船用柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)探究

趙云鵬

摘要：渦輪增壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高功率和低油耗目標(biāo)的主要措施，且渦輪增壓技術(shù)與柴油機(jī)的性能優(yōu)化可以為船舶的設(shè)計(jì)和制造提供關(guān)鍵的技術(shù)支持，保障船用柴油機(jī)的工作效率和使用周期。考慮到很多船舶在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行工作，船舶柴油機(jī)作為船舶機(jī)械當(dāng)中故障頻率最多的系統(tǒng)之一，需要重點(diǎn)解決功率問(wèn)題、結(jié)構(gòu)問(wèn)題，從渦輪增壓技術(shù)的角度實(shí)現(xiàn)模塊化、智能化和節(jié)能環(huán)保運(yùn)作。

關(guān)鍵詞：船用;柴油機(jī);渦輪增壓技術(shù)

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0043-02

0? 引言

我國(guó)國(guó)際航運(yùn)與航海事業(yè)發(fā)展速度較快，而柴油機(jī)一直以來(lái)都是船舶的主要?jiǎng)恿?lái)源，從這一角度來(lái)看，柴油機(jī)的工作性能和安全使用壽命和船舶質(zhì)量之間密切相關(guān)。由于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在船舶長(zhǎng)期運(yùn)行的狀態(tài)下，柴油機(jī)的熱負(fù)荷處于較高水準(zhǔn)。

熱變形量增加以加劇了磨損問(wèn)題。如何在保障工作性能的前提下有效地讓柴油機(jī)有著良好的使用壽命，也是必須解決的技術(shù)問(wèn)題。

1? 柴油機(jī)的工作過(guò)程與理論基礎(chǔ)

1.1 物理模型

船用柴油機(jī)熱效率較高，對(duì)于各類船舶的適應(yīng)性良好，從出現(xiàn)后就被作為船舶的主要推進(jìn)動(dòng)力，且在20世紀(jì)50年代之后的船舶當(dāng)中，柴油機(jī)幾乎已經(jīng)完全取代蒸汽機(jī)提供動(dòng)力支持。時(shí)至今日已經(jīng)成為民用船舶甚至是某些艦艇的主要?jiǎng)恿?lái)源，包括低速柴油機(jī)、中速柴油機(jī)和高速柴油機(jī)。一個(gè)完整的柴油機(jī)包含幾個(gè)不同的部分，包括進(jìn)氣管、渦輪增壓器、空冷器、氣缸和排氣管，且很多柴油機(jī)在低負(fù)荷的工作狀態(tài)下還會(huì)設(shè)置輔助風(fēng)機(jī)以提供足夠的空氣量。通常情況下進(jìn)氣管的容積比較大，內(nèi)部的氣體壓力和溫度保持固定，不過(guò)增壓器處于不穩(wěn)定的狀態(tài)下時(shí)進(jìn)氣管內(nèi)的壓力和溫度會(huì)因此產(chǎn)生波動(dòng)，甚至?xí)虼硕鴮?dǎo)致進(jìn)氣諧振問(wèn)題，此時(shí)要對(duì)管內(nèi)的氣動(dòng)過(guò)程以及氣缸的充氣過(guò)程進(jìn)行綜合分析。在正常的循環(huán)之內(nèi)，渦輪帶吸收的功和壓氣機(jī)消耗的功屬于同一水平線，在同一個(gè)循環(huán)之內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定。在處理氣缸的過(guò)程當(dāng)中，如果內(nèi)部的氣體壓力溫度等參數(shù)保持均勻，那么柴油機(jī)本身處于瞬時(shí)熱力平衡狀態(tài)，氣體的狀態(tài)參數(shù)可以被認(rèn)為是時(shí)間函數(shù)。

對(duì)于渦輪增壓器的性能分析，結(jié)合能量守恒定律的核心理論，我們?cè)谡归_(kāi)性能模擬過(guò)程中要考慮幾個(gè)方面的影響因素，例如考慮到渦輪機(jī)輸出功率和壓氣機(jī)吸收功率的差異數(shù)值問(wèn)題，并且處于恒定狀態(tài)下才可以進(jìn)行建模處理。

1.2 柴油機(jī)系統(tǒng)模型

按照柴油機(jī)的工作特征，可以將其劃分為不同類型的“子系統(tǒng)”，然后在建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程當(dāng)中，綜合考慮熱力學(xué)學(xué)科知識(shí)和物理模型等定量?jī)?nèi)容，展開(kāi)描述獲取模型內(nèi)部包含的物理參量，為實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供技術(shù)支持。在額定工況狀態(tài)下，可以將柴油機(jī)廢氣作為渦輪增壓劑的主要?jiǎng)恿?lái)源，并且在相同的氣缸容積條件下，充入的空氣量越多，柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣密度越大，因此柴油機(jī)的功更大[1]。而增壓壓力與柴油機(jī)氣缸平均壓力、廢氣排溫等參數(shù)之間也存在著聯(lián)系，因此需要采用較高的增壓壓力來(lái)達(dá)到所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

2? 渦輪增壓技術(shù)的分析與系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 渦輪增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與柴油機(jī)工作問(wèn)題

船用柴油機(jī)一般為兩沖程并非自然吸氣，冷卻器在進(jìn)氣管路一端。渦輪增壓的柴油機(jī)在工作狀態(tài)下會(huì)通過(guò)渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)等設(shè)備的工作，以確保柴油機(jī)的增壓效果，此時(shí)除去渦輪增壓機(jī)的能量支持之外，還會(huì)利用到排氣能量，很大程度上與渦輪增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案有關(guān)，并且影響到柴油機(jī)的燃油消耗問(wèn)題、增壓壓力、排氣壓力等參數(shù)。在排氣量能夠得到有效應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該在排氣過(guò)程當(dāng)中的排氣管壓力迅速下降以減少排氣環(huán)節(jié)的泵氣損失，并且排氣壓力波產(chǎn)生的波谷對(duì)掃氣過(guò)程的影響非常明顯，表現(xiàn)在對(duì)進(jìn)氣和排氣壓力差的合理控制。在很多研究當(dāng)中也提到，增壓柴油機(jī)為了能有效地應(yīng)用排氣脈沖能量需要控制排氣管溶劑，選擇管徑更小的排氣管，在到達(dá)渦輪區(qū)域之后，一部分壓力波可以讓渦輪保持做功狀態(tài)，另一部分的壓力鍋則從渦輪端反射。如果要對(duì)渦輪增壓技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么需要基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行控制，包括排氣管長(zhǎng)度、直徑和管截面面積的調(diào)整。

以比較常見(jiàn)的烏輪增壓系統(tǒng)為例，在常規(guī)增加方式下的空氣流量和增加壓力與戰(zhàn)術(shù)之間密切相關(guān)，同時(shí)也和柴油機(jī)的負(fù)荷情況相關(guān)。這說(shuō)明如果柴油機(jī)處于低負(fù)荷的工作狀態(tài)之下，那么增壓器處于低效工作模式，導(dǎo)致增壓器和柴油匹配問(wèn)題更加明顯。為了改善此類情況，可以通過(guò)相繼渦輪增壓系統(tǒng)來(lái)確保柴油機(jī)在低功耗時(shí)仍然具有穩(wěn)定的增加壓力，防止空氣流量和增加壓力大幅降低導(dǎo)致的性能缺陷，使柴油機(jī)的燃油消耗率、熱負(fù)荷在運(yùn)行區(qū)域內(nèi)比較低，不過(guò)要考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性。

通常來(lái)說(shuō)在額定的工況之下排氣管的長(zhǎng)度與柴油機(jī)性能之間的關(guān)系和最大轉(zhuǎn)矩工況時(shí)比較接近，排氣支管長(zhǎng)度不發(fā)生改變的前提之下，燃油消耗率會(huì)隨著排氣管長(zhǎng)度的增加而增加;在排氣總管長(zhǎng)度不變時(shí)，則柴油機(jī)的功率會(huì)隨著排氣支管的長(zhǎng)度增加而減少。為了能夠保障排氣壓力波以增加排氣能量，可以在后續(xù)的技術(shù)調(diào)整環(huán)節(jié)選擇一些更短的排氣管保障柴油機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩性能。

此外排氣管直徑與氣體流動(dòng)速度之間同樣存在關(guān)聯(lián)，在排氣管長(zhǎng)度不變時(shí)排氣管直徑減少會(huì)讓容積減小，排氣管的壓力建立速度加快，內(nèi)外壓力差縮小后節(jié)流損失能夠降到最低，從而提升脈沖能量的利用效率。反之排氣管直徑過(guò)小也會(huì)讓排氣管內(nèi)的流速增加，引起流動(dòng)損失。轉(zhuǎn)速的變化會(huì)直接引起柴油機(jī)的性能變化，某些低速工況下的技術(shù)要求也需要進(jìn)行排氣總管的直徑優(yōu)化措施。

從截面面積的角度來(lái)看，排氣支管的三種形式包括收縮管、擴(kuò)張管和等截面管，而排氣支管從收縮到擴(kuò)張的全過(guò)程當(dāng)中，會(huì)讓柴油機(jī)的功率始終處于一個(gè)比較穩(wěn)定的上升狀態(tài)，此時(shí)燃油消耗率下降后，擴(kuò)張排氣支管也會(huì)降低強(qiáng)制性的氣功損失，讓泵氣的有效壓力維持平穩(wěn)。氣缸當(dāng)中的氣流擴(kuò)壓后，也會(huì)轉(zhuǎn)化為流速更低的氣流進(jìn)入總管區(qū)域內(nèi)，渦輪始終在平穩(wěn)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，整體的性能良好[2]。

2.2 渦輪增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)一方面包括優(yōu)化任務(wù)的分析，另一方面則包括合適的優(yōu)化算法尋找最優(yōu)解，并且定位于某個(gè)能夠滿足計(jì)算精度的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬程序設(shè)計(jì)。以當(dāng)前的渦輪增壓系統(tǒng)來(lái)看良好的渦輪增壓系統(tǒng)在排氣能量的傳遞效率上會(huì)比較高，此時(shí)氣缸的廢氣能量有很大一部分可以直接被轉(zhuǎn)換為可靠的渦輪動(dòng)能，如果我們使用渦輪有關(guān)的函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可以基于柴油機(jī)的性能要求來(lái)確定燃油消耗率。在確定設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)之后就應(yīng)該建立優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型對(duì)柴油機(jī)的過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。由于前文提到合理地利用排氣管當(dāng)中的壓力波可以讓進(jìn)氣更加充分，因此在評(píng)估渦輪增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)前提之下，可以對(duì)某些結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)確保柴油機(jī)的燃油消耗率處于較低的水平。

在工作實(shí)踐當(dāng)中，我們要確定排氣總管長(zhǎng)度直徑，同時(shí)也要規(guī)劃好排氣支管長(zhǎng)度直徑，使各項(xiàng)參數(shù)始終處于正常標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

2.3 系統(tǒng)方案確定

以當(dāng)前的船用柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)為例，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中會(huì)考慮到渦輪增壓系統(tǒng)的不同類型，如常見(jiàn)的電壓系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)，以及部分特殊船只所使用的MPC系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各個(gè)缸的工作狀態(tài)受到渦輪效率和掃氣干擾的影響。

定壓系統(tǒng)的特征是渦輪前排氣管內(nèi)的壓力恒定，特別是加速狀態(tài)時(shí)會(huì)有較大的黑煙，原因在于燃燒過(guò)量空氣不足。脈沖系統(tǒng)在高增壓時(shí)系統(tǒng)的流動(dòng)損失比較明顯，排氣管當(dāng)中的壓力會(huì)造成不同的壓力變動(dòng)。MPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，壓力波動(dòng)和定壓系統(tǒng)比較接近，不需要采用脈沖系統(tǒng)所必須的葉片防振措施，如果在加速運(yùn)行的狀態(tài)下，定壓系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)能夠同步體現(xiàn)，這說(shuō)明排氣能量的價(jià)值更高。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度而言，我們根據(jù)氣體的正常流動(dòng)規(guī)律，因防止氣體在流動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生過(guò)度碰撞，從而帶來(lái)嚴(yán)重的能量損失。所以渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)確定各個(gè)缸的掃氣工作狀態(tài)和氣流流動(dòng)方向，使得氣流在進(jìn)入彎管之前就保持比較均勻的管截面壓力。另外需要注意的是，氣流流動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致能量改變，進(jìn)入彎管段之后的氣流也會(huì)在離心慣性力的影響下，讓氣體脫離壁面然后在壁面附近形成渦流區(qū)。對(duì)于排氣管的布置，可以將原彎曲半徑加大后再縮小縮口率，讓掃氣系數(shù)增加，低工況下的泵氣功損失最小。

系統(tǒng)上游區(qū)域的氣流壓力波峰會(huì)將部分壓力直接轉(zhuǎn)換為速度能，出口區(qū)域形成低壓區(qū)，在低壓區(qū)的影響下，排氣管當(dāng)中的部分氣體排出速度非常快，整個(gè)掃氣過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定。由于上游氣缸排氣狀態(tài)下氣流處于向上傾斜狀態(tài)，所以改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)也不會(huì)對(duì)截面產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至在某些情況下可以阻止回流[4]。綜合來(lái)看，定壓系統(tǒng)、脈沖系統(tǒng)和MPC系統(tǒng)有著各自的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用范圍，且按照氣體流動(dòng)理念和流動(dòng)損失分析可以設(shè)計(jì)一種新的排氣管，滿足船用柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)特性、加速特性，充分體現(xiàn)出渦輪增壓技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2.4 柴油機(jī)工作數(shù)值選擇和燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化

前位提到按照柴油機(jī)的工作特征可以分解為不同的子系統(tǒng)，包括渦輪增壓器、進(jìn)氣管、排氣管等，在柴油機(jī)的工作數(shù)值選擇方面同樣可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如在增壓壓力方面通過(guò)柴油機(jī)的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器能夠讓柴油機(jī)功更大，而壓縮比變動(dòng)也會(huì)讓燃油消耗率和廢氣溫度處于合理的范圍當(dāng)中，以不同的壓縮比來(lái)控制柴油機(jī)性能參數(shù)變化。

在燃油噴射系統(tǒng)方面，了解噴油器的噴油率、噴油量、加速度等工作性能指標(biāo)之后以及噴射過(guò)程當(dāng)中的變化規(guī)律，就能對(duì)噴射系統(tǒng)當(dāng)中的主要部件設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如輸入各個(gè)單元的尺寸之后選擇適當(dāng)?shù)膹椈蓜偠?、燃油噴射系統(tǒng)容積計(jì)算、燃油貫穿距離等。

3? 結(jié)語(yǔ)

船用柴油機(jī)的渦輪增加技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用可以給交通運(yùn)輸、工業(yè)發(fā)展提供動(dòng)力支持，而為了滿足燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的要求，讓柴油機(jī)系統(tǒng)更加復(fù)雜，從柴油機(jī)的系統(tǒng)角度進(jìn)行優(yōu)化也是今后工作的主要任務(wù)。渦輪增壓系統(tǒng)的核心在于有效利用排氣能量確保各缸順利換氣，因此設(shè)計(jì)符合要求的渦輪增壓系統(tǒng)能夠讓柴油機(jī)的加速特性、掃氣效率得到提升，降低燃油消耗率。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃粉蓮，紀(jì)威，周煒.渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)氣流量的計(jì)算與仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013（03）：62-68.

[2]黃加亮，喬英志，王丹，等.船用柴油機(jī)與渦輪增壓系統(tǒng)匹配及性能研究[J].中國(guó)航海，2012，35（04）：26-32.

[3]林新通，詹玉龍，周薛毅，等.支持向量機(jī)在船舶柴油機(jī)廢氣渦輪增壓器故障診斷中的應(yīng)用[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（02）：22-25.

[4]孫麗娜，黃永紅，劉涵茜.基于FOA優(yōu)化GRNN的船用柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)故障診斷[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2018，26（11）：39-42.

[5]黃立，陳曉軒，李先南，等.船用柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].推進(jìn)技術(shù)，2020，41（11）：2438-2449.

[6]黃凱宇，簡(jiǎn)源駒.試驗(yàn)探討艦船用冷柴油機(jī)的渦輪增壓器匹配選型[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（20）：4-5.