兩級相繼增壓柴油機(jī)性能仿真研究

賀添祺

摘要：兩級相繼增壓技術(shù)結(jié)合了兩級增壓技術(shù)和相繼增壓技術(shù)，在提高原機(jī)單級增壓比的同時，拓寬了工作流量的匹配范圍，本文基于GTPOWER軟件搭建一維模型并與SIMULINK軟件進(jìn)行耦合，以一臺船用高速柴油機(jī)作為研究對象，將原機(jī)單級增壓系統(tǒng)改裝為兩級相繼增壓系統(tǒng)，對其推進(jìn)特性與萬有特性進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計算，并與原機(jī)的實驗結(jié)果進(jìn)行限制條件的對比。結(jié)果表明，兩級相繼增壓在推進(jìn)與萬有特性模式下，相對于原機(jī)時，燃油消耗率均有所下降，最高爆發(fā)壓力均有所提高，NOX排放量增加，Soot排放量降低。除此之外，本文還對該柴油機(jī)進(jìn)行了瞬態(tài)仿真計算，對1TC與2TC切換時空氣閥與燃?xì)忾y之間的開關(guān)時刻進(jìn)行了比較和分析，得到了較為合理的開關(guān)延遲時刻。

Abstract： Two-stage sequential turbocharging technology combines two-stage turbocharging technology and sequential turbocharging technology， which improves the single-stage turbocharging ratio of the engine and widens the matching range of workflow. This paper builds a one-dimensional model based on GTPOWER software and couples it with SIMULINK software. Taking a high-speed marine diesel engine as the research object， the original single-stage turbocharging system is modified to two-stage sequential turbocharging system. The steady-state simulation calculation of the propulsion and universal characteristics of the pressure system is carried out， and the limitation conditions are compared with the experimental results of the original machine. The results show that the fuel consumption rate decreases， the maximum explosion pressure increases， the NOX emission increases and the Soot emission decreases compared with the original engine under the propulsion and universal characteristics mode. In addition， the transient simulation calculation of the diesel engine is carried out， and the switching time between air valve and gas valve is compared and analyzed when 1TC and 2TC are switched， and a more scientific switching delay time is obtained.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);萬有特性;兩級相繼增壓;空氣閥;推進(jìn)特性;延遲時刻;切換邊界;燃?xì)忾y

Key words： diesel engine;universal characteristics;two-stage sequential turbocharging;air valve;propulsion characteristics;delay time;switching boundary;gas valve

0 ?引言

為解決柴油機(jī)與渦輪增壓器聯(lián)合運(yùn)行時出現(xiàn)的非設(shè)計工況匹配問題以及單級壓比不能達(dá)到柴油機(jī)功率需求的問題，研究人員對渦輪增壓系統(tǒng)本身及其運(yùn)行方式進(jìn)行不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了兩級增壓技術(shù)，相繼增壓技術(shù)等解決方案[1]。國外方面，MTU公司一直致力于高速大功率柴油機(jī)的研制，并首先采用了相繼增壓技術(shù)來擴(kuò)大柴油機(jī)的功率范圍，提高柴油機(jī)在非設(shè)計匹配工況下運(yùn)行的性能[2]。我國在相繼增壓技術(shù)研究方面也取得了很大的進(jìn)展，哈爾濱工程大學(xué)率先對相繼增壓柴油機(jī)的工作過程進(jìn)行了分析計算，隨后與陜西柴油機(jī)重工有限公司合作，以12PA6V-280MPC柴油機(jī)為研究對象，改裝建立相繼增壓系統(tǒng)并進(jìn)行試驗和理論研究，多項專利獲得了國內(nèi)外專家的認(rèn)可。兩級增壓系統(tǒng)定義為將兩臺增壓器按照氣流關(guān)系串聯(lián)布置的增壓系統(tǒng)，并在高壓渦輪端布置旁通調(diào)節(jié)閥，高壓級渦輪旁通閥的作用是在不同負(fù)荷決定增壓系統(tǒng)全部（2TC）或部分（1TC）投入工作。在2002年，Borg Warner與MAN公司共同設(shè)計制造了裝配有可調(diào)兩級渦輪增壓系統(tǒng)的MAN D2842LE409型船舶高速柴油機(jī)，分別采用K31與K36.5型增壓器作為兩級增壓系統(tǒng)的高、低壓級，高壓級渦輪旁通閥起到當(dāng)柴油機(jī)工況發(fā)生變化時，對流經(jīng)高壓級渦輪的廢氣流量調(diào)節(jié)以調(diào)整壓比分配的作用。為發(fā)揮兩級增壓與相繼增壓技術(shù)的優(yōu)勢，本文基于某型高速船用柴油機(jī)建立了兩級相繼增壓柴油機(jī)一維仿真模型，確定了推進(jìn)特性下1TC與2TC切換工況，并與原機(jī)進(jìn)行了比較，此外還進(jìn)行了瞬態(tài)過程仿真計算，最終確定了控制策略[3-4]。

1 ?兩級相繼增壓仿真模型的建立

本文基于一臺船用高速柴油機(jī)，主要參數(shù)如表1所示。

通過GT-POWER建立一維仿真平臺，通過原機(jī)的仿真與實驗數(shù)據(jù)的對比，如圖1所示，仿真與實驗結(jié)果誤差均在5%范圍內(nèi)，可以達(dá)到仿真要求，在原機(jī)的基礎(chǔ)上將單級增壓改為兩級相繼增壓系統(tǒng)，應(yīng)用GT-POWER軟件建立一維仿真平臺，如圖2所示。

2 ?推進(jìn)特性下兩級相繼增壓分析

通過該型兩級相繼增壓柴油機(jī)分別在1TC，2TC模式下以推進(jìn)特性進(jìn)行仿真計算，與原機(jī)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性，限制性和排放污染物作為評價指標(biāo)進(jìn)行對比，幫助我們更好理解兩級相繼增壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 經(jīng)濟(jì)性方面兩級相繼增壓與原機(jī)對比

如圖3所示，兩級相繼增壓系統(tǒng)在整個運(yùn)行工況下燃油消耗率相比于原機(jī)均有所降低，經(jīng)濟(jì)性在整個運(yùn)行范圍內(nèi)都有了較大的提高。

2.2 限制性方面兩級相繼增壓與原機(jī)對比

如圖4、圖5所示，兩級相繼增壓最高爆發(fā)壓力要高于原機(jī)，且存在接近爆壓極限的情況，對此，我們可以通過加裝旁通裝置來降低最高爆發(fā)壓力，而渦輪前排氣溫度也高于原機(jī)，但距離溫度限制線還存在一定的裕度。

2.3 排放性方面兩級相繼增壓與原機(jī)對比

由圖6、圖7可知，兩級相繼增壓在1TC與2TC模式下NOX排放量均相對于原機(jī)提高，Soot排放量相對于原機(jī)降低，這是由于兩級相繼增壓系統(tǒng)相對于原機(jī)，進(jìn)氣流量提高，滿足NOX生成條件的富氧，不滿足Soot生成條件的貧氧所導(dǎo)致。

2.4 推進(jìn)特性瞬態(tài)過程仿真

當(dāng)負(fù)荷增大到一定程度，只有1TC不能滿足柴油機(jī)正常工作所需的進(jìn)氣量，應(yīng)切換到2TC模式下運(yùn)作，反之負(fù)荷降低時，2TC又會導(dǎo)致渦輪效率降低，此時應(yīng)切換到1TC模式。我們通過經(jīng)濟(jì)性最佳原則通過圖8得到切換點(diǎn)最佳轉(zhuǎn)速[5]。

由圖可知，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性最佳原則，可以得到切換邊界為50%負(fù)荷，轉(zhuǎn)速為1429r/min，功率222kW[6]。兩級相繼增壓柴油機(jī)推進(jìn)特性模式切換過程可分為兩種：上行切換與下行切換[7]。上行切換為柴油機(jī)以螺旋槳特性運(yùn)行時負(fù)荷增大過程中，跨過運(yùn)行模式切換邊界點(diǎn)時，燃?xì)忾y與空氣閥打開受控增壓器切入工作時柴油機(jī)性能參數(shù)的瞬態(tài)過程;下行切換為以螺旋槳特性運(yùn)行負(fù)荷減小，跨過運(yùn)行模式切換邊界點(diǎn)時，燃?xì)忾y與空氣閥關(guān)閉受控增壓器退出工作時柴油機(jī)性能參數(shù)的瞬態(tài)過程。將GT-POWER軟件與Simulink軟件進(jìn)行耦合來建立兩級相繼增壓柴油機(jī)推進(jìn)特性切換瞬態(tài)過程仿真平臺，示意圖如圖9所示。

1TC與2TC模式的切換是通過開關(guān)空氣閥與燃?xì)忾y達(dá)到的，由于空氣閥與燃?xì)忾y開啟時間相差過長或過短都會導(dǎo)致增壓器的喘振現(xiàn)象，下面我們將從上行切換和下行切換具體分析空氣閥與燃?xì)忾y的控制規(guī)律[8]。

上行切換：通過對壓氣機(jī)MAP圖的分析，我們可以得到，當(dāng)燃?xì)忾y與空氣閥開啟時間間隔為1.2s時，高低壓級基本增壓器與受控增壓器與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)均在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，由此得到，燃?xì)忾y先開啟，空氣閥在1.2秒后開啟，為最佳閥門控制時刻[9]。（圖10）

下行切換：通過對壓氣機(jī)MAP圖的分析，我們可以得到，當(dāng)燃?xì)忾y與空氣閥關(guān)閉時間間隔為0.5s時，高低壓級基本與受控增壓器與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)均在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，由此可得，空氣閥先關(guān)閉，燃?xì)忾y在0.5s后關(guān)閉為最佳閥門控制策略[10]。（圖11）

3 ?結(jié)論

通過兩級相繼增壓柴油機(jī)與原機(jī)在經(jīng)濟(jì)性，限制性，排放性方面，在推進(jìn)特性下進(jìn)行分析對比，并在瞬態(tài)情況下進(jìn)行切換控制策略的研究，得到了以下結(jié)論。

①經(jīng)濟(jì)性方面，兩級相繼增壓柴油機(jī)在推進(jìn)特性與萬有特性下經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于原機(jī)。

②限制性方面，兩級相繼增壓最高爆壓在兩種特性下均接近限制值，可以通過加裝旁通裝置進(jìn)行限制，渦輪前排溫與限制值之間存在裕度。

③排放性方面，由于排放物NOX與Soot本身的生成特性，兩級相繼增壓在兩種特性下NOX生成量多于原機(jī)，Soot生成量少于原機(jī)。

④推進(jìn)特性下瞬態(tài)切換過程，上行切換時，燃?xì)忾y應(yīng)相對于空氣閥提前1.2s開啟，下行切換時，燃?xì)忾y應(yīng)相對于空氣閥滯后0.5s關(guān)閉。

參考文獻(xiàn)：

[1]Shi Xin. Simulation of the Performance of Two-stage Turbocharged Diesel Engine with Different LP/HP Pressure Ratios[A].中國汽車工程學(xué)會.第19屆亞太汽車工程年會暨2017中國汽車工程學(xué)會年會論文集[C].中國汽車工程學(xué)會，2017：8.

[2]李京，白洪林，李耀宗，王子玉.大功率柴油機(jī)相繼增壓技術(shù)研究綜述[J].車用發(fā)動機(jī)，2017（04）：73-77，83.

[3]袁帥.某型高速柴油機(jī)兩級相繼增壓系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2018.

[4]A. Romagnoli， G. Vorraro， S. Rajoo， C. Copeland， R. Martinez-Botas， Characterization of a supercharger as boosting & turbo-expansion device in sequential multi-stage systems， In Energy Conversion and Management， Volume 136， 2017， Pages 127-141， ISSN 0196-8904.

[5]劉博，李華雷，胡志龍，石磊，鄧康耀.可調(diào)兩級增壓柴油機(jī)瞬態(tài)加載性能的試驗[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2012，30（02）：107-112.

[6]李琦.某16V型柴油機(jī)相繼增壓性能分析[D].哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[7]李昕光，王銀燕，何清林.柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)瞬態(tài)切換策略試驗研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2013，34（08）：972-977.

[8]楊傳雷.柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)防喘振技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2011：105-126.

[9]王賀春.TBD234V12柴油機(jī)相繼增壓技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2004.

[10]王銀燕，何清林，王賀春，張鵬奇.柴油機(jī)采用4臺增壓器相繼增壓性能的試驗研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2012，33（01）：6-10，17.