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    新型相繼增壓系統(tǒng)對船用柴油機(jī)性能影響的研究

    2021-12-10 06:48:12楊捷波王彬彬葉子梟范金宇
    內(nèi)燃機(jī)工程 2021年6期
    關(guān)鍵詞:原機(jī)消耗率增壓器

    楊捷波,王彬彬,葉子梟,2,范金宇,2

    (1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院,廈門 361021;2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361021)

    0 概述

    傳統(tǒng)的相繼增壓系統(tǒng)由至少兩個(gè)定截面渦輪增壓器并聯(lián)組成,隨著柴油機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速升高或降低,增壓器相繼按給定規(guī)則依次投入或切出運(yùn)行,確保增壓器盡可能在高效率區(qū)運(yùn)行,以提升柴油機(jī)動力性,降低燃油消耗率,減少碳煙排放[1-4]。但是如果從柴油機(jī)整個(gè)運(yùn)行工況范圍考慮,特別是當(dāng)船用柴油機(jī)在大風(fēng)浪等惡劣海況運(yùn)行時(shí),相繼增壓系統(tǒng)仍不能很好地解決柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩不足、加速冒煙等弊端,同時(shí)相繼增壓系統(tǒng)雖然流量范圍較大,但其增壓比提高的程度有限[5-6]??勺兘孛鏈u輪增壓(variable geometry turbocharger, VGT)系統(tǒng)能根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)開度,改變廢氣流通截面,盡可能地滿足缸內(nèi)燃燒所需要的增壓壓力和進(jìn)氣量,從而最大限度地滿足增壓器與柴油機(jī)的匹配要求。但該系統(tǒng)流量范圍較小,對于流量范圍較寬的柴油機(jī)來說,當(dāng)柴油機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)容易造成增壓器超速,因此對柴油機(jī)匹配技術(shù)的要求較高[7-10]。當(dāng)前,隨著各種增壓方式的發(fā)展,各增壓系統(tǒng)的增壓比逐步進(jìn)入高增壓比及超高增壓比時(shí)代,以大幅度提高渦輪增壓器的效率和發(fā)動機(jī)性能。與此同時(shí),由于現(xiàn)今船舶多樣化,船用柴油機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜多變,要求船用柴油機(jī)在所有工況范圍都要有優(yōu)良的運(yùn)行性能,使得增壓器與柴油機(jī)的匹配越來越困難,很難兼顧柴油機(jī)全部負(fù)荷工況?;趩我坏南嗬^增壓系統(tǒng)及VGT并不能很好地滿足匹配需求,將可變截面渦輪增壓技術(shù)引入相繼增壓(sequential turbo charging, STC)系統(tǒng)中,彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn),通過改造傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓系統(tǒng)加裝VGT,可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)更大流量范圍內(nèi)的良好匹配[10-13]。

    迄今為止,柴油機(jī)STC和VGT技術(shù)在國內(nèi)外基本上為獨(dú)立的研究領(lǐng)域,將兩種增壓技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于船舶柴油機(jī)以探索二者之間的相互影響等方面的研究鮮有報(bào)道。為進(jìn)一步增強(qiáng)STC系統(tǒng)整體性能,尤其是拓展其在低負(fù)荷的運(yùn)行范圍,以更好地滿足當(dāng)前船用柴油機(jī)發(fā)展需求,本研究中提出一種新型增壓系統(tǒng)——可變截面渦輪相繼增壓系統(tǒng)(STC-VGT)。以TBD234V6型柴油機(jī)為研究對象,完成STC-VGT系統(tǒng)的改造,設(shè)計(jì)了VGT開度控制裝置,實(shí)現(xiàn)對噴嘴環(huán)葉片開度的精準(zhǔn)調(diào)控,并對STC-VGT系統(tǒng)展開試驗(yàn),研究兩種增壓技術(shù)的結(jié)合對船用柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性的影響。此外,通過優(yōu)化策略確定各研究負(fù)荷所對應(yīng)的最佳VGT開度和STC-VGT系統(tǒng)單/雙渦輪切換點(diǎn),同時(shí)將STC-VGT系統(tǒng)與原機(jī)及傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓系統(tǒng)進(jìn)行綜合性能對比分析,為該新型增壓系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

    1 研究方案

    1.1 研究對象

    以TBD234V6型柴油機(jī)為原型機(jī),該機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、使用壽命長的特點(diǎn),其主要性能參數(shù)見表1。本文中曲軸轉(zhuǎn)角為相對于上止點(diǎn)的角度,上止點(diǎn)前用負(fù)值表示,上止點(diǎn)后用正值表示。

    表1 TBD234V6型柴油機(jī)性能參數(shù)

    1.2 STC-VGT系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

    TBD234V6型柴油機(jī)原機(jī)常規(guī)增壓系統(tǒng)示意圖如圖1所示,傳統(tǒng)STC系統(tǒng)示意圖如圖2所示。原機(jī)只配有1個(gè)脈沖增壓定截面渦輪增壓器(型號K361)。改造之后的STC系統(tǒng)的主、受控增壓器均為M12定截面渦輪增壓器,當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行負(fù)荷低于切換值時(shí),空氣閥和燃?xì)忾y都關(guān)閉,只有1臺增壓器工作(1TC),6個(gè)缸的排氣集中供給主增壓器;當(dāng)運(yùn)行負(fù)荷高于切換值時(shí),先開燃?xì)忾y,后開空氣閥,兩臺增壓器同時(shí)工作(2TC)。1TC/2TC的切換由STC控制儀調(diào)控氣動蝶閥系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

    圖1 TBD234V6型柴油機(jī)原機(jī)常規(guī)增壓系統(tǒng)示意圖

    圖2 TBD234V6型柴油機(jī)相繼增壓系統(tǒng)示意圖

    在上述傳統(tǒng)定渦輪STC系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,將主增壓器更換為GTB15可變截面渦輪增壓器(部分參數(shù)如表2所示),完成STC-VGT系統(tǒng)改造。在柴油機(jī)整個(gè)運(yùn)行工況范圍內(nèi),VGT可通過分段或連續(xù)改變渦輪噴嘴環(huán)角度來調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)通流截面積,使柴油機(jī)與增壓器在更大的工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好匹配。

    表2 GTB15型增壓器主要技術(shù)參數(shù)

    1.3 STC-VGT系統(tǒng)開度控制裝置設(shè)計(jì)

    STC-VGT系統(tǒng)開度控制裝置主要由轉(zhuǎn)速傳感器、可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)和控制執(zhí)行器三部分組成。轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測VGT壓氣機(jī)端葉輪轉(zhuǎn)速;PLC主要用于接收轉(zhuǎn)速傳感器、限位器和按鈕開關(guān)信號,同時(shí)向報(bào)警裝置和控制執(zhí)行器輸出控制指令;控制執(zhí)行器用于接收PLC的控制指令,并依據(jù)指令信號驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作,以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制葉片開度的目的。其中,開度控制執(zhí)行器由Microstep Driver DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、57步進(jìn)電機(jī)、絲桿(精度0.05 mm)、滑塊、限位器和伸縮桿等組成。該控制執(zhí)行器的工作原理是采用類似于LA-L型函數(shù)機(jī)構(gòu)方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),從而實(shí)現(xiàn)線位移與角位移的轉(zhuǎn)換,即通過步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)滑塊的直線運(yùn)動,從而帶動與滑塊動連接的伸縮桿擺動,伸縮桿與VGT開度調(diào)節(jié)擺桿是呈直線焊接的,進(jìn)而驅(qū)動噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)動,最終完成對噴嘴環(huán)葉片開度的調(diào)節(jié)。該控制執(zhí)行器安裝固定前,一定要確保在二分之一最大開度時(shí),伸縮桿與絲桿保持垂直且滑塊要處于絲桿中段,以確保線位移與角位移精確轉(zhuǎn)換。此外,開度的標(biāo)定對與本次試驗(yàn)至關(guān)重要,傳統(tǒng)的開度測定方法是將蝸殼去除后嚴(yán)格按照噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)過的角度來標(biāo)定噴嘴環(huán)開度,這種方法的測量周期長,誤差較大。而本次試驗(yàn)對開度的標(biāo)定方法為:首先確定伸縮桿調(diào)節(jié)幅度,確定最大開度與最小開度時(shí)的滑塊位置并做好標(biāo)記;測得伸縮桿調(diào)節(jié)的最大幅度所對應(yīng)的絲桿直線距離為12.4 cm,同時(shí)標(biāo)定原點(diǎn)(即開度最大的滑塊位置);考慮到噴嘴環(huán)葉片完全閉合可能會影響到VGT使用壽命,及因步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度設(shè)定不當(dāng)時(shí)可能會造成滑塊未能停在上限位置而造成的伸縮桿彎曲變形,影響最終的試驗(yàn)效果,所以有必要在最小開度前保留有一定的開度余量,因此選取距離原點(diǎn)12 cm的位置為試驗(yàn)時(shí)最小調(diào)節(jié)開度的滑塊位置,定義最大與最小噴嘴環(huán)開度分別為100%和0%;最后分別對10%、25%、40%、55%、70%、85%開度所對應(yīng)的距離原點(diǎn)的相對位置進(jìn)行精準(zhǔn)的測量和標(biāo)定。圖3為VGT開度控制裝置布置框圖,圖4為開度控制執(zhí)行器實(shí)物圖。

    圖3 VGT開度控制裝置布置框圖

    圖4 開度控制執(zhí)行器實(shí)物圖

    1.4 試驗(yàn)方案

    船用柴油機(jī)是按照標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳特性運(yùn)行,因此本試驗(yàn)按螺旋槳特性進(jìn)行研究,即柴油機(jī)推進(jìn)特性,此時(shí)柴油機(jī)功率與螺旋槳功率相同。STC-VGT系統(tǒng)是為解決柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩不足、燃油經(jīng)濟(jì)性較差等問題而提出的新型STC系統(tǒng)。為更全面研究該系統(tǒng)對船用柴油機(jī)性能的影響及精準(zhǔn)確定該系統(tǒng)切換點(diǎn),綜合考慮選取1TC(即GTB15可變截面渦輪增壓器單獨(dú)運(yùn)行)下,從標(biāo)定功率(Pe0)的10%開始研究10個(gè)工況點(diǎn)(10%Pe0、20%Pe0、25%Pe0、30%Pe0、35%Pe0、40%Pe0、45%Pe0、50%Pe0、55%Pe0和60%Pe0),2TC下選取10%Pe0、20%Pe0、25%Pe0、30%Pe0、35%Pe0、40%Pe0、45%Pe0、50%Pe0、55%Pe0、60%Pe0、70%Pe0、80%Pe0、90%Pe0和100%Pe0這14個(gè)負(fù)荷作為研究工況點(diǎn)。針對VGT開度,為使各研究工況的最佳VGT開度更貼近理想值,同時(shí)兼顧試驗(yàn)室實(shí)際情況,擬定最大噴嘴環(huán)開度的0%、10%、25%、40%、55%、70%、85%和100%為研究開度。表3為試驗(yàn)選用的主要設(shè)備。

    表3 主要試驗(yàn)設(shè)備

    2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.1 對增壓壓力和缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響

    1TC下增壓壓力和缸內(nèi)最高燃燒壓力如圖5所示。由圖5可知:相比原機(jī),各開度下的增壓壓力和最高燃燒壓力均有所提高,并且隨著VGT開度減小,其增長幅度越大,動力性能提高越顯著。如 40%Pe0時(shí),相比原機(jī),100%開度、55%開度、0%開度下最高燃燒壓力分別提高4.90%、13.60%和28.40%,增壓壓力分別提升8 kPa、23 kPa和 34 kPa。這主要因?yàn)镚TB15增壓器最大噴嘴環(huán)出口截面積(100%開度所對應(yīng)的噴嘴環(huán)出口截面積)小于原機(jī)型增壓器,且噴嘴出口截面積隨著開度減小而變小,因此在中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)特別是在低負(fù)荷廢氣能量不足的情況下,增壓性能要明顯優(yōu)于原機(jī),且隨著開度減小,優(yōu)勢越發(fā)明顯,增壓壓力越大,進(jìn)氣越充足,空燃比隨之上升,油氣混合更均勻,改善缸內(nèi)燃燒,從而提高最高燃燒壓力。但隨負(fù)荷增加,小開度運(yùn)行易發(fā)生超速和喘振的現(xiàn)象,如平均有效功率Pe大于45%Pe0而開度為0%和10%時(shí)增壓器發(fā)生超速現(xiàn)象,增壓壓力接近GTB15可變截面渦輪增壓器限值。

    圖5 1TC下增壓壓力、缸內(nèi)最高壓力隨VGT開度的變化

    2TC下增壓壓力和缸內(nèi)最高燃燒壓力如圖6所示。由圖6可知:2TC時(shí)增壓壓力和最高燃燒壓力隨開度的變化趨勢與1TC運(yùn)行一致,當(dāng)開度大于70%時(shí),柴油機(jī)動力性比原機(jī)有所下降,如45%Pe0、100%開度時(shí),最高燃燒壓力下降最大,約為 1.16 MPa,增壓壓力下降9.50 kPa。這主要是因?yàn)椋?TC下,STC-VGT 系統(tǒng)的主增壓器和受控增壓器同時(shí)運(yùn)行,廢氣分流經(jīng)兩個(gè)渦輪,尤其在中低負(fù)荷工況所獲得的廢氣量有限,此時(shí)主增壓器大開度運(yùn)行,該系統(tǒng)總噴嘴環(huán)出口截面積較大,甚至大于原機(jī)增壓系統(tǒng),導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低,增壓壓力相比原機(jī)有所下降,進(jìn)入氣缸的空氣流量減少,從而降低最高燃燒壓力。但另一方面, 2TC運(yùn)行時(shí)引入另一個(gè)增壓器可以有效擴(kuò)大小開度的運(yùn)行工況范圍,如開度為0%和10%時(shí),Pe≥60%Pe0后增壓器才發(fā)生超速現(xiàn)象。

    圖6 2TC下增壓壓力、缸內(nèi)最高壓力隨VGT開度的變化

    由于原機(jī)固定截面增壓器的匹配著重考慮柴油機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩的85%左右時(shí)的整機(jī)性能,當(dāng)Pe≥90%Pe0時(shí)排氣背壓過大,掃氣相對不完全,增壓器轉(zhuǎn)速過高,不利于柴油機(jī)安全可靠的工作,此時(shí)若能適當(dāng)增大增壓器流通截面積可以降低排氣背壓,提高掃氣效果,進(jìn)一步改善缸內(nèi)燃燒。因此,在高負(fù)荷大開度運(yùn)行時(shí),最高燃燒壓力與原機(jī)的差距隨負(fù)荷的增加而逐漸減小,如90%Pe0、70%開度時(shí),最高燃燒壓力約為11.40 MPa,甚至超過原機(jī)0.20 MPa。

    2.2 對燃油消耗率的影響

    圖7和圖8分別為1TC、2TC下燃油消耗率隨開度的變化。由圖7可知:1TC下在各VGT開度運(yùn)行時(shí),隨著負(fù)荷的增加,燃油消耗率均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,各開度均存在最低燃油消耗率,并且隨著開度的增加,其最低燃油消耗率所對應(yīng)的負(fù)荷增大。如當(dāng)開度為0%時(shí),25%Pe0對應(yīng)的燃油消耗率最低,為229 g/(kW·h),相比原機(jī)降低9.80%;當(dāng)開度為100%時(shí),50%Pe0對應(yīng)的燃油消耗率最低,為 225 g/(kW·h),相比原機(jī)降低3.40%。由于各開度燃油消耗率變化的大致趨勢相同,因此僅以0%開度為例進(jìn)行分析。當(dāng)Pe≤35%Pe0時(shí),0%開度所對應(yīng)的燃油消耗率隨著負(fù)荷的增大而逐漸減小,柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于原機(jī),且其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢隨著開度增大而逐漸減小,這是因?yàn)?%開度的噴嘴環(huán)出口截面積最小,隨著負(fù)荷的增加其增壓壓力增長迅猛,過量空氣系數(shù)增大,油氣混合充分,缸內(nèi)燃燒環(huán)境改善。當(dāng)35%Pe0≤Pe≤45%Pe0時(shí),0%開度所對應(yīng)的燃油消耗率隨著負(fù)荷的增加而大幅度增大,如40%Pe0時(shí)燃油消耗率相比原機(jī)上升4.40%。這是因?yàn)榇藭r(shí)開度小,隨負(fù)荷的增加,排氣背壓急劇升高,導(dǎo)致排氣背壓高于進(jìn)氣壓力,使泵氣損失功率大幅度增加,加之進(jìn)氣量過大,容易使著火點(diǎn)提前至上止點(diǎn)之前,此時(shí)活塞仍處于壓縮沖程,導(dǎo)致做功損失增大,由于柴油機(jī)處于螺旋槳特性運(yùn)行,各負(fù)荷都有相應(yīng)的輸出功率(有效功率)與之對應(yīng)且保持不變,這樣勢必需要提高柴油機(jī)每循環(huán)所發(fā)出的功率,從而造成燃油消耗率大幅度上升。

    圖7 1TC下燃油消耗率隨VGT開度的變化

    圖8 2TC下燃油消耗率隨VGT開度的變化

    由圖8可知, 2TC下,0%~70%VGT開度最低燃油消耗率對應(yīng)的負(fù)荷工況點(diǎn)均增大,如40%開度在Pe≤90%Pe0時(shí)出現(xiàn)最低燃油消耗率,最低燃油消耗率對應(yīng)的負(fù)荷相比于1TC擴(kuò)大55.00%。這是因?yàn)椋?TC運(yùn)行時(shí),分流部分廢氣對受控增壓器做功,減緩VGT增壓器排氣背壓上升速度,使得小開度時(shí)能夠保持較大范圍工況內(nèi)低油耗運(yùn)行。當(dāng)開度大于70%且10%Pe0≤Pe≤90%Pe0時(shí),相比原機(jī),增壓壓力及進(jìn)氣量降低,因此燃油消耗率整體高于原機(jī)。當(dāng)Pe≥90%Pe0時(shí),STC-VGT系統(tǒng)大開度運(yùn)行,排氣背壓低于原機(jī)定渦輪增壓系統(tǒng),燃燒效果略優(yōu)于原機(jī),因此燃油消耗率相比原機(jī)有所降低,從而改善柴油機(jī)高負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性能,如85%開度、100%Pe0時(shí),相比原機(jī),燃油消耗率下降1.05%。

    2.3 對NOx排放的影響

    圖9和圖10分別為1TC、2TC下NOx排放量隨VGT開度的變化。由圖9可知, 1TC時(shí)各開度下的NOx排放量均高于原機(jī),且隨開度的增大,NOx排放量增幅也增大,如相比原機(jī),25%Pe0、0%~100%開度的NOx排放量分別約上升156.50%、134.30%、109.40%、88.50%、75.40%、62.30%、43.98%、28.30%。這是由于隨著開度減小,進(jìn)氣流量更充足,使得燃燒更加充分,最高燃燒壓力提升越顯著,導(dǎo)致開度越小則越快達(dá)到NOx大量生成的高溫富氧狀態(tài)。各開度的NOx排放量總體的變化趨勢為:隨著負(fù)荷的增加,排放量先顯著增長后增幅趨于平緩,各開度下均出現(xiàn)增長幅度拐點(diǎn)。如10%開度時(shí),負(fù)荷從20%上升到25%時(shí),NOx排放量上漲35.60%,負(fù)荷從25%上升到30%時(shí),NOx排放量上漲8.40%。這是因?yàn)殡S著負(fù)荷增大,排氣背壓增大,且開度越小則排氣背壓增長越顯著,影響掃氣效果,造成殘余廢氣量相對增多,產(chǎn)生一定程度的類似于內(nèi)部EGR效果,同時(shí)過量的經(jīng)由中冷器冷卻的低溫進(jìn)氣與燃?xì)饣旌辖档土烁诇?,在一定程度上抑制了NOx生成。

    圖9 1TC下NOx排放量隨VGT開度的變化

    圖10 2TC下NOx排放量隨VGT開度的變化

    由圖10可知:2TC下,當(dāng)開度大于70%時(shí),其NOx排放量均低于原機(jī),如85%開度時(shí), 25%Pe0、50%Pe0、80%Pe0下的NOx排放量分別比原機(jī)降低約11.00%、6.80%、1.80%。

    2.4 對碳煙排放的影響

    圖11和圖12分別為1TC、2TC下碳煙排放量隨VGT開度的變化。從圖11中可以看出,各個(gè)開度下碳煙排放量相比原機(jī)均下降,0%開度下降最為明顯, 25%Pe0、45%Pe0時(shí),相比原機(jī)碳煙排放量分別降低約70.00%和57.70%。隨著負(fù)荷增加,碳煙排放量逐漸升高,整體呈現(xiàn)先緩后略急的趨勢,開度較小時(shí)這一趨勢略為明顯。這是因?yàn)殚_度較小時(shí)增壓壓力大,過量空氣系數(shù)高,形成富氧條件,可以改善缸內(nèi)燃燒狀況,從而更好地改善碳煙的排放。隨著負(fù)荷增高,小開度的排氣背壓升高更快,殘余廢氣相對增多,與此同時(shí),當(dāng)負(fù)荷超過各VGT開度最低燃油消耗率所對應(yīng)的負(fù)荷時(shí)燃油消耗率顯著提升,噴油量加大,形成高溫富油條件,但由于缸內(nèi)氧含量較高,燃燒效果仍優(yōu)于原機(jī)。綜合上述影響,隨著負(fù)荷增高,碳煙排放量上升幅度略有所提升。

    圖11 1TC下碳煙排放量隨VGT開度的變化

    圖12 2TC下碳煙排放量隨VGT開度的變化

    由圖12可知, 2TC下,開度小于等于70%時(shí)碳煙排放整體優(yōu)于原機(jī),如70%開度下25%Pe0、50%Pe0、80%Pe0時(shí)碳煙排放相比原機(jī)分別降低約7.70%、7.90%和2.20%;當(dāng)開度大于70%時(shí),碳煙排放整體相比原機(jī)有所惡化,如100%開度下 25%Pe0、50%Pe0、80%Pe0時(shí)碳煙排放相比原機(jī)分別增加約23.10%、13.20%、16.80%。這是由于此時(shí)系統(tǒng)總的廢氣流通面積較大,增壓壓力整體低于原機(jī),造成局部缺氧區(qū)域增多。

    3 最佳VGT開度決策及STC-VGT系統(tǒng)增壓性能評估

    最佳VGT開度的決策需要兼顧船用柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性與排放性,屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題。基于灰色決策在解決此類問題上具有獨(dú)特優(yōu)勢,本研究中建立灰色決策多目標(biāo)優(yōu)化模型[14],以上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),計(jì)算不同負(fù)荷下不同VGT開度對應(yīng)的綜合優(yōu)化效果值,從而決策出最佳VGT開度,評估在最佳VGT開度時(shí)對STC-VGT系統(tǒng)增壓柴油機(jī)和原機(jī)綜合性能的優(yōu)化效果。

    3.1 多目標(biāo)灰色決策模型的建立

    (1)

    (2)

    (3)

    本研究選取的決策目標(biāo)中,最高燃燒壓力選上限效果測度,表明越高越好;燃油消耗率、NOx和碳煙排放量選下限效果測度,表明越低越好。(3) 根據(jù)不同決策目標(biāo)k的效果測度,求解其效果測度矩陣,如式(4)所示。

    (4)

    (5)

    (6)

    3.2 決策目標(biāo)賦權(quán)

    針對決策目標(biāo)的權(quán)重賦值問題目前還沒有統(tǒng)一理論指導(dǎo),通常依據(jù)決策目標(biāo)自身的特點(diǎn)予以賦值,為避免純主觀或純客觀賦權(quán)所帶來的極端偏差,因此對核心決策目標(biāo)采用主觀賦權(quán),從屬決策目標(biāo)采用客觀賦權(quán)[16]。通常相繼增壓系統(tǒng)1TC/2TC切換點(diǎn)的確定主要根據(jù)柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則,因此為便于后續(xù)STC-VGT系統(tǒng)切換點(diǎn)負(fù)荷范圍的確定,對1TC狀態(tài)下10個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)和2TC狀態(tài)下14個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)均選擇燃油消耗率為核心決策目標(biāo),權(quán)重賦值α1=0.5,最高燃燒壓力、NOx和碳煙排放量為從屬決策目標(biāo)。以原機(jī)和不同VGT開度下STC-VGT系統(tǒng)柴油機(jī)燃油消耗率作為母序列,以最高燃燒壓力、NOx和碳煙排放值作為子序列。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算核心與從屬目標(biāo)的關(guān)聯(lián)度,如式(7)所示,之后采用熵權(quán)法消除賦權(quán)時(shí)的客觀因素求出決策目標(biāo)的客觀權(quán)重εi,利用式(8)計(jì)算出決策目標(biāo)的最終權(quán)重ηi。

    (7)

    (8)

    3.3 最佳VGT開度與系統(tǒng)切換點(diǎn)的確定

    由于試驗(yàn)選取的工況點(diǎn)較多,在確定最佳開度時(shí)涉及的計(jì)算過程較為繁雜,因此選取1TC時(shí)10%Pe0為代表工況點(diǎn)進(jìn)行具體決策過程計(jì)算分析,其余23個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)同理。具體過程如下:根據(jù)原機(jī)和不同開度下STC-VGT系統(tǒng)柴油機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),構(gòu)建初始效果矩陣X如式(9)所示;通過規(guī)范化處理獲得一致效果測度矩陣R10%如式(10)所示;構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)序列的母序列如式(11)所示,子序列如式(12)和式(13)所示。式(9)中矩陣X第1列~第9列分別代表原機(jī)數(shù)據(jù)及1TC下STC-VGT系統(tǒng)柴油機(jī)開度為0%、10%、25%、40%、55%、70%、85%、100%的數(shù)據(jù)。由前文可知10%Pe0時(shí)燃油消耗率、NOx和碳煙排放量選擇下限效果測度表明經(jīng)濟(jì)性和排放性較好,最高燃燒壓力選擇上限效果測度表明動力性較好。

    (9)

    (10)

    X1=[306.5 278.2 280.8 282.1 284.9 287.3 290.7 294.2 298.6]

    (11)

    X2=[56 65 63 62.5 62 61 59 58.3 57.5]

    (12)

    X3=[286 335 329 315 305 298 295 294 290]

    (13)

    經(jīng)計(jì)算得:最高燃燒壓力、NOx和碳煙排放量與燃油消耗率的關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為φ12=0.631 0,φ13=0.948 7,φ14=0.524 7。由于核心決策目標(biāo)初始賦權(quán)為α1=0.5,由式(14)計(jì)算得出從屬決策目標(biāo)α2=0.150 3,α3=0.224 8,α4=0.124 8。采用熵權(quán)法去除主觀因素,對決策目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,求得客觀權(quán)重為ε1=0.189 9,ε2=0.208 3,ε3=0.393 9,ε4=0.207 7。

    αi=φ1j(1-α1)

    (14)

    將初始和客觀權(quán)重代入式(8),求得最終權(quán)重值為η1=0.394 3,η2=0.130 1,η3=0.367 9,η4=0.107 7。將一致效果測度矩陣與最終權(quán)重值相乘,得 10%Pe0下柴油機(jī)綜合性能優(yōu)化效果矩陣RZ如式(15)所示。

    RZ10%=|0.891 5 0.946 2 0.935 1 0.937 6 0.930 6 0.930 5 0.918 8 0.910 8 0.904 3|

    (15)

    由此可知10%Pe0、開度為0%時(shí)對應(yīng)的綜合性能優(yōu)化值最高,優(yōu)化效果最佳,故選取0%開度為10%Pe0的最佳開度。1TC、2TC下各負(fù)荷最佳開度及最大綜合性能優(yōu)化值分別如圖13和圖14所示。

    圖13 1TC下各負(fù)荷最佳開度及最大綜合性能優(yōu)化值

    圖14 2TC下各負(fù)荷最佳開度及最大綜合性能優(yōu)化值

    STC-VGT系統(tǒng)切換點(diǎn)的確定相比傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓更為復(fù)雜,除了確定切換工況點(diǎn),還需考慮到切換后2TC下VGT的開度。圖15為1TC/2TC下以各負(fù)荷最佳開度運(yùn)行時(shí)燃油消耗率的變化。由圖15可知,Pe<45%Pe0時(shí)1TC燃油消耗率低于2TC,Pe≥50%Pe0時(shí)2TC燃油消耗率低于1TC,根據(jù)燃油經(jīng)濟(jì)性最佳原理,將50%Pe0作為該系統(tǒng) 1TC/2TC 切換點(diǎn)且切換開度為0%。

    圖15 1TC/2TC下以各負(fù)荷最佳開度運(yùn)行時(shí)的燃油消耗率

    3.4 STC-VGT增壓系統(tǒng)性能評估

    原機(jī)、STC-VGT、傳統(tǒng)定渦輪STC系統(tǒng)的性能對比見圖16。由圖16可知,燃油經(jīng)濟(jì)性方面, 10%Pe0≤Pe≤80%Pe0時(shí)STC-VGT系統(tǒng)燃油消耗率均低于原機(jī)和傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓,經(jīng)濟(jì)性最優(yōu), 30%Pe0燃油消耗率下降幅度最大,相比原機(jī)降低約21.30 g/(kW·h),相比傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓降低約11.20 g/(kW·h)。80%Pe0≤Pe≤100%Pe0時(shí),由于STC-VGT系統(tǒng)排氣背壓相對較高,泵氣損失較大,燃油消耗率相比傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓有所增加,經(jīng)濟(jì)性下降但燃油消耗率仍低于原機(jī)。如90%Pe0下 STC-VGT 燃油消耗率相比傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓升高2.70 g/(kW·h),相比原機(jī)降低約3.70 g/(kW·h)。動力性方面,在整個(gè)螺旋槳特性工況運(yùn)行范圍內(nèi),相比原機(jī)和傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓,STC-VGT系統(tǒng)最高燃燒壓力均有提高,即動力性最強(qiáng), 50%Pe0時(shí)最高燃燒壓力提升幅度最大,相比原機(jī)提升約 1.90 MPa,相比傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓提升約 1.75 MPa。排放性方面,各負(fù)荷下STC-VGT系統(tǒng)NOx排放量均高于其余兩種增壓方式,NOx排放惡化較為嚴(yán)重;與NOx排放相反,STC-VGT系統(tǒng)碳煙排放性能整體優(yōu)于原機(jī)和傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓系統(tǒng),其中35%Pe0下碳煙排放相比原機(jī)下降最為明顯,降低約5.10%,相比傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓降低約2.40%。

    圖16 3種增壓方式下性能對比

    4 結(jié)論

    (1) 柴油機(jī)螺旋槳特性試驗(yàn)結(jié)果表明:相比原機(jī),STC-VGT系統(tǒng)以1TC運(yùn)行時(shí)增壓壓力和最高燃燒壓力增大,動力性明顯改善,NOx排放量升高,碳煙排放量降低,同時(shí)隨負(fù)荷增加,燃油消耗率均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。STC-VGT系統(tǒng)以2TC運(yùn)行且開度大于70%時(shí),在整個(gè)螺旋槳特性運(yùn)行工況下動力性相比原機(jī)有所下降,最大降幅約為1.16 MPa,NOx排放量降低,碳煙排放升高;當(dāng)10%Pe0≤Pe≤90%Pe0時(shí),STC-VGT系統(tǒng)燃油消耗率整體高于原機(jī),絕大部分運(yùn)行工況經(jīng)濟(jì)性能變差。

    (2) 計(jì)算得出1TC/2TC各研究負(fù)荷所對應(yīng)的最佳VGT開度并確定STC-VGT系統(tǒng)1TC/2TC模式切換點(diǎn)為50%Pe0、切換開度為0%。對STC-VGT系統(tǒng)性能評估結(jié)果表明:該系統(tǒng)以各負(fù)荷最佳開度運(yùn)行時(shí),在整個(gè)螺旋槳特性工況運(yùn)行范圍內(nèi)燃油消耗率低于原機(jī),且10%Pe0≤Pe≤80%Pe0時(shí)經(jīng)濟(jì)性也優(yōu)于傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓,同時(shí)STC-VGT系統(tǒng)碳煙排放性能整體優(yōu)于原機(jī)和傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓,而NOx排放與之相反,即柴油機(jī)采用STC-VGT增壓系統(tǒng)動力性、經(jīng)濟(jì)性和碳煙排放性均得到有效提升,但NOx排放性下降。

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