兩級相繼增壓對柴油機低負荷性能影響的試驗研究

程江華，冷泠，賈曉亮，石磊，楊磊，鄧康耀

(1.中國北方發(fā)動機研究所柴油機增壓技術(shù)重點實驗室，天津 300400；2.上海交通大學動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240；3.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐臨汾地區(qū)軍事代表室，山西 侯馬 043011)

新一代柴油機向著高效、綠色、節(jié)能、可靠、高功率密度方向發(fā)展，渦輪增壓技術(shù)利用廢氣能量，為柴油機燃燒提供更充足的空氣，是提高柴油機功率密度，降低燃油消耗率，并減少顆粒物(PM)排放的關(guān)鍵技術(shù)。近年來渦輪增壓技術(shù)得到了廣泛的研究和應用，發(fā)展了兩級渦輪增壓、相繼渦輪增壓、可變截面渦輪增壓等新型增壓技術(shù)，但每種增壓技術(shù)適用于特定應用場景，無法同時滿足柴油機不同運行條件的進氣需求。兩級相繼增壓技術(shù)結(jié)合兩級增壓和相繼增壓的優(yōu)勢，不但能夠?qū)崿F(xiàn)高壓比從而大幅提升柴油機功率密度，而且拓寬了柴油機流量范圍，進而擴大柴油機運行范圍。王銀燕、趙東輝等針對柴油機兩級相繼增壓系統(tǒng)進行仿真研究，實現(xiàn)了增壓系統(tǒng)的設計和匹配，柴油機動力性、經(jīng)濟性和排放性能有所改善。劉偉等針對船用中速柴油機功率密度提升，部分工況性能兼顧的需求，進行兩級相繼增壓系統(tǒng)的改造，基于瞬態(tài)性能仿真模型開展增壓系統(tǒng)切換控制策略研究。

柴油機要求在中低轉(zhuǎn)速工況下具有一定的扭矩儲備系數(shù)，即渦輪增壓系統(tǒng)保證柴油機運行在中低轉(zhuǎn)速工況下具有較高的過量空氣系數(shù)，具備低速提升扭矩的潛力，因此不同增壓系統(tǒng)對柴油機中低轉(zhuǎn)速性能的影響研究至關(guān)重要。尚未有研究針對兩級相繼增壓系統(tǒng)對柴油機中低轉(zhuǎn)速性能影響開展試驗研究，探明不同增壓模式對中低轉(zhuǎn)速性能的影響規(guī)律。

本研究搭建了兩級相繼增壓系統(tǒng)試驗臺架，能夠通過閥門控制實現(xiàn)各增壓模式的靈活切換，并針對柴油機在推進特性中低轉(zhuǎn)速工況下，低壓級增壓、高壓級增壓、兩級增壓和兩級相繼增壓四種增壓模式對柴油機性能影響進行試驗研究，從進排氣系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和整機排放性能及經(jīng)濟性能指標多個維度進行分析比較，從而優(yōu)化增壓柴油機在中低轉(zhuǎn)速工況下的增壓模式方案。

1 柴油機試驗系統(tǒng)

試驗機型為上柴SC7H柴油機，柴油機主要技術(shù)參數(shù)見表1。兩級相繼渦輪增壓系統(tǒng)示意圖見圖1。兩級相繼增壓系統(tǒng)有兩個分支并聯(lián)連接，分別為主支路和副支路。兩級相繼增壓系統(tǒng)中控制閥門有高壓級旁通閥①⑤、低壓級旁通閥②、切換閥③④，通過旁通閥的調(diào)節(jié)以及切換閥的開啟/關(guān)閉實現(xiàn)增壓模式的靈活切換(見表2)，可實現(xiàn)的增壓模式有高壓級增壓、低壓級增壓、兩級增壓、兩級相繼增壓。其中，兩級相繼增壓模式中兩支路四增壓器協(xié)同工作，而兩級增壓模式中主支路高、低壓級增壓器工作。發(fā)動機試驗臺架如圖2所示。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

圖1 兩級相繼渦輪增壓系統(tǒng)示意

表2 不同增壓模式下閥門狀態(tài)

圖2 發(fā)動機試驗臺架

試驗工況采用柴油機標定功率的25%，30%，35%，40%，45%，50%中低負荷工況，分析不同增壓模式對發(fā)動機性能的影響。轉(zhuǎn)速和負荷的關(guān)系滿足螺旋槳特性=·，測試工況見表3。

表3 推進特性試驗測試工況

2 不同增壓模式性能分析

對不同增壓模式下柴油機推進特性中低轉(zhuǎn)速下的試驗結(jié)果進行分析，通過增壓壓力、進氣流量、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、缸內(nèi)最高燃燒壓力、排溫、NO、燃油消耗率等進排氣系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和柴油機性能指標的對比，分析柴油機匹配不同增壓模式后性能的變化。

2.1 進排氣關(guān)鍵參數(shù)對比

柴油機增壓壓力限值為255 kPa，增壓器轉(zhuǎn)速限值為140 000 r/min，排氣溫度限值為700 ℃。25%～50%負荷下四種增壓模式的增壓壓力如圖3所示，進氣流量如圖4所示，排氣溫度如圖5所示，高壓級增壓器轉(zhuǎn)速如圖6所示。

圖3中，不同增壓模式下增壓壓力隨著負荷的增加均呈上升趨勢，兩級增壓壓力最高，總壓比最大，其次為高壓級增壓、兩級相繼增壓和低壓級增壓。由于低壓級渦輪等效流通面積大，而柴油機運行在低轉(zhuǎn)速，推進特性排氣流量低，低壓級渦輪工作在低效率區(qū)，無法為缸內(nèi)燃燒提供充足進氣量，且低壓級增壓增壓壓力隨負荷變化不敏感。由圖4可知，在低負荷運行區(qū)域，兩級相繼增壓雖然增壓壓力低于兩級增壓和高壓級增壓，然而，在兩級相繼增壓模型下工作的柴油機進氣流量最大，在45%～50%中負荷區(qū)域，兩級相繼增壓和兩級增壓進氣流量趨于一致。可見兩級相繼增壓能夠顯著提升中低負荷運行工況進氣流量，充足的進氣量使得能夠噴入更多的油量，提高扭矩，相比于其他增壓模式，兩級相繼增壓扭矩儲備系數(shù)高，且此增壓模式下進氣流量的提升不受增壓壓力限值的制約，因此兩級相繼增壓為提升柴油機全負荷進氣量的有效手段。

圖3 不同增壓模式下增壓壓力對比

圖4 不同增壓模式下進氣流量對比

增壓壓力和進氣流量隨負荷的變化進一步影響著排氣溫度，由圖5可知，由于低壓級增壓在低負荷時進氣流量低于其他增壓模式，燃油混合不充分，燃燒持續(xù)期長，且氣缸未得到新鮮充量的充分冷卻，所以排氣溫度最高。在45%～50%中負荷區(qū)，低壓級增壓模式下柴油機增壓壓力受限，相比于其他增壓模式，進氣流量的增幅較小，新鮮充量不足，噴油量增加但燃燒不充分，故排氣溫度保持在430 ℃左右。綜合以上分析，在柴油機高負荷工況下匹配的低壓級增壓系統(tǒng)在中低轉(zhuǎn)速工況下性能較差，面臨柴油機低速扭矩不足的問題。由圖6可知，相比于兩級增壓和兩級相繼增壓，高壓級增壓增壓壓力的獲得完全依賴于排氣驅(qū)動高壓級渦輪做功，所以高壓級增壓器轉(zhuǎn)速最高，而兩級相繼增壓通過對排氣能量的合理分配，在較低的增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力下獲得更大的進氣流量，此特性在中高負荷工況的優(yōu)勢更加明顯，在合理安全的范圍內(nèi)為柴油機提供充足的進氣充量，為增壓柴油機動力性提供保障。

圖5 不同增壓模式下排氣溫度對比

圖6 不同增壓模式下高壓級增壓器轉(zhuǎn)速對比

2.2 整機性能分析

不同增壓模式對整機中低轉(zhuǎn)速性能的影響分析主要關(guān)注油耗和排放特性。不同增壓模式下最高燃燒壓力、壓力升高率、燃燒持續(xù)期和NO排放的對比分別見圖7至圖10。

如圖7所示，不同增壓模式下最高燃燒壓力隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與增壓壓力變化趨勢大致相同，可知中低負荷下的增壓壓力是導致最高燃燒壓力差異的主要原因。兩級增壓模式下，較高的增壓壓力引起柴油機缸內(nèi)燃燒壓力大幅提升，因此相比于其他增壓模式，兩級增壓的最高燃燒壓力隨負荷增加而迅速升高，在50%負荷下最高燃燒壓力為14.842 MPa，接近最高燃燒壓力限值16.5 MPa，此時柴油機的機械負荷和熱沖擊較大，若繼續(xù)增加柴油機負荷，面臨最高燃燒壓力超限的風險，影響增壓柴油機的可靠運行?？梢妰杉壴鰤合到y(tǒng)雖能在中低負荷下提供充足的進氣量，但由于最高燃燒壓力限值約束，無法適應全工況進氣需求，在中高負荷需采用旁通部分排氣能量的方法，限制最高燃燒壓力的升高，但損失了廢氣做功能量，導致渦輪機效率降低。由圖8可知，兩級相繼增壓的壓力升高率在不同負荷下均維持在較高的水平，反映了柴油與空氣混合充分，預混合燃燒階段的放熱速率較大，較大的壓力升高率會導致溫度明顯升高。相較于兩級相繼增壓，兩級增壓的壓力升高率較低。由圖9可知，兩級相繼增壓和兩級增壓模式的燃燒持續(xù)期較短，擴散燃燒期內(nèi)混合氣形成較完善；而低壓級增壓和高壓級增壓模式下燃燒持續(xù)期較長，對缸內(nèi)有害排放物的生成有較大影響。

圖7 不同增壓模式下最高燃燒壓力對比

圖8 不同增壓模式下壓力升高率對比

圖9 不同增壓模式下燃燒持續(xù)期對比

圖10 不同增壓模式下NOx排放對比

根據(jù)以上燃燒過程主要參數(shù)的對比，可分析得到不同增壓模式NO排放水平差異的原因。根據(jù)高溫NO的生成機理，在中低負荷工況下兩級相繼增壓提供足夠的氧濃度條件，且由壓力升高率反映出燃燒劇烈，缸內(nèi)燃燒溫度較高，NO反應速率較快，NO生成量較大；而低壓級增壓在低負荷下柴油機燃燒壓力升高率和燃燒持續(xù)期均明顯高于其他增壓模式，高溫及長反應時間促進了NO的形成。兩級增壓在NO排放方面具有明顯優(yōu)勢，在25%～40%負荷下，與兩級相繼增壓模式相比，NO排放體積分數(shù)下降6.3%。

圖11和圖12分別示出不同負荷下四種增壓模式泵氣平均有效壓力和燃油消耗率的對比。由于柴油機工作在中低轉(zhuǎn)速工況，高壓級增壓和兩級增壓泵氣損失功較大，實際泵氣平均有效壓力為負，即凈指示功小于動力過程功，使得柴油機有效輸出功下降；而兩級相繼增壓系統(tǒng)通過對排氣能量的合理利用，即使在中低轉(zhuǎn)速工況下泵氣平均有效壓力仍為正，在推進特性30%負荷下，兩級相繼增壓系統(tǒng)的泵氣平均有效壓力為19.8 kPa，占凈指示功的3.33%，相比于兩級增壓系統(tǒng)泵氣平均有效壓力增加28.2 kPa，相比于低壓級增壓系統(tǒng)增加19.3 kPa。兩級相繼增壓系統(tǒng)對部分柴油機排氣能量再利用，使其作為有效輸出功的一部分，提升了柴油機的有效效率，充分利用燃料的化學能，從而在相應工況下的燃油消耗率有所降低。在兩級及兩級相繼增壓模式下，充足的進氣量以及對排氣能量的合理分配，使得在較低的噴油量下即可達到柴油機推進特性下目標轉(zhuǎn)速的功率需求，燃油消耗率較低。綜合評估中低負荷工況下的燃油消耗率，相比于低壓級增壓和高壓級增壓，兩級相繼增壓柴油機燃油消耗率分別減少10.69 g/(kW·h)和3.98 g/(kW·h)，表明在推進特性中低轉(zhuǎn)速工況下有較好的經(jīng)濟性能指標。

圖11 四種增壓模式泵氣平均有效壓力對比

圖12 四種增壓模式燃油消耗率對比

3 結(jié)論

針對兩級相繼增壓系統(tǒng)，開展了柴油機中低轉(zhuǎn)速性能試驗研究，探明了不同增壓模式對中低速性能的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

a) 通過閥門狀態(tài)控制，兩級相繼增壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)四種增壓模式，從而滿足不同工況增壓調(diào)節(jié)需求；

b) 不同增壓模式下燃燒特性分析表明，兩級相繼增壓和兩級增壓模式下，柴油機燃燒持續(xù)期較短，擴散燃燒期內(nèi)混合氣形成較完善，而低壓級增壓和高壓級增壓模式燃燒持續(xù)期較長；

c) 在柴油機推進特性20%～50%負荷范圍內(nèi)，兩級相繼增壓模式在滿足進氣需求條件下，可以顯著降低泵氣損失，從而降低柴油機油耗。