可變噴嘴環增壓器在低速柴油機上的應用

顧 駿

（曼恩動力設備上海有限公司，上海201206）

0 引言

現代大缸徑柴油機在全負荷范圍內為滿足排放法規以及燃油消耗率的要求，需要更加柔性地控制進入氣缸的空氣量和燃料量，這已成為完成上述要求的關鍵因素。可變噴嘴截面渦輪的使用，使空氣量與燃料量的精確匹配成為可能，從而使柴油機在全負荷范圍內降低燃油消耗率的同時，HC和CO排放也大幅度降低，并且對負荷變化的響應速度也有了很大的改善。

當柴油機工作在部分負荷時，適當減小增壓器噴嘴環流通面積，可以提高流經噴嘴環葉片的氣體流速，從而使氣流沖擊渦輪葉片的力量加大，增壓器渦輪轉子獲得更高的轉速，壓氣葉輪獲得更高的圓周速度，進而柴油機獲得更高的掃氣壓力，使得更多的新鮮空氣進入氣缸，帶來燃燒品質的改善［1］。

渦輪增壓器上采用可變噴嘴環技術已有很多年，主要是為了改善發動機在中低負荷的性能，但受以往可變噴嘴環技術條件的限制，該技術的應用范圍以往僅局限于以輕質燃油或可燃氣體為燃料的發動機，因為船舶發動機一般使用劣質重油為主要燃料，使得該技術一直未在船舶動力行業推廣。但隨著2008年全球金融危機爆發給航運業帶來的持續不景氣，各船公司為降低運營成本，紛紛要求船舶降低航速、主機低負荷運行，這就為向船舶動力行業引入可變噴嘴環技術創造了條件。近年來，數家渦輪增壓器廠家紛紛涉足這個過去的“技術禁區”，研發并向船舶發動機市場推出了可適用于劣質燃油的可變噴嘴環渦輪增壓器。

1 可變噴嘴環增壓系統的基本結構和原理

可變噴嘴環增壓系統主要由2部分構成：噴嘴環流通截面積可調的渦輪增壓器、掃氣壓力控制單元（SCU）。

（1）噴嘴環流通截面積可調的渦輪增壓器主要包括可變噴嘴環本體、伺服馬達、執行機構、VT控制系統，如圖1所示。VT控制系統接收到由柴油機掃氣壓力控制單元發出的位置信號后，將自主控制可變噴嘴環的動作，并在動作結束后將噴嘴環位置信號發回柴油機掃氣壓力控制單元。

圖1 可變噴嘴環渦輪增壓器

（2）掃氣壓力控制單元主要包括中央控制器（MPC）、油門齒條傳感器、掃氣壓力傳感器、柴油機轉速傳感器、操控面板、控制軟件，如圖2所示。

圖2 柴油機掃氣壓力控制單元

柴油機掃氣壓力控制單元負責對掃氣壓力進行調整，向VT控制系統發出噴嘴環開合的位置信號。各負荷點的掃氣壓力期望值已被預先寫入中央控制器。當柴油機工作時，中央控制器對掃氣壓力、油門齒條位置以及柴油機轉速等信號進行實時采樣，計算出該時刻的柴油機功率，并與預設的在該功率點下的期望掃氣壓力值進行比較，根據比較結果向VT控制系統發出相應的動作指令。假設實際的掃氣壓力低于設定值，中央控制器就向VT控制系統發出小電流信號，VT控制系統根據小電流信號值，向VT伺服馬達發出指令，使執行機構向減小噴嘴環流通面積的方向動作，并將動作后最終的位置信號反饋回中央控制器。這種采樣、比對以及調整周而復始地不間斷進行，直至實際掃氣壓力與設定值相一致。

2 柴油機實際運行參數比較

對相同的柴油機在分別配置可變噴嘴環增壓器與固定噴嘴環增壓器的情況下進行了對比試驗。可變噴嘴環增壓器安裝于柴油機，如圖3所示。

通過試驗結果對比可以看出，柴油機在使用了可變噴嘴環增壓器后，在中低負荷段，柴油機的運行參數與使用固定噴嘴環增壓器時相比有了顯著的變化，主要有以下幾方面：

（1）當負荷低于90%時，柴油機各參數變化明顯；當負荷高于90%時，性能參數變化不大。

（2）渦輪前后廢氣溫度在中低負荷時有大幅度的降低，特別在低于50%負荷時，廢氣溫度降低30～40℃。

圖3 可變噴嘴環增壓器安裝于6S50MEC柴油機

（3）空氣消耗率在中低負荷提高2%～3%，改善了柴油機缸內換氣過程和燃燒質量。

（4）掃氣壓力在中低負荷提高約0.03 MPa。

（5）增壓器效率在中低負荷提高約2%。

（6）燃油消耗率在中低負荷降低約3 g/k W·h，在100%負荷時有1 g/k W·h的增加。

（7）HC以及CO排放在中低負荷有大幅度下降；NOx排放略有升高，但還是在排放法規所允許的范圍內。

具體參數變化如表1所示。

表1 柴油機各負荷點參數比較

試驗結果很好地證明了通過可變噴嘴環的使用可以使柴油機性能提高的預期。

3 運行參數評估以及排放文件上的新問題

可變噴嘴環增壓器應用的初衷是改善柴油機在中低負荷段的運行性能，特別是以降低燃油消耗率為目的。而實際使用后，又獲得事實上的另外一個益處，就是補償了外部條件變化對柴油機運行參數的影響，也就是說，對于一般大氣環境的變化，柴油機都可以通過對可變噴嘴環面積的適當調整，而使柴油機的關鍵運行參數基本保持不變。這個益處也是發動機行業數十年來一直苦苦追求的目標，現在通過可變噴嘴環增壓器的使用，這個目標得到了部分實現。這里舉一個例子進行說明：柴油機如果在夏天運行，由于環境溫度高，吸入的新鮮空氣溫度也會較高，從而導致掃氣壓力低、缸內壓縮壓力低、缸內爆發壓力低、渦輪前后廢氣溫度高等一系列問題。但如果使用可變噴嘴環增壓器，柴油機控制系統就會實時對掃氣壓力進行采樣，并與預設值進行比對，當發現掃氣壓力低于預設值時，就會減小噴嘴環流通面積來提高掃氣壓力，并調整到最終與預設值一致。由于掃氣壓力值保持不變，從而缸內壓縮壓力、缸內爆發壓力也保持不變，渦輪前后的廢氣溫度也將部分得到補償，雖然會比設計值高些，但也終將比使用常規固定噴嘴環增壓器要來的低些。

對柴油機性能的評估，目前行業內的通行規則是先將實際運行參數在ISO條件下進行修正，然后對修正值進行評估比較，以判斷柴油機性能的好壞。之所以要修正，是為了消除外部因素對柴油機性能參數造成的影響，建立一個性能評估的公共基礎［2］。這種按修正值進行性能評估的辦法，對零部件以及設定參數不能自動調整的柴油機是合理的，也是必要的。然而可變噴嘴環增壓器技術的引入卻對這個規則造成了沖擊，因為通過噴嘴環流通截面的實時調整，可以使得柴油機關鍵運行參數保持不變。但目前的ISO修正規則要求首先必須將柴油機零部件尺寸、參數以及設定值固定，然后才可以對運行參數進行修正并分析比較，這顯然和可變噴嘴環技術是相矛盾的，這樣就引出了新的問題：柴油機實際運行參數ISO條件下的修正對于零部件可以實時調整的柴油機是否還有必要？老的技術標準是否適用于最新出現的柴油機技術？作者的觀點是否定的，新的技術不應該被老標準束縛住，但改變行業標準和被行業接受需要時間。

柴油機NOx排放證書獲得也遇到了相類似的問題。根據排放法規的要求，NOx排放值要求在系列柴油機的母型機上實際測量，并要求在NOx排放測量后對柴油機技術狀態進行固定，即與排放相關的零部件尺寸以及柴油機設置參數不能再有變化，作為今后該系列柴油機的標準設置。因此，這個規則也與可變噴嘴環增壓器的特性存在矛盾。作為折中方案，排放認證組織要求對可變噴嘴環的“可用最大面積”進行設定，即將100%柴油機負荷時，獲得相同柴油機運行參數的固定噴嘴環面積作為可變噴嘴環的“可用最大面積”。因此可以看出，這種折中辦法會很大地限制可變噴嘴環的調整范圍，束縛其調整能力，使船舶在低氣溫區域航行時柴油機原本可以發揮的優良表現被人為限制住。這又是一個老標準束縛新技術的例子。相關的海事管理機構、柴油機設計公司、船舶檢驗公司以及排放認證組織必須要有所作為，協力為零部件參數可調整的智能型柴油機制定新的技術標準。

4 結論

（1）可變噴嘴環增壓器可以很好地應用于以重油為燃料的船用低速柴油機。

（2）可變噴嘴環增壓器需要和柴油機控制系統進行整合，并按照柴油機控制系統的指令工作。

（3）柴油機應用可變噴嘴環增壓器后，高負荷時對燃油消耗率、廢氣溫度等參數影響不大；但中低負荷時，這些參數有很大的改善。

（4）柴油機應用可變噴嘴環增壓器后，通過噴嘴環面積的自動調整，可以補償由于環境條件變化對柴油機運行參數造成的影響。

（5）柴油機應用可變噴嘴環增壓器后，運行參數是否需要被ISO條件修正有待進一步討論，需要柴油機設計公司、船舶檢驗公司以及相關標準組織做進一步的調查研究，得出結論。

（6）柴油機應用可變噴嘴環增壓器后，噴嘴環面積的可調整范圍受現行排放法規的約束，不能很好地發揮可變噴嘴環增壓器應有的性能優勢，也亟待相關組織有所作為，制定新的標準，與時俱進。

［1］黃少竹，翁澤民.二沖程主柴油機增壓系統的運行規律［J］.中國航海，2001（2）：95～99

［2］李可順，孫培廷，常東曉.環境條件對船舶柴油機渦輪增壓器性能的影響［J］.世界海運，2004（6）：48～49