基于VGT技術(shù)的游艇發(fā)動機(jī)推進(jìn)特性分析

官德亮, 夏清梁, 高占斌,2

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001））

基于VGT技術(shù)的游艇發(fā)動機(jī)推進(jìn)特性分析

官德亮1, 夏清梁1, 高占斌1,2

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001））

利用相關(guān)發(fā)動機(jī)參數(shù)，通過GT-Power仿真軟件建立OED483Q可變截面渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)的整機(jī)模型，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型的主要參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)對柴油機(jī)OED483Q的推進(jìn)特性進(jìn)行研究及分析，比較可變截面渦輪增壓與普通廢氣渦輪增壓對柴油機(jī)的不同影響。研究結(jié)果表明：采用可變截面渦輪增壓可有效提高低負(fù)荷增壓壓力，降低有效燃油消耗率，提高經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)，能避免增壓壓力過大導(dǎo)致的渦輪前排氣溫度過高，保證發(fā)動機(jī)的正常使用壽命。

GT-Power；OED483Q柴油機(jī)；可變截面渦輪增壓器；推進(jìn)特性；試驗(yàn)

0 引 言

隨著能源問題日益突顯及柴油機(jī)強(qiáng)化程度不斷提高，利用廢氣渦輪增壓技術(shù)改善柴油機(jī)的性能已成為提高柴油機(jī)功率密度和燃油經(jīng)濟(jì)性的必要手段[1-2]。與傳統(tǒng)的增壓系統(tǒng)相比，可變截面渦輪增壓器（VariableGeometry Turbocharger，VGT）技術(shù)能有效解決柴油機(jī)各種工況下引起的廢氣渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)匹配相矛盾的問題，是改善廢氣渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配性能較為理想的技術(shù)[3-4]。

本文首先建立OED483Q可變截面渦輪增壓柴油機(jī)GT-Power仿真模型，并對其進(jìn)行驗(yàn)證和校核。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)研究VGT對游艇發(fā)動機(jī)OED483Q推進(jìn)特性的影響。通過分析，為該型號柴油機(jī)作為游艇發(fā)動機(jī)的VGT系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)。

1 GT-Power模型建立及校核

1.1 OED483Q整機(jī)模型建立

目前常見的發(fā)動機(jī)工作過程模擬軟件主要有FIRE，BOOST和GT-Power等，其中GT-Power是由美國Gamma Technologies公司開發(fā)的一種適用于對各種內(nèi)燃機(jī)的工作過程及性能進(jìn)行仿真分析的大型軟件[5]。

研究對象為內(nèi)蒙古歐意德發(fā)動機(jī)有限公司提供的OED483Q可變截面渦輪增壓柴油機(jī)，其基本參數(shù)見表1。

表1 OED483Q可變截面渦輪增壓柴油機(jī)基本參數(shù)

圖1為OED483Q可變截面渦輪增壓柴油機(jī)整機(jī)模型，主要包括進(jìn)排氣端、空濾器、進(jìn)排氣門、氣缸、曲軸箱、可變截面渦輪增壓器和噴油器等模塊，其數(shù)學(xué)模型主要包括氣缸模型、燃燒模型和傳熱模型等。

1.2 OED483Q整機(jī)模型校核

模型建立之后，為保證其精確性，將仿真值與臺架試驗(yàn)值進(jìn)行對比，以便后續(xù)進(jìn)行推進(jìn)特性的仿真。仿真模型選取1000r/min，1500r/min，2000r/min，2500r/min，3000r/min，3500r/min和4000r/min等7個(gè)轉(zhuǎn)速，按各轉(zhuǎn)速下的100%負(fù)荷校核。

將OED483Q柴油機(jī)的外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)（包括功率、扭矩、有效燃油消耗率和空氣質(zhì)量流量等）與仿真值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖2。由圖2可知，在大多數(shù)轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)值與仿真值均能很好地吻合。雖然在某些轉(zhuǎn)速下有部分參數(shù)的仿真值與試驗(yàn)值有差距，但最大誤差均不超過 5%，誤差均控制在正常范圍內(nèi)。因此，所建立的模型是可靠的。

2 試驗(yàn)臺架和研究方法

2.1 試驗(yàn)臺架

該研究是在一臺排量為1.991L的電控共軌柴油機(jī)上進(jìn)行的，圖3為試驗(yàn)臺架示意。該試驗(yàn)臺架由OED483Q柴油機(jī)、DW440電渦流測功器、NCK2000發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)、HZB2000油耗測量儀、相關(guān)參數(shù)的測量裝置、傳感器及其顯示儀器等組成。

2.2 研究方法

表2 試驗(yàn)工況點(diǎn)

在各工況點(diǎn)上對可變截面渦輪增壓的OED483Q柴油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過程中各性能參數(shù)的變化。當(dāng)仿真模型去除 VGT控制模塊時(shí)，可利用模型仿真出普通廢氣渦輪增壓器推進(jìn)特性中各參數(shù)的變化。比較采用可變截面渦輪增壓器與采用普通廢氣渦輪增壓器時(shí)各參數(shù)的區(qū)別，確定可變截面渦輪增壓對OED483Q柴油機(jī)的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

圖4為 OED483Q柴油機(jī)推進(jìn)特性的功率和扭矩試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果對比。由圖4可知：當(dāng)發(fā)動機(jī)在Pe＜ 90%Pe0工況下工作時(shí)，試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的吻合度較高；當(dāng)發(fā)動機(jī)在Pe＞ 90%Pe0工況下工作時(shí)，功率和扭矩達(dá)不到推進(jìn)特性所要求的理論值。

圖5為OED483Q柴油機(jī)各工況下采用可變截面渦輪增壓器與普通廢氣渦輪增壓器試驗(yàn)、仿真時(shí)增壓壓力值對比。當(dāng)Pe＜ 50%Pe0時(shí)，可變截面渦輪增壓器的增壓速率較快，且增壓壓力較普通廢氣增壓器大，最大可超過后者15.3%；當(dāng)Pe＞ 50%Pe0時(shí)，增壓速率開始減慢且當(dāng)Pe＞ 90%Pe0時(shí)基本保持不變。普通廢氣渦輪增壓器的增壓壓力隨著負(fù)荷的增加為不斷增大，當(dāng)Pe＞ 60%Pe0時(shí)，其增壓壓力超過可變截面渦輪增壓器的增壓壓力。相比普通廢氣渦輪增壓器，該游艇的發(fā)動機(jī)采用可變截面渦輪增壓器可在低負(fù)荷、廢氣能量不足時(shí)提高增壓壓力，在高負(fù)荷、廢氣能量充足時(shí)保證增壓壓力不會過大而對發(fā)動機(jī)相關(guān)零部件造成損壞。

圖6為OED483Q柴油機(jī)各工況下采用兩種不同增壓器的有效燃油消耗率對比。當(dāng)Pe＜ 50%Pe0時(shí)，采用可變截面渦輪增壓器時(shí)的有效燃油消耗率均小于采用普通廢氣渦輪增壓器時(shí)的有效燃油消耗率，在低負(fù)荷時(shí)尤為明顯，最多可降低5.7%的油耗率。當(dāng)Pe＞ 60%Pe0時(shí)，采用2種增壓器對應(yīng)的有效燃油消耗率差別不大。當(dāng)采用普通廢氣渦輪增壓、發(fā)動機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于廢氣能量較小，不能產(chǎn)生明顯的增壓效果，導(dǎo)致進(jìn)氣量不足，燃燒不充分，有效燃油消耗率相對較高；而采用可變截面渦輪增壓可克服以上缺點(diǎn)。轉(zhuǎn)速負(fù)荷較高時(shí)進(jìn)氣量充足，燃燒充分，因此采用2種增壓器在高負(fù)荷時(shí)的有效燃油消耗率相差不大。

圖7為OED483Q柴油機(jī)各工況下采用兩種不同增壓器的渦前排氣溫度對比。在低負(fù)荷階段，采用可變截面渦輪增壓的溫度高于采用普通廢氣渦輪增壓的溫度；隨著負(fù)荷增加，前者溫度增速減慢，后者溫度不斷升高，而后超過前者。采用可變截面渦輪增壓時(shí)，在低負(fù)荷階段，增壓壓力大，進(jìn)氣較充足，燃燒較好，因而排氣溫度較高；而采用普通廢氣渦輪增壓時(shí)，增壓壓力隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加而不斷升高，導(dǎo)致氣流摩擦加劇，進(jìn)氣溫度不斷升高，從而造成發(fā)動機(jī)的渦前排氣溫度升高。排氣溫度最大提高12.1%，這會增加發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷，造成許多危害，減少增壓器使用壽命。

圖8為OED483Q柴油機(jī)各工況下采用兩種不同增壓器的過量空氣系數(shù)對比。在低負(fù)荷時(shí)，采用可變截面渦輪增壓的過量空氣系數(shù)比采用普通廢氣渦輪增壓的過量空氣系數(shù)大，隨著負(fù)荷不斷增加，后者逐漸超過前者。

圖9為OED483Q柴油機(jī)采用可變截面渦輪增壓與采用普通廢氣渦輪增壓的外功率對比。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，前者能達(dá)到的最大功率較后者大，最大可提高37.3%；隨著轉(zhuǎn)速增加，兩者趨于相等。在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，前者的有效燃油消耗率均較后者低，且最大可降低 6.4%的油耗率。采用可變截面渦輪增壓不僅能提高動力性，還能提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 語

通過對游艇的OED483Q柴油機(jī)進(jìn)行建模及試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1 ) 對整機(jī)模型各參數(shù)進(jìn)行校核，試驗(yàn)值與仿真值最大誤差≤5%，滿足要求。

2 ) 對該游艇的發(fā)動機(jī)進(jìn)行推進(jìn)特性試驗(yàn)，與采用普通廢氣渦輪增壓相比，在低負(fù)荷下采用可變截面渦輪的增壓效果顯著，增壓壓力最大可提高15.3%，從而保證在低負(fù)荷下進(jìn)氣充足、燃燒充分，提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，且最大可降低5.7%的燃油消耗率。

3) 對該游艇的發(fā)動機(jī)進(jìn)行推進(jìn)特性試驗(yàn)，與普通廢氣渦輪增壓相比，采用可變截面渦輪增壓對應(yīng)的增壓速率隨負(fù)荷的增大而減緩，最終趨于不變；采用普通廢氣渦輪增壓的增壓壓力隨負(fù)荷的增加而不斷增大，使渦前排氣溫度也不斷增加；相比前者，后者溫度最大提高12.1%。因此，該發(fā)動機(jī)采用可變截面渦輪增壓能有效降低熱負(fù)荷，提高使用壽命。

4 ) 對比該發(fā)動機(jī)外特性試驗(yàn)，采用可變截面渦輪增壓能有效提高低轉(zhuǎn)速功率，降低燃油消耗。

[1] WATSON N.Turbocharging the internal combustion engine[M].London: The Macmillan Press LTD, 1982.

[2] HIERETH H, PRENNINGER P.Charging the internal combustion engine[M].Wien: Springer-Verlag, 2003.

[3] 張哲，鄧康耀.相繼渦輪增壓柴油機(jī)推進(jìn)特性的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2011, 32 (6): 68-73.

[4] 郭林福，馬朝臣，施新，等.VGT對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動力性影響的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004, 22 (2): 116-121.

[5] 楊學(xué)易，何超.基于GT-Power的6缸渦輪增壓柴油機(jī)仿真與模擬[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015, 43 (7): 431-434.

Analysis on the Engine Propulsion Characteristics of Yacht Based on VGT Technology

GUAN De-liang1，XIA Qing-liang1，GAO Zhan-bin1,2

(1.Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2.Harbin Engineering University, College of Power and Energy Engineering, Harbin 150001, China)

A complete model of OED483Q variable geometry turbo-charge diesel engine is established with GT-Power simulation software based on the relative engine parameters.The main parameters are validated and calibrated in the model experiment.On this basis, the propulsion characteristics of the OED483Q diesel engine are studied and analyzed along with the experiments, and the effects of Variable Geometry Turbo-charge (VGT) and ordinary waste gas turbo-charge on the diesel engine are compared.The result shows that variable geometry turbo-charge can effectively increase the pressure under low loadings to reduce effective fuel consumption rate and to increase economic benefit.Moreover, it can avoid the overheating of the exhaust gas from the turbo-charge due to the excessive pressure, and thus to guarantee the operation life of engine.

GT-Power; type OED483Q diesel engine; VGT; propulsion characteristics; experiment

U664.121；U674.91

A

2095-4069 (2017) 04-0037-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.008

2016-08-26

福建省自然科學(xué)基金（2015J01218）；福建省科技廳資助省屬高校專項(xiàng)基金（JK2014025）；福建省科技重大平臺資助項(xiàng)目（2014H2001）；廈門南方海洋研究中心項(xiàng)目資助（14GZB66NF30）

官德亮，男，碩士，1991年生。研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)性能與增壓，現(xiàn)為集美大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)在讀研究生。

高占斌，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，1971年生。主要從事內(nèi)燃機(jī)性能、排放和增壓研究。