基于燃燒器的相繼增壓系統切換試驗研究

王銀燕，楊傳雷，張鵬奇，崔欣潔

(1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱汽車發動機制造有限公司技術開發部，黑龍江哈爾濱150060)

相繼增壓技術是改善增壓柴油機低工況性能的有效措施［1-2］.它的基本原理是采用多個小型渦輪增壓器，隨柴油機工況的提高，相繼按次序地投入運行，改變了常規串聯增壓系統在低工況時由于排氣量減少使渦輪轉速下降，增壓壓力不足，柴油機得不到要求扭矩所需要的空氣量，從而出現燃燒惡化、功率下降的現象［3-4］.在標定工況下，柴油機的每臺增壓器都在高效率區工作，在低工況時，減少投入使用的渦輪增壓器數量，使得投入使用的增壓器仍然工作在高效率區，增加了氣缸的進氣量，從而改善了柴油機的動力性和經濟性［5］.增加或減少投入使用的增壓器數量的過程，即切換過程，是通過控制相應的燃氣閥和空氣閥來實現的［6］.在切換過程中，由于增壓器轉動慣量以及氣體流動慣性等因素的影響，空氣閥必須遲于燃氣閥打開，以防止該瞬態過程中壓氣機喘振現象的發生［7］.因此，在相繼增壓控制系統中，切換延遲時間是重要的控制參數［8］.為了確定RR151型和J120型增壓器構成的大小渦輪相繼增壓控制系統的切換延遲參數，本文利用相繼增壓熱動力試驗臺進行了相繼增壓動態切換試驗.

1 試驗臺和試驗方案

試驗臺結構示意圖如圖1所示，主要由2臺燃燒器、3臺渦輪增壓器、穩壓箱、大功率壓縮機組、空氣壓縮機、相關管路以及各種控制閥構成［9］.試驗臺可以在外循環或自循環狀態下工作，外循環時，燃燒器壓縮空氣由大功率壓縮機組SB2提供，自循環時，由鼓風機SB1提供啟動壓縮空氣.其中增壓器TC1和TC3為J120型，TC2為RR151型，燃燒器和增壓器相關性能參數如表1、2所示.

圖1 相繼增壓熱動力試驗臺結構示意Fig.1 Schematic chart of sequential turbocharging thermal power test bench

試驗過程中，由鼓風機SB1為燃燒器提供壓縮空氣，產生的高溫高壓燃氣使渦輪增壓器TC3處于工作狀態.設定燃燒器噴油壓力在1.2 MPa(噴油量為50 g/s)，進氣閥開度為65%，控制自循環閥V9、進氣閥V8、旁通閥V1和節流閥V3使熱動力系統進入自循環狀態.待系統狀態穩定后，調整噴油壓力為1.45 MPa，進氣閥開度為85%，使系統達到相繼增壓切換點.在不同的切換延遲時間下，進行增壓器TC2的切入操作，并利用高速數據采集設備對切換過程相關參數進行紀錄.增壓器TC2的切入切出操作是通過控制氣動閥V16和V17實現的，其中燃氣閥V17為高溫閥.本文定義切換延遲時間參數為燃氣閥與空氣閥完全開啟之間的時間差.

表1 燃燒器性能參數Table 1 Specifications of the combustor

表2 渦輪增壓器性能參數Table 2 Specifications of the turbocharger

2 試驗結果與分析

2.1 RR151作為基本增壓器

相繼增壓系統在增壓器切入過程中，首先打開燃氣閥使得渦輪具有一定轉速，然后再開啟空氣閥，然而，由于受控制閥體特性、控制空氣壓力不同的影響而導致控制閥的開啟動態過程和開啟總時間有所差異.經閥體測試可知，控制閥工作在0.7 MPa時，燃氣閥開啟總時間為1.5 s，空氣閥為1.0 s.當控制空氣壓力在 0.4 MPa時，閥體開啟時間將增長 0.2 s.

圖2為RR151型增壓器作為基本增壓器，切換延遲為0.5 s時壓氣機出口壓力曲線.圖中曲線1表示基本增壓器壓氣機出口壓力曲線，曲線2表示受控增壓器壓氣機出口壓力曲線，T2為燃氣閥完全開啟時刻，T4為空氣閥完全開啟時刻，“DT”表示延遲時間.從圖3可以看出，在燃氣閥完全開啟之前，基本增壓器壓氣機出口壓力存在下降的趨勢，受控增壓器壓氣機出口壓力已經開始上升，完全開啟后仍然繼續上升，但是仍然遠低于穩壓箱壓力.此時，空氣閥已經接近完全開啟，由于上述壓力差使得穩壓箱氣體倒流至受控壓氣機出口，使壓力出現驟然上升現象，如圖2中“s1”段所示.倒流現象將嚴重影響相繼增壓系統切換平穩性，阻礙渦輪增壓器正常工作，應嚴格禁止.

圖2 延遲時間為0.5 s的壓氣機出口壓力變化曲線Fig.1 Compressor outlet pressure curves at delay time 0.5 s

圖3 延遲時間為1.2 s的壓氣機出口壓力變化曲線Fig.3 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.2 s

為了避免受控增壓器的倒流現象，應該適當增加切換延遲時間，使受控壓氣機出口壓力接近穩壓箱壓力(基本增壓器壓氣機出口壓力)時打開空氣閥，將提高相繼增壓切入過程的平穩性.圖3、4分別為切換延遲在1.2 s和1.9 s時的切換過程動態變化曲線.從圖中可以看出，在燃氣閥未完全開啟時，基本增壓器壓氣機出口壓力也存在下降趨勢，并且受控增壓器壓氣機出口壓力隨著燃氣閥開度的增加，壓力平穩上升，沒有出現急劇上升現象，壓力接近穩壓箱壓力時，空氣閥完全打開，穩壓箱壓力平穩上升至新的平衡點，切換過程平穩過渡.

圖4 延遲時間為1.9 s的壓氣機出口壓力變化曲線Fig.4 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.9 s

當DT=2.2 s時，隨著燃氣閥的打開，基本增壓器壓氣機出口壓力下降，受控增壓器壓氣機出口壓力上升，當壓力接近甚至超過穩壓箱壓力時，空氣閥仍未打開，壓氣機開始出現喘振跡象并發生嚴重喘振，如圖5所示.切換延遲時間設置過長，將會使受控增壓器在高速狀態下出現零流量，導致壓氣機出現嚴重喘振，隨著空氣閥的完全打開，喘振現象消失，切換過程不平穩.

圖5 延遲時間為2.2 s的壓氣機出口壓力變化曲線Fig.5 Compressor outlet pressure curves at delay time 2.2 s

由上述分析可知，以RR151增壓器作為基本增壓器時，在切入J120增壓器時，切換延遲時間設置在1.2 ～1.9 s較為合適.

2.2 J120作為基本增壓器

將J120渦輪增壓器作為基本增壓器，RR151增壓器作為受控增壓器，在不同的延遲時間下進行了切換試驗，圖6所示為延遲時間為0.1 s時的參數變化曲線.從圖中可以看出，燃氣閥和空氣閥幾乎同時打開，受控增壓器壓氣機出口尚未建立壓力，而基本增壓器壓氣機出口壓力幾乎未下降，兩者之間有較大的壓力差，造成了受控增壓器的嚴重倒流，延遲時間設置太短，切換過程不平穩.

圖6 延遲時間為0.1 s時的切換過程變化曲線Fig.5 Compressor outlet pressure curves at delay time 0.1 s

圖7 延遲時間為1.5 s時的切換過程變化曲線Fig.7 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.5 s

圖7為延遲時間為1.5 s的參數變化曲線.從圖中可以看出，隨著燃氣閥的開啟，基本增壓器壓氣機出口壓力同樣存在下降趨勢，受控增壓器壓氣機出口壓力在燃氣閥完全打開之前也開始上升，但是開始上升的時刻較RR151為基本增壓器時要遲一些，這是因為受控增壓器RR151的轉動慣量較J120要大，轉速和壓力上升都較慢造成的.空氣閥完全開啟時，基本增壓器壓氣機出口壓力仍然比受控壓氣機出口壓力大，該壓力差將造成空氣閥附近小區域范圍內的氣體倒流，但不會影響到壓氣機內部的流動，待受控增壓器壓氣機中氣體流動方向穩定后，壓力穩定上升至新平衡點，切換過程比較平穩.

圖8 延遲時間為1.8 s時的切換過程變化曲線Fig.8 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.8 s

圖9 延遲時間為2.1 s時的切換過程變化曲線Fig.9 Compressor outlet pressure curves at delay time 2.1 s

將延遲時間增加至1.8 s，參數變化如圖8所示.從圖中可以看出，隨著燃氣閥的打開，基本增壓器壓氣機出口壓力線性下降，受控增壓器壓氣機出口壓力線性上升，在T4時刻前，受控增壓器壓氣機出現輕微的喘振跡象，但是，在到達T4時刻時，兩者壓力恰好相等，2股氣流平穩地流向穩壓箱，切換過程非常平穩.同樣，延遲時間過長，也將引起受控增壓器壓氣機發生喘振，如圖9所示.當DT=2.1 s時，由于空氣閥未及時打開，在兩者壓力相等時，導致受控增壓器壓氣機經歷了2個喘振周期，切換過程不平穩.

綜上分析，在RR151增壓器和J120增壓器構成的大小渦輪相繼增壓系統中，將J120增壓器作為基本增壓器時，切入RR151增壓器時，合理的切換延遲應設置在 1.5～1.8s.

3 結論

通過對RR151和J120增壓器構成的大小渦輪相繼增壓系統的切換試驗數據分析，可以得出以下結論:

1)利用燃燒器代替柴油機作為動力源可以較好地完成相繼增壓系統的切換試驗，具有可靠性高，成本低等優點，給相繼增壓技術的深入研究提供了新思路.

2)在相繼增壓系統的切換過程中，切換延遲參數對切換過程的平穩性影響較大，是其控制系統的重要參數.切換延遲過小將引起受控增壓器倒流，影響增壓系統性能，阻礙渦輪增壓器正常工作;切換延遲過大將導致受控增壓器壓氣機發生嚴重喘振.

3)控制閥的動態特性是影響系統瞬態特性的重要因素，合理解釋了控制閥未完全開啟時壓氣機出口壓力的變化情況，為控制參數的確定提供了理論支持.

4)在大小渦輪相繼增壓系統中，大增壓器作為基本增壓器時，切換延遲參數的設置裕度較大.初步確定了該型相繼增壓系統的切換延遲時間范圍，為同類型相繼增壓系統在其它柴油機型上的應用提供了參考.

［1］PASCAL C，HETET J F，TAUZIA X，et al.Performance simulation of sequentially turbocharged marine diesel engines with applications to compressor surge［J］.Transaction of the ASME，Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2000，122(10):562-569.

［2］王賀春，聶志斌，劉丕人，等.采用相繼增壓技術改善柴油機低負荷性能的試驗研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2007，28(8):870-874.WANG Hechun，NIE Zhibin，LIU Piren，etal.Experimental research on low load performance of a diesel using a sequential turbocharging system［J］.Journal of Harbin Engineering University，2007，28(8):870-874.

［3］張哲，王希波，鄧康耀.相繼渦輪增壓系統對D6114型柴油機性能的影響［J］.農業機械學報，2008，39(5):30-35.ZHANG Zhe，WANG Xibo，DENG Kangyao.Effects of sequential turbocharging system on performance of D6114 diesel engine［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery，2008，39(5):30-35.

［4］張哲，錢躍華，劉博，等.車用柴油機大小渦輪相繼增壓系統固定轉速切換的試驗研究［J］.內燃機工程，2010，31(2):51-55.ZHANG Zhe，QIAN Yuehua，LIU Bo，et al.Experimental research on fixed engine speed switching of sequential turbocharging system with two unequal sizes turbochargers for a vehicular diesel engine［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2010，31(2):51-55.

［5］張哲，鄧康耀，錢躍華.大小渦輪三階段相繼增壓系統性能試驗研究［J］.內燃機學報，2010，28(1):68-73.ZHANG Zhe，DENG Kangyao，QIAN Yuehua.Experimental study on performances of diesel engine with 3-phase sequential turbocharging system and unequal size turbochargers［J］.Transactions of CSICE，2010，28(1):68-73.

［6］王銀燕，石凡，馮永明.船用柴油機相繼增壓蝶閥切換延遲仿真研究［J］.武漢理工大學學報:交通科學與工程版，2009，33(1):17-20.WANG Yinyan，SHIFan，FENG Yongming.Simulation on butterfly-valve switch delay of a marine diesel engine with sequential turbocharging system［J］.Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science＆Engineering，2009，33(1):17-20.

［7］WANG Weicai，WANG Yinyan，FENG Yongming.Simulation of a sequential turbocharging system transient behavior including compressor surging.CIMAC 2007 Congress Paper No.25 ［R］.［s.l.］，2007.

［8］王振彪，田偉，鄧春龍，等.某大功率柴油機順序增壓系統切換過程試驗研究［J］.車用發動機，2009(10):80-84.WANG Zhenbiao，TIAN Wei，DENG Chunlong，et al.Experimental research on switching process of sequential turbocharging system for a high power diesel engine［J］.Vehicle Engine，2009(10):80-84.

［9］YANG Chuanlei，WANG Yinyan，CUI Xinjie.Design of measurement and control system for sequential turbocharged thermal power test bed［C］//ICMTMA2010.Changsha，China，2010:1014-1017.