Z12V190B柴油發動機渦輪增壓系統改進分析

王愛民++++左華勇

摘 要：本文針對現鉆井用柴油發動機廢氣渦輪增壓不能使渦輪增壓器和柴油機在最佳位置匹配的問題，提出用熱力學方法計算發動機理論的空氣進氣量和進氣壓力的方法。根據計算的理論值，將現有渦輪增壓器改進為噴嘴式渦輪增壓器，將噴嘴角度設置為三檔，即怠速檔、低速檔和高速檔，與發動機的3種工作狀態匹配。通過對渦輪增壓器的改進，使發動機經濟性、加速性能、動力性能都有一定的提高。

關鍵詞：石油鉆井；柴油發動機；渦輪增壓器

中圖分類號：TK421 文獻標識碼：A

國務院在《“十二五”節能減排綜合性工作方案》中明確指出，重點推進石油石化行業節能減排。中石油集團公司對石油鉆井用柴油發動機的經濟性、環保性要求越來越高。使用渦輪增壓技術可以從動力性、經濟性、排放性等方面滿足人們的要求，從而使得渦輪增壓技術的研究成為目前的主要方向。

目前鉆井用柴油發動機廢氣渦輪增壓不具有寬泛的工作范圍，不能依據發動機工況的改變來調整增壓后的流量和壓力。當柴油發動機處于低轉速工況時，排放尾氣量少、流速低，從而推動渦輪機的渦輪轉速低，從而輸送進入氣缸的空氣量少、壓力低，出現柴油機動力不足的情況；當柴油發動機處于高轉速工況時，排放尾氣量大、流速高，從而推動渦輪端的渦輪轉速加大，容易導致渦輪增壓器超速，產生故障；當柴油機處于加速工況時，進氣供給的響應時間明顯滯后于燃油供給增加的響應時間，出現渦輪遲滯現象。

因此，現用柴油發動機不能使渦輪增壓器和發動機匹配在最佳的位置。以Z12V190B柴油發動機的動力特性作為目標，選用合適的柴油機數學模型，對柴油機所需的相關參數進行計算，改進合適的柴油發動機渦輪增壓系統。

1.渦輪增壓器工作原理

渦輪增壓器的工作原理為：發動機排出的廢氣進入渦輪，推動渦輪排氣端的渦輪葉輪，并使之旋轉，由此帶動與之相連的另一側的壓縮機輪一同轉動；壓縮機輪把空氣從進氣口強制吸進，并經壓縮機輪旋轉壓縮后，再注入發動機氣缸內燃燒；燃燒后的廢氣從排氣管排出，進入渦輪，重復以上的動作。通過渦輪增壓器的作用，提升進入發動機進氣管中空氣的壓力和流量，從而達到提升發動機性能的目的。

由渦輪增壓器工作原理可知，傳統的渦輪增壓器屬于定截面通道渦輪增壓器，即渦輪輸出壓力和流量大小只能由發動機廢氣流量控制，主要缺點就是無法兼顧發動機的全工況的高效運行，存在功率提升遲滯等現象。

2.發動機進氣流量計算

濟柴Z12V190B柴油機相關參數見表1。

根據渦輪前廢氣平均溫度TT來估算發動機空氣流量GS。必須先建立TT與GS之間的關系，比較簡單的方法是根據流進流出柴油機氣缸的氣體參數建立能量平衡式，其能量平衡式為：

式中：

ξT為渦輪前熱能利用系數。

Hu為燃料低發熱量，kJ/kg。

ge為有效燃油耗率，kg/（kW·h）。

α為燃燒過量空氣系數。

φs為掃氣系數。

L0為理論上燃燒1kg柴油所需要空氣量，kmol/kg；

Ts為柴油機進氣管中空氣溫度，K。

（μcp）s為在Ts時空氣平均定壓摩爾比熱容，kJ/（mol·K）（ （μcp）s=27.59+0.0025Ts）。

β0為燃燒后的理論摩爾變化系數。

TT為渦輪前廢氣平均溫度，K（對于四沖程高速柴油機：TT=580℃～650℃）。

（μcp）T為在TT時廢氣平均摩爾比熱容。

將表1中，數據代入式（1）中可得φs，再將φs代入式（2），可得GS=1.68kg/s。

3.增壓壓力的計算

根據顧宏中提出的理論可知：氣體進入柴油機氣缸的流通能力是通過充氣系數ηv和掃氣系數φs的乘積表示的，即流通能力系數ηv·φs。流通系數與進氣壓力ps的關系式為：

式中，C為沖程系數；RC為氣體常數，J/（kg·K）；VS為氣缸工作容積，m3；i為氣缸數。

柴油機有效功率計算式為：

聯立式（2）、式（3）和式（4）可得進氣管路中氣體壓力ps：

將表1中各值代入式（5）中，代入計算求得進氣管路中的氣體壓力為0.179MPa。同樣，可以計算在不同轉速下（800r/min、1200r/min和1500r/min），各個參數的計算理論值。

4.發動機渦輪增壓器的改進

石油鉆井用柴油發動機工作時基本可以有3種狀態：怠速運轉、低速運轉和高速運轉，其相對應運轉速度基本為800r/min、1200r/min和1500r/min。發動機在此3種工作狀態下與渦輪增壓器很好的匹配，就必須調節渦輪增壓器葉輪的轉速，即可在渦輪增壓器葉輪入口處布置環狀的噴嘴葉片，可以調整葉片角度控制廢氣進入渦輪的流通面積，從而可以控制進入渦輪增壓器葉輪的流速，如圖1所示。

將渦輪增壓器噴嘴調節設為3檔，怠速檔、低速檔和高速檔，其調節方式如圖1所示。

結論

應用熱力學方法，根據濟柴Z12V190B柴油機初始參數得到發動機在不同工況下（怠速、低速和高速）所需的進氣流量、進氣管路壓力等參數的理論值。根據理論值提出將現有渦輪增壓器改進為噴嘴式渦輪增壓器。通過對噴嘴角度的調整達到進入渦輪增壓器的氣體流速，從而控制渦輪葉片的轉速。將噴嘴角度設置為3檔，即怠速檔、低速檔和高速檔，與發動機的3種工作狀態匹配。通過對渦輪增壓器的改進，使發動機經濟性、加速性能、動力性能都有一定的提高。

參考文獻

[1]李金和，徐忠祥，羅整，等.電驅動氣體鉆井設備設計方案[J].鉆采工藝，2015，38（5）：19-21.

[2]余琛，張雍源，范建新.國內外中速柴油機發展概況[J].柴油機.1997，31（5）：1-5.

[3]藍富華.石油鉆井柴油機[M].天津：天津大學出版社，2007.

[4]穆伯鋒.Z12V190B柴油機二級渦輪增壓系統性能與流場分析[D].西南石油大學碩士學位論文，2016：1.

[5]顧宏中.渦輪增壓柴油熱力過程模擬計算[M].上海：上海交通大學出版社，1985：4.endprint