓共軌、電控燃油噴射和新型增壓等先進(jìn)技術(shù)的推動(dòng)下，大功率柴油機(jī)正向著高功率密度、寬轉(zhuǎn)速范圍、低排放和高可靠性方向迅速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)不斷提升[1]。目前，大功率柴油機(jī)的平均有效壓力最高可達(dá)3 MPa，活塞平均速度最高可達(dá)13 m/s，最高燃燒壓力可達(dá)24 MPa，燃油噴射壓力可達(dá)180 MPa左右，油耗可低至200 g/(kW·h)以下[2]。

通過(guò)高壓比的增壓器來(lái)提高進(jìn)氣壓力是提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的重要途徑之一。而隨著增壓器壓比的不斷提高,其與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的難度也逐漸增大。通過(guò)單一增壓器的匹配已經(jīng)難以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況范圍內(nèi)對(duì)于進(jìn)氣量的要求，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷工況下會(huì)出現(xiàn)熱負(fù)荷增加、扭矩不足等問(wèn)題。為此國(guó)內(nèi)外的研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出了進(jìn)排氣旁通增壓技術(shù)、可變幾何渦輪增壓技術(shù)、相繼增壓技術(shù)等多種新型的增壓技術(shù)，用以提升高增壓柴油機(jī)在部分負(fù)荷工況時(shí)的性能指標(biāo)[3]。其中，采用相繼增壓技術(shù)可使增壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)在較寬泛的運(yùn)行范圍內(nèi)達(dá)到良好的匹配，被認(rèn)為是改善高增壓柴油機(jī)性能的最成熟、可行的有效手段。本研究將對(duì)相繼增壓技術(shù)(Sequential Turbo-Charging，STC)的工作原理、國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)單介紹。

1 相繼增壓技術(shù)的工作原理

相繼增壓技術(shù)的工作原理是在由2臺(tái)以上增壓器并聯(lián)組成的增壓系統(tǒng)中，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況對(duì)于進(jìn)氣量的需求，確定投入使用的增壓器數(shù)量(見(jiàn)圖1)。在大負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，需要確保發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，所以全部增壓器均會(huì)投入使用，且都在高效率區(qū)內(nèi)運(yùn)行；而在部分負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，則可適時(shí)地減少所使用增壓器的數(shù)量，使排氣管中的廢氣能更集中地流過(guò)工作中的渦輪增壓器，以便保證工作中的渦輪增壓器仍然能在高效率區(qū)內(nèi)運(yùn)行，從而能更充分地利用廢氣能量來(lái)提高進(jìn)氣壓力，進(jìn)而改善柴油機(jī)部分負(fù)荷工況時(shí)的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性?？梢?jiàn)，通過(guò)相繼增壓可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在較寬的運(yùn)行工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓壓比(即進(jìn)氣壓力)的調(diào)節(jié)，是解決發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)匹配矛盾的有效方法之一，可以顯著改善柴油機(jī)中低負(fù)荷工況時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性與排放特性。

圖1 相繼增壓的工作過(guò)程示意

2 相繼增壓技術(shù)的應(yīng)用

相繼增壓技術(shù)最早的應(yīng)用案例可追溯到20世紀(jì)70年代，德國(guó)MTU公司在其生產(chǎn)的1163-03系列柴油機(jī)的12缸、16缸以及20缸機(jī)上首先采用了此技術(shù)。以該系列的20缸機(jī)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)上共裝有5臺(tái)增壓器，投入運(yùn)行的增壓器數(shù)量會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的降低而逐漸減少。100%～65%負(fù)荷時(shí)5臺(tái)增壓器全部投入使用，64%～53%負(fù)荷時(shí)使用4臺(tái)增壓器，52%～24%負(fù)荷時(shí)使用3臺(tái)增壓器，23%～4%負(fù)荷時(shí)使用2臺(tái)增壓器，而在4%負(fù)荷以下時(shí)僅有1臺(tái)增壓器投入運(yùn)行。通過(guò)采用相繼增壓技術(shù)該款柴油機(jī)的平均有效壓力提升約40%，單位功率質(zhì)量降低了約20%，發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到了顯著改善[4-5]。隨后MTU公司采用相繼增壓技術(shù)研發(fā)出了MTU956系列、MTU396系列和MTU595系列柴油機(jī)，并成功應(yīng)用于快艇、巡邏艇、潛艇以及艦艇等領(lǐng)域[6-8]。此外，MTU公司還陸續(xù)推出了多款采用相繼增壓技術(shù)的高速大功率柴油機(jī)，如MTU2000系列、MTU4000系列和MTU8000系列柴油機(jī)[9-12]。其中，20VMTU8000柴油機(jī)采用了由4臺(tái)增壓器組成的相繼增壓系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)其中的2臺(tái)增壓器始終處于工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至750 r/min，有3臺(tái)增壓器處于工作狀態(tài)，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至950 r/min，4臺(tái)增壓器都投入運(yùn)行。該增壓系統(tǒng)的工作方式大大提升了此款發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)的性能指標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率提升到了8 200 kW，而用于軍艦的機(jī)型，其最大功率甚至可以達(dá)到9 000 kW[13]。

用于“La Fayette”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦上的12VPA6-280STC柴油機(jī)同樣采用了相繼增壓技術(shù)[14-15]，該款發(fā)動(dòng)機(jī)由法國(guó)SEMT Pielstick公司研發(fā)，其增壓系統(tǒng)中共安裝了2臺(tái)增壓器，當(dāng)輸出功率低于標(biāo)定功率的50%時(shí)，通過(guò)關(guān)閉其中1臺(tái)增壓器壓氣機(jī)出口和渦輪進(jìn)口處的2個(gè)止回閥來(lái)減少投入運(yùn)行的增壓器數(shù)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相繼增壓功能[16]。采用相繼增壓后，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)能輸出更高的扭矩，并且燃油消耗率也可降低約12%，另外在煙度、積碳、排氣溫度等方面的性能也有所改善。之后，該公司在此發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上又推出了PA6B-STC系列柴油機(jī)，主要包括12缸、16缸、18缸和20缸4個(gè)不同型號(hào)，功率覆蓋范圍為5 350～8 910 kW，能夠滿足不同類型軍艦的航行需求[17]。

圖2 MTU20V8000柴油機(jī)增壓系統(tǒng)示意

美軍的LPD-17兩棲船塢運(yùn)輸艦上的主機(jī)(16VPC2-5柴油機(jī))采用相繼增壓技術(shù)后，標(biāo)定功率提高了約22%，油耗下降了約9%，并且低負(fù)荷工況時(shí)的性能指標(biāo)也得到了顯著改善[18-19]。此外，意大利Isotta Fraschini公司的V1312HPCR-4V柴油機(jī)、德國(guó)MAN公司的V28/33D STC 柴油機(jī)、日本Niigata公司的16V20FX柴油機(jī)以及芬蘭Wartsila公司的18V26X柴油機(jī)，也都通過(guò)采用相繼增壓技術(shù)達(dá)到了提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的目的[20]。

國(guó)內(nèi)對(duì)相繼增壓系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚，20世紀(jì)90年代末期，哈爾濱工程大學(xué)與中船重工408廠聯(lián)合研制了相繼增壓系統(tǒng)，并通過(guò)重新進(jìn)行優(yōu)化匹配，將其成功地應(yīng)用于16PA6-280STC柴油機(jī)上，使得該發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率提高了約10%，油耗降低了約14%，煙度降低了約55%，廢氣溫度降低了約30%[21]。此后，該校又與河南柴油機(jī)廠合作，對(duì) 620V12柴油機(jī)的增壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)了相繼增壓的功能，使得該款柴油機(jī)的扭矩提高了約87%，燃油消耗率降低了約15%，中低負(fù)荷工況時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到了大幅改善[22]。

3 相繼增壓技術(shù)的研究進(jìn)展

相繼增壓技術(shù)是通過(guò)控制投入使用的增壓器數(shù)量，來(lái)保證每臺(tái)工作中的增壓器都能在高效率區(qū)內(nèi)運(yùn)行，最大程度地增加新鮮空氣的進(jìn)氣量，能有效地改善缸內(nèi)的燃燒過(guò)程，進(jìn)而提升大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。近年來(lái)，為了進(jìn)一步提升相繼增壓技術(shù)的效能，國(guó)內(nèi)外的科研人員在相繼增壓階段選取、增壓器匹配技術(shù)以及瞬態(tài)控制技術(shù)等方面開(kāi)展了大量的研究工作。

相繼增壓系統(tǒng)的匹配需要同時(shí)考慮相繼增壓的階段選取與渦輪增壓器的選型。在綜合考慮柴油機(jī)的負(fù)荷范圍、轉(zhuǎn)速范圍、增壓器流量范圍以及整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度等因素的前提下，通過(guò)采用匹配仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式，最終確定相繼增壓階段以及增壓器的大小與數(shù)量。對(duì)于轉(zhuǎn)速范圍寬且輸出功率大的柴油機(jī)而言，更多的增壓器數(shù)目和增壓階段有利于保證發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況時(shí)增壓系統(tǒng)的高效運(yùn)行，但會(huì)增加增壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度與匹配難度，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性也會(huì)有所降低。

在相繼增壓系統(tǒng)的匹配過(guò)程中，選擇相同尺寸的渦輪增壓器可使運(yùn)行中的增壓器處于相同的工作狀態(tài)，避免出現(xiàn)增壓器之間的壓比、流量矛盾以及渦輪機(jī)能量分配的問(wèn)題，如20VMTU8000柴油機(jī)和12VPA6-280STC柴油機(jī)就采用了相同尺寸的增壓器；也可選擇不同尺寸的渦輪增壓器，以便更好地優(yōu)化柴油機(jī)全公況范圍內(nèi)的性能指標(biāo)，如德國(guó)MTU396TB94增壓柴油機(jī)使用了2臺(tái)ZRl70大型渦輪增壓器和1臺(tái)ZRl40小型渦輪增壓器，在轉(zhuǎn)速為600～2 100 r/min的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了五階段的相繼增壓，使該柴油機(jī)在每種工況下都能獲得較好的進(jìn)氣量[23]。國(guó)外的Galindo，Climent和Guardioh等人針對(duì)柴油機(jī)開(kāi)展過(guò)大小渦輪增壓器兩階段相繼增壓系統(tǒng)的研究工作[24-25]。

上海交通大學(xué)的張哲博士針對(duì)由不同尺寸的2臺(tái)渦輪增壓器組成的相繼增壓系統(tǒng)，開(kāi)展了三階段相繼增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)研究。大小渦輪相繼增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，2個(gè)增壓器并聯(lián)布置，在2個(gè)渦輪前分別安裝了大渦輪前切換閥(Valve before Big Turbine ,VBT) 和 小渦輪前切換閥(Valve before Small Turbine, VST)，而在2個(gè)壓氣機(jī)后分別安裝了大壓氣機(jī)后切換閥(Valve after Big Compressor,VBC)和小壓氣機(jī)后切換閥(Valve after Small Compressor, VSC)。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低速工況時(shí)只有小增壓器單獨(dú)工作；中速工況時(shí)在大增壓器切入的同時(shí)小增壓器切出，以便大增壓器能單獨(dú)工作；而在高轉(zhuǎn)速工況時(shí)2臺(tái)增壓器同時(shí)工作[26]。通過(guò)優(yōu)化三階段相繼增壓系統(tǒng)的匹配方案，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)大幅改善，尤其是在低速大負(fù)荷工況時(shí)，油耗降低了約7%，炭煙排放降低了約70%，渦輪前端的排氣溫度降低了約13%[27]。哈爾濱工程大學(xué)的高占斌在TBD234V12船用柴油機(jī)原機(jī)常規(guī)增壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成了大小渦輪增壓器三階段相繼增壓的匹配設(shè)計(jì)，并對(duì)采用大小增壓器三階段相繼增壓柴油機(jī)推進(jìn)特性工況下的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：與常規(guī)增壓模式相比，采用相繼增壓技術(shù)后NOx和炭煙的排放量都有明顯降低，且燃油消耗率也有所下降[28]。

圖3 大小渦輪相繼增壓系統(tǒng)示意

相繼增壓系統(tǒng)在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，可以有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放特性，但增壓系統(tǒng)工作模式的切換會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能的突變。由圖4可以看出，PA6B柴油機(jī)采用相繼增壓系統(tǒng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能在全工況范圍內(nèi)存在明顯的突變過(guò)程[29]。而切換過(guò)程中不合理的控制策略會(huì)導(dǎo)致增壓器喘振、空氣倒流、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)以及排放惡化等現(xiàn)象[30-32]。因此，相繼增壓系統(tǒng)的瞬態(tài)控制技術(shù)是一個(gè)重要的研究方向。瞬態(tài)控制技術(shù)需要完成切換過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡，保證切換過(guò)程能夠快速且順利地完成，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、增壓壓力、污染物排放等性能參數(shù)的突變幅度盡量減少。通過(guò)對(duì)切換延遲時(shí)間的優(yōu)化匹配，可以有效地改善切換過(guò)程的平穩(wěn)性。切換延遲時(shí)間指的是排氣控制閥開(kāi)關(guān)時(shí)刻與進(jìn)氣控制閥開(kāi)關(guān)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。根據(jù)增壓系統(tǒng)中增壓器的響應(yīng)特點(diǎn)，通過(guò)合理匹配進(jìn)氣控制閥的延遲開(kāi)啟或者關(guān)閉時(shí)刻，能夠有效保證瞬態(tài)切換過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡，而切換延遲時(shí)間設(shè)置過(guò)大或過(guò)小時(shí)，都容易導(dǎo)致增壓器出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

圖4 PA6B柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)與常規(guī)增壓系統(tǒng)的性能比較

Chesse和 Benvenuto等針對(duì)大功率柴油機(jī)兩階段相繼增壓系統(tǒng)，分別開(kāi)展了切換過(guò)程中瞬態(tài)控制參數(shù)的數(shù)值模擬研究，分析了增壓器切換過(guò)程中進(jìn)氣控制閥與排氣控制閥的開(kāi)啟間隔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律[33-34]。Mazuran等對(duì)船用柴油機(jī)采用大小渦輪增壓器的兩階段相繼增壓系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試與分析。結(jié)果表明，在增壓器切入過(guò)程中，受控壓氣機(jī)容易出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，而排氣控制閥容易出現(xiàn)短時(shí)頻繁開(kāi)關(guān)的現(xiàn)象[35]。

哈爾濱工程大學(xué)的王銀燕教授針對(duì)TBD234V12柴油機(jī)的相繼增壓系統(tǒng)，采用多目標(biāo)進(jìn)化算法對(duì)瞬態(tài)切換過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化匹配研究[36]。以切換延遲時(shí)間內(nèi)的燃油噴射量為設(shè)計(jì)變量，并將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率及缸內(nèi)最高燃燒壓力作為限制性條件，通過(guò)Sobol序列生成初始均勻種群，而后利用Pareto的非支配排序方法對(duì)柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)瞬態(tài)切換過(guò)程中的噴油控制策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后相繼增壓系統(tǒng)切換過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)炭煙排放量與轉(zhuǎn)速波動(dòng)量分別降低了79%和88%。

何清林等針對(duì)由不同尺寸渦輪增壓器組成的相繼增壓系統(tǒng)，按照螺旋槳推進(jìn)特性進(jìn)行了柴油機(jī)的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)研究[37]，確定了三階段相繼增壓的切換轉(zhuǎn)速以及最佳的切換延遲時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相繼增壓系統(tǒng)的切換過(guò)程中, 切換延遲時(shí)間不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。延遲時(shí)間太短，受控增壓器會(huì)發(fā)生倒流現(xiàn)象，而延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，受控增壓器則會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。

清華大學(xué)的陳華清在建立船用相繼增壓柴油機(jī)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)16PA6STC柴油機(jī)的增壓系統(tǒng)，開(kāi)展了切換過(guò)程中動(dòng)態(tài)性能的模擬仿真研究，確定了切換時(shí)機(jī)以及切換延遲時(shí)間[38]。較為理想的切換時(shí)機(jī)應(yīng)該是在打開(kāi)受控增壓器的排氣控制閥后, 當(dāng)受控增壓器的轉(zhuǎn)速略高于主增壓器時(shí)，立刻打開(kāi)受控增壓器的進(jìn)氣控制閥，完成增壓器的切入過(guò)程。

4 總結(jié)與展望

相繼增壓技術(shù)能拓展大功率柴油機(jī)的運(yùn)行范圍，并能顯著改善低負(fù)荷工況時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。該技術(shù)在國(guó)外大功率柴油機(jī)上的應(yīng)用相對(duì)更成熟，而國(guó)內(nèi)對(duì)相繼增壓技術(shù)的應(yīng)用與研發(fā)起步均較晚，仍需加大科研投入力度以便盡快趕超國(guó)際先進(jìn)水平，而研究?jī)?nèi)容應(yīng)重點(diǎn)集中在相繼增壓的階段選取、增壓器匹配以及瞬態(tài)控制等方面。

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[編輯： 潘麗麗]

Review of Sequential Turbocharging Technology for High Power Diesel Engine

LI Jing1, BAI Honglin2, LI Yaozong2, WANG Ziyu2

(1. Naval Deputy Office of Xingping District， Xingping 713105, China； 2. China North Engine Research Institute， Tianjin 300400， China)

With the continuous development of high power diesel engines toward the trend of high turbocharging, high power density, wide speed range and low emission, the matching problems between turbocharging system and diesel engine became more obvious, especially at low load and low speed. Sequential turbocharging system could match well with diesel engine in a wide operating range, which was thought to be the most mature technical measures to improve the performance of high turbocharged diesel engine. Therefore, the working principle of the sequential turbocharging system, the application, the research status and development trend at home and abroad were mainly introduced.

diesel engine； sequential turbocharging； comprehensive review

2017-04-06；

2017-08-07

李京(1979—)，男，工程師，主要從事艦船柴油機(jī)的質(zhì)量監(jiān)督和檢驗(yàn)驗(yàn)收；li_jing020@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.015

TK421.8

A

1001-2222(2017)04-0073-05