大功率柴油機相繼增壓技術研究綜述

李京， 白洪林， 李耀宗， 王子玉

(1. 海軍駐興平地區軍事代表室， 陜西 興平 713105； 2. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

大功率柴油機相繼增壓技術研究綜述

李京1， 白洪林2， 李耀宗2， 王子玉2

(1. 海軍駐興平地區軍事代表室， 陜西 興平 713105； 2. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

隨著大功率柴油機不斷向高增壓、高功率密度、寬轉速范圍以及低排放的方向發展，發動機與增壓系統的匹配矛盾愈發突出，特別是在低速低負荷的工況范圍內。而相繼增壓技術可使增壓系統與發動機在較寬泛的運行范圍內達到良好的匹配，被認為是改善高增壓柴油機性能的最成熟的技術措施。因此，重點闡述了相繼增壓技術的工作原理、國內外的應用情況以及研究現狀與發展趨勢。

柴油機； 相繼增壓； 綜合評述

大功率柴油機因其優越的燃油經濟性和動力性而被廣泛應用于艦艇、特種車輛、機車、工程機械、發電機組等領域。近年來，在高壓共軌、電控燃油噴射和新型增壓等先進技術的推動下，大功率柴油機正向著高功率密度、寬轉速范圍、低排放和高可靠性方向迅速發展，發動機的性能指標不斷提升[1]。目前，大功率柴油機的平均有效壓力最高可達3 MPa，活塞平均速度最高可達13 m/s，最高燃燒壓力可達24 MPa，燃油噴射壓力可達180 MPa左右，油耗可低至200 g/(kW·h)以下[2]。

通過高壓比的增壓器來提高進氣壓力是提升發動機性能指標的重要途徑之一。而隨著增壓器壓比的不斷提高,其與發動機匹配的難度也逐漸增大。通過單一增壓器的匹配已經難以滿足發動機在全工況范圍內對于進氣量的要求，導致發動機在中低負荷工況下會出現熱負荷增加、扭矩不足等問題。為此國內外的研發機構開發出了進排氣旁通增壓技術、可變幾何渦輪增壓技術、相繼增壓技術等多種新型的增壓技術，用以提升高增壓柴油機在部分負荷工況時的性能指標[3]。其中，采用相繼增壓技術可使增壓系統與發動機在較寬泛的運行范圍內達到良好的匹配，被認為是改善高增壓柴油機性能的最成熟、可行的有效手段。本研究將對相繼增壓技術(Sequential Turbo-Charging，STC)的工作原理、國內外的應用情況、研究現狀以及發展趨勢作簡單介紹。

1 相繼增壓技術的工作原理

相繼增壓技術的工作原理是在由2臺以上增壓器并聯組成的增壓系統中，依據發動機運行工況對于進氣量的需求，確定投入使用的增壓器數量(見圖1)。在大負荷工況運行時，需要確保發動機的功率輸出，所以全部增壓器均會投入使用，且都在高效率區內運行；而在部分負荷工況運行時，則可適時地減少所使用增壓器的數量，使排氣管中的廢氣能更集中地流過工作中的渦輪增壓器，以便保證工作中的渦輪增壓器仍然能在高效率區內運行，從而能更充分地利用廢氣能量來提高進氣壓力，進而改善柴油機部分負荷工況時的動力性與燃油經濟性。可見，通過相繼增壓可以保證發動機在較寬的運行工況范圍內實現對增壓壓比(即進氣壓力)的調節，是解決發動機增壓系統匹配矛盾的有效方法之一，可以顯著改善柴油機中低負荷工況時的燃油經濟性與排放特性。

圖1 相繼增壓的工作過程示意

2 相繼增壓技術的應用

相繼增壓技術最早的應用案例可追溯到20世紀70年代，德國MTU公司在其生產的1163-03系列柴油機的12缸、16缸以及20缸機上首先采用了此技術。以該系列的20缸機為例，發動機上共裝有5臺增壓器，投入運行的增壓器數量會隨發動機負荷的降低而逐漸減少。100%～65%負荷時5臺增壓器全部投入使用，64%～53%負荷時使用4臺增壓器，52%～24%負荷時使用3臺增壓器，23%～4%負荷時使用2臺增壓器，而在4%負荷以下時僅有1臺增壓器投入運行。通過采用相繼增壓技術該款柴油機的平均有效壓力提升約40%，單位功率質量降低了約20%，發動機性能得到了顯著改善[4-5]。隨后MTU公司采用相繼增壓技術研發出了MTU956系列、MTU396系列和MTU595系列柴油機，并成功應用于快艇、巡邏艇、潛艇以及艦艇等領域[6-8]。此外，MTU公司還陸續推出了多款采用相繼增壓技術的高速大功率柴油機，如MTU2000系列、MTU4000系列和MTU8000系列柴油機[9-12]。其中，20VMTU8000柴油機采用了由4臺增壓器組成的相繼增壓系統(見圖2)。發動機運行時其中的2臺增壓器始終處于工作狀態，當發動機轉速提升至750 r/min，有3臺增壓器處于工作狀態，而發動機轉速繼續增大至950 r/min，4臺增壓器都投入運行。該增壓系統的工作方式大大提升了此款發動機全工況范圍內的性能指標，發動機的標定功率提升到了8 200 kW，而用于軍艦的機型，其最大功率甚至可以達到9 000 kW[13]。

用于“La Fayette”級護衛艦上的12VPA6-280STC柴油機同樣采用了相繼增壓技術[14-15]，該款發動機由法國SEMT Pielstick公司研發，其增壓系統中共安裝了2臺增壓器，當輸出功率低于標定功率的50%時，通過關閉其中1臺增壓器壓氣機出口和渦輪進口處的2個止回閥來減少投入運行的增壓器數量，進而實現相繼增壓功能[16]。采用相繼增壓后，柴油機在低轉速時能輸出更高的扭矩，并且燃油消耗率也可降低約12%，另外在煙度、積碳、排氣溫度等方面的性能也有所改善。之后，該公司在此發動機的基礎上又推出了PA6B-STC系列柴油機，主要包括12缸、16缸、18缸和20缸4個不同型號，功率覆蓋范圍為5 350～8 910 kW，能夠滿足不同類型軍艦的航行需求[17]。

圖2 MTU20V8000柴油機增壓系統示意

美軍的LPD-17兩棲船塢運輸艦上的主機(16VPC2-5柴油機)采用相繼增壓技術后，標定功率提高了約22%，油耗下降了約9%，并且低負荷工況時的性能指標也得到了顯著改善[18-19]。此外，意大利Isotta Fraschini公司的V1312HPCR-4V柴油機、德國MAN公司的V28/33D STC 柴油機、日本Niigata公司的16V20FX柴油機以及芬蘭Wartsila公司的18V26X柴油機，也都通過采用相繼增壓技術達到了提升發動機性能指標的目的[20]。

國內對相繼增壓系統的研發起步較晚，20世紀90年代末期，哈爾濱工程大學與中船重工408廠聯合研制了相繼增壓系統，并通過重新進行優化匹配，將其成功地應用于16PA6-280STC柴油機上，使得該發動機的標定功率提高了約10%，油耗降低了約14%，煙度降低了約55%，廢氣溫度降低了約30%[21]。此后，該校又與河南柴油機廠合作，對 620V12柴油機的增壓系統進行了優化改造，實現了相繼增壓的功能，使得該款柴油機的扭矩提高了約87%，燃油消耗率降低了約15%，中低負荷工況時的發動機性能得到了大幅改善[22]。

3 相繼增壓技術的研究進展

相繼增壓技術是通過控制投入使用的增壓器數量，來保證每臺工作中的增壓器都能在高效率區內運行，最大程度地增加新鮮空氣的進氣量，能有效地改善缸內的燃燒過程，進而提升大功率發動機的各項性能指標。近年來，為了進一步提升相繼增壓技術的效能，國內外的科研人員在相繼增壓階段選取、增壓器匹配技術以及瞬態控制技術等方面開展了大量的研究工作。

相繼增壓系統的匹配需要同時考慮相繼增壓的階段選取與渦輪增壓器的選型。在綜合考慮柴油機的負荷范圍、轉速范圍、增壓器流量范圍以及整個系統的復雜程度等因素的前提下，通過采用匹配仿真計算與試驗測試相結合的方式，最終確定相繼增壓階段以及增壓器的大小與數量。對于轉速范圍寬且輸出功率大的柴油機而言，更多的增壓器數目和增壓階段有利于保證發動機在低負荷工況時增壓系統的高效運行，但會增加增壓系統的復雜程度與匹配難度，同時發動機的可靠性也會有所降低。

在相繼增壓系統的匹配過程中，選擇相同尺寸的渦輪增壓器可使運行中的增壓器處于相同的工作狀態，避免出現增壓器之間的壓比、流量矛盾以及渦輪機能量分配的問題，如20VMTU8000柴油機和12VPA6-280STC柴油機就采用了相同尺寸的增壓器；也可選擇不同尺寸的渦輪增壓器，以便更好地優化柴油機全公況范圍內的性能指標，如德國MTU396TB94增壓柴油機使用了2臺ZRl70大型渦輪增壓器和1臺ZRl40小型渦輪增壓器，在轉速為600～2 100 r/min的范圍內，實現了五階段的相繼增壓，使該柴油機在每種工況下都能獲得較好的進氣量[23]。國外的Galindo，Climent和Guardioh等人針對柴油機開展過大小渦輪增壓器兩階段相繼增壓系統的研究工作[24-25]。

上海交通大學的張哲博士針對由不同尺寸的2臺渦輪增壓器組成的相繼增壓系統，開展了三階段相繼增壓的發動機性能試驗研究。大小渦輪相繼增壓系統的結構見圖3，2個增壓器并聯布置，在2個渦輪前分別安裝了大渦輪前切換閥(Valve before Big Turbine ,VBT) 和 小渦輪前切換閥(Valve before Small Turbine, VST)，而在2個壓氣機后分別安裝了大壓氣機后切換閥(Valve after Big Compressor,VBC)和小壓氣機后切換閥(Valve after Small Compressor, VSC)。試驗過程中，當發動機運行在低速工況時只有小增壓器單獨工作；中速工況時在大增壓器切入的同時小增壓器切出，以便大增壓器能單獨工作；而在高轉速工況時2臺增壓器同時工作[26]。通過優化三階段相繼增壓系統的匹配方案，發動機的性能指標大幅改善，尤其是在低速大負荷工況時，油耗降低了約7%，炭煙排放降低了約70%，渦輪前端的排氣溫度降低了約13%[27]。哈爾濱工程大學的高占斌在TBD234V12船用柴油機原機常規增壓系統的基礎上，完成了大小渦輪增壓器三階段相繼增壓的匹配設計，并對采用大小增壓器三階段相繼增壓柴油機推進特性工況下的性能進行了數值模擬研究，結果表明：與常規增壓模式相比，采用相繼增壓技術后NOx和炭煙的排放量都有明顯降低，且燃油消耗率也有所下降[28]。

圖3 大小渦輪相繼增壓系統示意

相繼增壓系統在穩定工況運行時，可以有效地改善發動機的動力性、經濟性以及排放特性，但增壓系統工作模式的切換會引起發動機性能的突變。由圖4可以看出，PA6B柴油機采用相繼增壓系統時發動機的性能在全工況范圍內存在明顯的突變過程[29]。而切換過程中不合理的控制策略會導致增壓器喘振、空氣倒流、柴油機轉速波動以及排放惡化等現象[30-32]。因此，相繼增壓系統的瞬態控制技術是一個重要的研究方向。瞬態控制技術需要完成切換過程的平穩過渡，保證切換過程能夠快速且順利地完成，使發動機的轉速、增壓壓力、污染物排放等性能參數的突變幅度盡量減少。通過對切換延遲時間的優化匹配，可以有效地改善切換過程的平穩性。切換延遲時間指的是排氣控制閥開關時刻與進氣控制閥開關時刻之間的時間間隔。根據增壓系統中增壓器的響應特點，通過合理匹配進氣控制閥的延遲開啟或者關閉時刻，能夠有效保證瞬態切換過程的平穩過渡，而切換延遲時間設置過大或過小時，都容易導致增壓器出現喘振現象。

圖4 PA6B柴油機相繼增壓系統與常規增壓系統的性能比較

Chesse和 Benvenuto等針對大功率柴油機兩階段相繼增壓系統，分別開展了切換過程中瞬態控制參數的數值模擬研究，分析了增壓器切換過程中進氣控制閥與排氣控制閥的開啟間隔對發動機性能的影響規律[33-34]。Mazuran等對船用柴油機采用大小渦輪增壓器的兩階段相繼增壓系統進行了試驗測試與分析。結果表明，在增壓器切入過程中，受控壓氣機容易出現喘振現象，而排氣控制閥容易出現短時頻繁開關的現象[35]。

哈爾濱工程大學的王銀燕教授針對TBD234V12柴油機的相繼增壓系統，采用多目標進化算法對瞬態切換過程中的發動機控制策略進行了優化匹配研究[36]。以切換延遲時間內的燃油噴射量為設計變量，并將發動機輸出功率及缸內最高燃燒壓力作為限制性條件，通過Sobol序列生成初始均勻種群，而后利用Pareto的非支配排序方法對柴油機相繼增壓系統瞬態切換過程中的噴油控制策略進行了優化設計，優化后相繼增壓系統切換過程中的發動機炭煙排放量與轉速波動量分別降低了79%和88%。

何清林等針對由不同尺寸渦輪增壓器組成的相繼增壓系統，按照螺旋槳推進特性進行了柴油機的穩態試驗研究[37]，確定了三階段相繼增壓的切換轉速以及最佳的切換延遲時間。試驗結果表明，在相繼增壓系統的切換過程中, 切換延遲時間不當會導致增壓器運轉不穩定。延遲時間太短，受控增壓器會發生倒流現象，而延遲時間過長，受控增壓器則會發生喘振現象。

清華大學的陳華清在建立船用相繼增壓柴油機準穩態數學模型的基礎上，針對16PA6STC柴油機的增壓系統，開展了切換過程中動態性能的模擬仿真研究，確定了切換時機以及切換延遲時間[38]。較為理想的切換時機應該是在打開受控增壓器的排氣控制閥后, 當受控增壓器的轉速略高于主增壓器時，立刻打開受控增壓器的進氣控制閥，完成增壓器的切入過程。

4 總結與展望

相繼增壓技術能拓展大功率柴油機的運行范圍，并能顯著改善低負荷工況時的發動機性能。該技術在國外大功率柴油機上的應用相對更成熟，而國內對相繼增壓技術的應用與研發起步均較晚，仍需加大科研投入力度以便盡快趕超國際先進水平，而研究內容應重點集中在相繼增壓的階段選取、增壓器匹配以及瞬態控制等方面。

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[編輯： 潘麗麗]

Review of Sequential Turbocharging Technology for High Power Diesel Engine

LI Jing1, BAI Honglin2, LI Yaozong2, WANG Ziyu2

(1. Naval Deputy Office of Xingping District， Xingping 713105, China； 2. China North Engine Research Institute， Tianjin 300400， China)

With the continuous development of high power diesel engines toward the trend of high turbocharging, high power density, wide speed range and low emission, the matching problems between turbocharging system and diesel engine became more obvious, especially at low load and low speed. Sequential turbocharging system could match well with diesel engine in a wide operating range, which was thought to be the most mature technical measures to improve the performance of high turbocharged diesel engine. Therefore, the working principle of the sequential turbocharging system, the application, the research status and development trend at home and abroad were mainly introduced.

diesel engine； sequential turbocharging； comprehensive review

2017-04-06；

2017-08-07

李京(1979—)，男，工程師，主要從事艦船柴油機的質量監督和檢驗驗收；li_jing020@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.015

TK421.8

A

1001-2222(2017)04-0073-05