慢速船上柴油機(jī)和渦輪增壓器配合影響因素與特性研究

楊偉

摘 ?要：渦輪增壓器是現(xiàn)代柴油機(jī)運(yùn)行中非常重要的一部分，可以顯著地提升柴油機(jī)的運(yùn)行性能以及燃燒效率，降低柴油機(jī)的燃油消耗，在進(jìn)行慢速船柴油機(jī)與渦輪增壓器的配合時(shí)，容易出現(xiàn)渦輪增壓器喘振的現(xiàn)象，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。該文對(duì)渦輪增壓器的喘振裕度進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)渦輪增壓器喘振裕度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)保證柴油機(jī)和渦輪增壓器之間配合良好。

關(guān)鍵詞：慢速船 ?柴油機(jī) ?渦輪增壓器

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.121 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）05（a）-0076-02

隨著現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展，廢氣渦輪增壓器已經(jīng)普遍用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，能夠有效地提升發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，同時(shí)能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的能源消耗以及廢氣排放，提高柴油機(jī)與渦輪增壓器的配合有助于進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)的綜合性能。然而，慢速船上的柴油機(jī)渦輪增壓器是以靜止?fàn)顟B(tài)設(shè)計(jì)的，在實(shí)際的使用過(guò)程中必定會(huì)造成渦輪增壓器性能的變化，甚至?xí)霈F(xiàn)一些潛在的隱患，比如渦輪增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢、廢氣渦輪工作卡滯以及柴油機(jī)排氣歧管溫度過(guò)高等現(xiàn)象，造成柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率不穩(wěn)定，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效果。為此，該文對(duì)慢速船上柴油機(jī)和渦輪增壓器的配合影響因素與特性進(jìn)行研究。

1 ?柴油機(jī)和渦輪增壓器配合影響因素

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)排出廢氣，渦輪增壓器在廢氣的推動(dòng)下開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，并對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣孔處的空氣進(jìn)行壓縮，提高柴油機(jī)燃燒室的氧氣密度，改善柴油機(jī)的運(yùn)行性能。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)渦輪增壓器中的廢氣量逐漸減少時(shí)，會(huì)使廢氣在渦輪增壓器中的運(yùn)動(dòng)路徑與設(shè)計(jì)路徑相偏離，使氣流在葉片及擴(kuò)壓器位置被強(qiáng)行分開(kāi)，同時(shí)會(huì)引起裝置的振動(dòng)，并伴有低沉的吼叫聲，這就是渦輪增壓器的喘振現(xiàn)象[1]。喘振現(xiàn)象會(huì)影響到柴油機(jī)和渦輪增壓器間的匹配，必須要對(duì)其進(jìn)行合理的控制，正常情況下柴油機(jī)在任何工況下運(yùn)行渦輪增壓器的喘振裕度都需要高于15%[2]。

1.1 渦輪增壓器喘振裕度

喘振是比較常見(jiàn)的渦輪增壓器運(yùn)行現(xiàn)象，一般情況下渦輪增壓內(nèi)部的增壓部件為偏心式壓氣機(jī)，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中排氣量以及壓力值會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，兩者在進(jìn)行配合的過(guò)程中必須保證壓氣機(jī)能夠在各階段的排氣量以及壓力值下正常運(yùn)行?，F(xiàn)以MAN-B&W公司的7S60MC–C慢速船用柴油機(jī)為例，探討其在各個(gè)階段對(duì)渦輪增壓器壓氣機(jī)的排氣量以及壓力值要求，并將其繪制成曲線(xiàn)圖，如圖1所示。曲線(xiàn)圖中的Engine Opearting Line表示的是柴油機(jī)和渦輪增壓器理想配合狀態(tài)，壓氣機(jī)的工作曲線(xiàn)必須要在其附近區(qū)域才能保證柴油機(jī)和增壓器匹配良好。在經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)探索后可以發(fā)現(xiàn)，更改壓氣機(jī)中的葉片面積以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度能夠促使其工作曲線(xiàn)左右浮動(dòng)[3]。

1.2 喘振裕度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

在柴油機(jī)完成磨合階段，并且調(diào)整好運(yùn)行的工作程序后，對(duì)渦輪增壓器的喘振裕度進(jìn)行測(cè)定，保證其在正常的范圍內(nèi)，進(jìn)而確保渦輪增壓器能夠正常工作。為此，要對(duì)渦輪增壓器的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主要分為了3個(gè)部分。

第一，待柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率下轉(zhuǎn)速保持相對(duì)穩(wěn)定后，將渦輪增壓器各個(gè)不同區(qū)域中的性能參數(shù)記錄下來(lái)。

第二，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在CMCR位置處工作時(shí)，記錄渦輪增壓器的喘振數(shù)值，同時(shí)以下圖2中的“S”線(xiàn)為導(dǎo)向慢慢提高排氣背壓。

第三，以圖2中“S”線(xiàn)為基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)渦輪增壓器，若沒(méi)有發(fā)生喘振現(xiàn)象，那么說(shuō)明渦輪增壓器喘振強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求，對(duì)渦輪增壓器的穩(wěn)定性測(cè)試成功;若發(fā)生了喘振現(xiàn)象，那么渦輪增壓器公司就需要依據(jù)實(shí)際的測(cè)試現(xiàn)象對(duì)擴(kuò)壓環(huán)進(jìn)行重新模擬、設(shè)計(jì)[4]。

2 ?柴油機(jī)和增壓器配合良好特征分析

當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器每個(gè)參數(shù)的配合工作結(jié)束后，若兩者配合成功，則柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器在工作過(guò)程中表現(xiàn)為以下特征。

第一，柴油機(jī)處于額定功率轉(zhuǎn)速位置時(shí)，能夠提供充足的掃氣壓力以及廢氣量，同時(shí)保證有充盈的空氣含量，確保燃料能夠充分燃燒，降低燃油消耗量。

第二，柴油機(jī)處于低功率運(yùn)行時(shí)，需要保證有足夠的空氣含量，滿(mǎn)足基本的燃料需求，同時(shí)緩解排氣位置的熱效應(yīng)。

第三，在柴油機(jī)任何一個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，渦輪增壓器均能正常、穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)喘振以及堵塞等現(xiàn)象[5]。

3 ?結(jié)論

第一，在進(jìn)行柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓的配合實(shí)驗(yàn)時(shí)，要以GB中的數(shù)據(jù)為參考，結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而得到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行所要的掃氣壓力值。

第二，在進(jìn)行柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓的配合實(shí)驗(yàn)時(shí)，所選用的渦輪增壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)效率也不是越高越好，在實(shí)際選擇過(guò)程中要結(jié)合柴油機(jī)的性能參數(shù)以及增壓器的工作形式進(jìn)行綜合考慮，從而選出符合實(shí)際工況的渦輪增壓器工作效率值。

第三，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器進(jìn)行配合實(shí)驗(yàn)，本質(zhì)上就是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣壓力、增壓器工作效率值以及喘振裕度3個(gè)因素進(jìn)行配合，力求尋找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪計(jì)民，劉越，石秀勇，等.可變噴嘴渦輪增壓及廢氣再循環(huán)系統(tǒng)改善柴油機(jī)排放性能[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（16）：82-88.

[2] 王海燕，赫偉建，張旭升，等.渦輪增壓器熱力學(xué)模型與柴油機(jī)動(dòng)態(tài)仿真[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2017，38（2）：128-134.

[3] 何清林，王賀春，王銀燕，等.船用V型柴油機(jī)大小渦輪增壓器相繼增壓切換過(guò)程試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2013，34（2）：12-17，23.

[4] 郭鵬江，王天靈，吳君華，等.可變噴嘴渦輪增壓器噴嘴環(huán)葉片位置對(duì)柴油機(jī)性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31（2）：41-47.

[5] 孫萬(wàn)臣，韓永強(qiáng)，劉忠長(zhǎng)，等.可變噴嘴渦輪增壓器對(duì)車(chē)用柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響[J].汽車(chē)工程，2006（2）：122-124.