增壓進(jìn)氣旁通功能介紹及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響

徐明月 李文濤 馮元福 王繼勇 張桂芹

摘要：采用定壓增壓方式的大型船用發(fā)動(dòng)機(jī)，在匹配增壓器時(shí)一般滿足高速時(shí)增壓適量的要求，在低速工況下會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣量不足造成增壓器喘振、冒黑煙以及排溫過高等不良后果，一般會(huì)采用增壓進(jìn)氣旁通這種方式來優(yōu)化低負(fù)荷工況。本文詳細(xì)介紹某型號(hào)船用發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的進(jìn)氣旁通原理以及控制策略，并結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果闡述對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。

Abstract： Large Marine engines with constant pressure turbocharging generally meet the requirements of an appropriate amount of turbocharging at high speed when matching the turbocharger. Under low speed conditions， insufficient air intake will cause the turbocharger surge， black smoke and excessively high exhaust temperature. In general， charge air by-pass will be adopted to optimize the low-load conditions. In this paper， the principle and control strategy of the charge air by-pass used in a certain Marine engine are introduced in detail， and the influence on engine performance and emission is expounded based on the actual test results.

關(guān)鍵詞：增壓進(jìn)氣旁通;船用發(fā)動(dòng)機(jī);性能和排放

Key words： charge air by-pass;marine diesel engine;performance and emission

中圖分類號(hào)：TK442? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0055-05

0? 引言

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代船用發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較高的技術(shù)水平，已經(jīng)大量配套在工程船、運(yùn)輸船、公務(wù)船、科考船和漁船中，促進(jìn)了海洋事業(yè)的發(fā)展。越來越先進(jìn)的船型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能和適用性也提出了很高的要求，尤其是匹配定距槳的船型，經(jīng)常在低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行，要求主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)在此區(qū)域內(nèi)有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。增壓器作為發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的零部件，其優(yōu)化匹配對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放參數(shù)有很大影響。

大型的船用發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)排氣壓力的能量利用程度，分為定壓增壓和脈沖增壓兩種形式。其中定壓增壓主要利用排氣的等壓能量，渦輪進(jìn)口氣流參數(shù)比較穩(wěn)定，氣流引起的激振較小，不易引起葉片斷裂;渦輪在定壓下全周進(jìn)氣，效率較高，氣缸泵氣功損失較少。采用定壓增壓方式的增壓器在匹配時(shí)，如果增壓系統(tǒng)滿足高速時(shí)增壓適量的要求，則在低速時(shí)供氣就會(huì)不足;如果滿足低速時(shí)的供氣量，在高速時(shí)就可能增壓過量。

對(duì)于按發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況參數(shù)匹配的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在降低轉(zhuǎn)速時(shí)，增壓壓力的降低就會(huì)造成進(jìn)氣量不足以滿足氣缸燃燒所需的空氣量要求，從而產(chǎn)生冒黑煙、排氣溫度過高等不良后果。

本文介紹一種在現(xiàn)代船用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，用來優(yōu)化低負(fù)荷工況的增壓進(jìn)氣旁通功能，并根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果分析該功能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。

1? 增壓空氣旁通功能

1.1 增壓空氣旁通裝置? 發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷的一定區(qū)間，為改善發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷時(shí)的燃燒狀態(tài)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù)荷性能，會(huì)采用增壓空氣旁通功能，即引入部分壓縮空氣到增壓器前排氣管，增加部分負(fù)荷時(shí)推動(dòng)增壓器渦輪的氣流，從而提高增壓器轉(zhuǎn)速，進(jìn)而增加了進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣量，提高了增壓壓力，如圖1所示。在提升發(fā)動(dòng)機(jī)部分載荷時(shí)的運(yùn)行性能的同時(shí)，增大了渦輪增壓器的喘振裕度。

增壓空氣旁通功能通過由旁通電磁閥、蝶閥、增壓空氣旁通管組成的增壓空氣旁通裝置實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

1.2 增壓空氣旁通開啟區(qū)間

發(fā)動(dòng)機(jī)采用控制系統(tǒng)內(nèi)的增壓空氣旁通模塊控制增壓空氣旁通功能的啟閉。如果增壓空氣旁通功能開啟，部分增壓空氣會(huì)進(jìn)入排氣歧管。盡管初始階段部分進(jìn)氣會(huì)減少，但總體上由于更多的氣體去推動(dòng)增壓器渦輪，使增壓器轉(zhuǎn)速提高，所以進(jìn)氣壓力和流量會(huì)提高。

但是，進(jìn)氣旁通的這些優(yōu)勢(shì)只是在有限的開啟范圍內(nèi)。特別是在以下的情況下，進(jìn)氣旁通需要關(guān)閉：

①合排：在合排的時(shí)候，排氣壓力瞬間升高，此時(shí)進(jìn)氣壓力上升會(huì)有一些延遲，排氣壓力會(huì)大于進(jìn)氣壓力，因此，在合排請(qǐng)求后，旁通電磁閥需設(shè)置關(guān)閉一定的時(shí)間，等進(jìn)氣壓力升上來后再打開。

②低負(fù)載工況：和合排工況類似，此時(shí)進(jìn)氣壓力偏低，因此在低負(fù)載工況旁通電磁閥應(yīng)關(guān)閉。

③高負(fù)載工況：在高負(fù)載工況，進(jìn)氣壓力很高，燃燒已經(jīng)足夠，旁通的進(jìn)氣對(duì)燃燒作用很小，但卻使增壓器渦輪承受了更高的壓力，因此在高負(fù)載工況，旁通電磁閥也要關(guān)閉。

綜上，進(jìn)氣旁通電磁閥應(yīng)僅在中間工況負(fù)載時(shí)打開。

決定在某個(gè)轉(zhuǎn)速和負(fù)載下增壓空氣旁通閥是否開啟，需要一個(gè)X橫坐標(biāo)是轉(zhuǎn)速，Y縱坐標(biāo)是負(fù)載的坐標(biāo)系?；趦蓚€(gè)轉(zhuǎn)速/負(fù)載設(shè)定點(diǎn)，定義一個(gè)上邊界和下邊界，如果當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和負(fù)載在此邊界內(nèi)，增壓空氣旁通功能開啟，否則關(guān)閉。如圖3所示。在邊界內(nèi)，旁通的增壓空氣壓力大于排氣壓力。

為防止當(dāng)轉(zhuǎn)速/負(fù)載在開啟區(qū)間上下限時(shí)，旁通功能頻繁開關(guān)導(dǎo)致電磁閥或者蝶閥故障，可在開啟區(qū)間的上下限設(shè)置單向滯后區(qū)，如圖4所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)速/負(fù)載點(diǎn)由開啟區(qū)間外進(jìn)入開啟區(qū)間時(shí)，滯后區(qū)不起作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速/負(fù)載點(diǎn)由開啟區(qū)間內(nèi)進(jìn)入開啟區(qū)間外時(shí)，由于轉(zhuǎn)速和負(fù)載的波動(dòng)，如果轉(zhuǎn)速/負(fù)載點(diǎn)仍處于滯后區(qū)內(nèi)，則旁通閥維持開啟狀態(tài)，直至轉(zhuǎn)速/負(fù)載點(diǎn)上升或下降至滯后區(qū)外。

對(duì)一個(gè)具體的匹配定距槳的船用發(fā)動(dòng)機(jī)來說，增壓空氣旁通閥準(zhǔn)確的開關(guān)點(diǎn)取決于它的螺旋槳曲線，如圖5所示。增壓空氣旁通開關(guān)點(diǎn)（旁通閥開關(guān)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)）是螺旋槳曲線和增壓空氣旁通開啟區(qū)間上下邊界的交點(diǎn)。

1.3 增壓空氣旁通邏輯

確定好增壓空氣開啟區(qū)間后，需在控制系統(tǒng)內(nèi)確定增壓空氣旁通功能邏輯。

有幾種例外情況，需要關(guān)閉旁通閥或者保持旁通閥處于閉合狀態(tài)：

①發(fā)動(dòng)機(jī)未工作;

②未檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載信號(hào);

③合排請(qǐng)求被觸發(fā)。在這種情況下增壓空氣旁通閥需要關(guān)閉，并且在設(shè)置的時(shí)間范圍內(nèi)保持關(guān)閉狀態(tài)。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，且沒有停機(jī)項(xiàng)被觸發(fā)，此時(shí)旁通閥可由發(fā)動(dòng)機(jī)增壓空氣旁通功能控制。旁通閥的啟閉取決于當(dāng)下發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和負(fù)載。

在下述情況下報(bào)警項(xiàng)會(huì)被觸發(fā)：

①如果增壓空氣旁通閥被請(qǐng)求開啟，但是沒有增壓空氣旁通閥實(shí)際已經(jīng)開啟的反饋信號(hào)（“旁通閥是否開啟”不是“是”），則顯示報(bào)警信息“發(fā)動(dòng)機(jī)增壓空氣旁通失效”;

②如果未檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)或負(fù)載信號(hào)，則顯示報(bào)警信息“發(fā)動(dòng)機(jī)增壓空氣旁通未工作”。

最終確定的增壓空氣旁通開啟邏輯圖見圖6。

2? 增壓空氣旁通功能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響

為探究增壓空氣旁通在特定的轉(zhuǎn)速和功率區(qū)間開啟后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響，在某裝配有增壓空氣旁通裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過啟閉增壓空氣旁通電磁閥的方式，進(jìn)行E3排放循環(huán)測(cè)試。測(cè)試環(huán)境參數(shù)為環(huán)境溫度26.4℃，進(jìn)氣濕度82.2%，大氣壓力100.4kPa。

循環(huán)測(cè)試根據(jù)《GB 15097-2016 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》進(jìn)行，各循環(huán)負(fù)載狀態(tài)如表1。E3-A循環(huán)為50%和25%負(fù)載均開啟增壓空氣旁通功能，E3-B循環(huán)僅25%負(fù)載開啟增壓空氣旁通功能，E3-C循環(huán)全部關(guān)閉增壓空氣旁通功能。

三個(gè)循環(huán)不同工況點(diǎn)的油耗、增壓器渦前排溫、增壓器轉(zhuǎn)速、濕基進(jìn)氣量、NOX表顯濃度對(duì)比見圖7、圖8、圖9、圖10。

開啟增壓空氣旁通后，排氣量瞬間增加，排氣能量加大，推動(dòng)增壓器渦輪旋轉(zhuǎn)更快，50%點(diǎn)和25%點(diǎn)增壓器轉(zhuǎn)速分別提高了15.5%和16.6%，對(duì)應(yīng)進(jìn)氣量分別加大了53.4%和47.4%，缸內(nèi)燃燒得到優(yōu)化，熱效率提高，因未開啟增壓空氣旁通時(shí)，原機(jī)的過量空氣系數(shù)已經(jīng)很大，因此油耗下降幅度有限。

更大的進(jìn)氣量和熱效率的提高，導(dǎo)致渦前排溫下降幅度明顯，50%點(diǎn)和25%點(diǎn)均下降了約90℃，大大提高了排氣管組件以及增壓器的耐用性。

由圖11可知，開啟增壓空氣旁通后，50%點(diǎn)和25%點(diǎn)燃燒更加充分，缸內(nèi)溫度和壓力提高，產(chǎn)生的NOX增加，但由于進(jìn)氣量增加，因此最終單位質(zhì)量排氣中檢測(cè)的NOX表顯濃度有一定幅度下降。

最終根據(jù)濕基進(jìn)氣量和NOX表顯濃度計(jì)算得出的NOX比排放量對(duì)比見圖12。

根據(jù)《GB 15097-2016 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》，NOX比排放量的計(jì)算公式中，在環(huán)境因子一定的情況下，變量為NOX濃度和濕基進(jìn)氣量的乘積，開啟增壓進(jìn)氣旁通功能后，NOX比排放量有一定的增加。

因此，如果在設(shè)定增壓進(jìn)氣旁通功能開啟區(qū)間時(shí)，如果50%點(diǎn)和25%點(diǎn)在區(qū)間內(nèi)，但排放不滿足要求，可考慮重設(shè)區(qū)間，將排放考核點(diǎn)設(shè)置在增壓進(jìn)氣旁通功能開啟區(qū)間外。

3? 結(jié)論

按上述試驗(yàn)結(jié)果和分析，針對(duì)進(jìn)行此試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，有如下結(jié)論：

①增壓進(jìn)氣旁通功能只能在特定區(qū)間范圍內(nèi)開啟，用于優(yōu)化該區(qū)間范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒;

②增壓進(jìn)氣旁通功能會(huì)使排氣量增加，增壓器渦輪轉(zhuǎn)速提高，從而使進(jìn)氣量增加;

③增壓進(jìn)氣旁通功能使開啟區(qū)間內(nèi)進(jìn)氣量增加，燃燒更加充分，熱效率提高，從而油耗和排溫更低;

④增壓進(jìn)氣旁通功能優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，使缸內(nèi)溫度提高，缸內(nèi)燃燒壓力增大，但因進(jìn)氣量增大，NOX的表顯濃度更低;

⑤NOX的比排放量計(jì)算中，變量因子為NOX的表顯濃度和濕基進(jìn)氣量的乘積，增壓進(jìn)氣旁通功能使NOX的比排放量更高，對(duì)最終排放結(jié)果不利;

⑥在設(shè)置增壓空氣旁通開啟區(qū)間時(shí)，要綜合考慮最終排放結(jié)果，如需可適當(dāng)避開排放測(cè)試考核點(diǎn)。

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