兩級相繼增壓柴油機性能仿真研究

賀添祺

摘要：兩級相繼增壓技術(shù)結(jié)合了兩級增壓技術(shù)和相繼增壓技術(shù)，在提高原機單級增壓比的同時，拓寬了工作流量的匹配范圍，本文基于GTPOWER軟件搭建一維模型并與SIMULINK軟件進行耦合，以一臺船用高速柴油機作為研究對象，將原機單級增壓系統(tǒng)改裝為兩級相繼增壓系統(tǒng)，對其推進特性與萬有特性進行穩(wěn)態(tài)仿真計算，并與原機的實驗結(jié)果進行限制條件的對比。結(jié)果表明，兩級相繼增壓在推進與萬有特性模式下，相對于原機時，燃油消耗率均有所下降，最高爆發(fā)壓力均有所提高，NOX排放量增加，Soot排放量降低。除此之外，本文還對該柴油機進行了瞬態(tài)仿真計算，對1TC與2TC切換時空氣閥與燃氣閥之間的開關(guān)時刻進行了比較和分析，得到了較為合理的開關(guān)延遲時刻。

Abstract： Two-stage sequential turbocharging technology combines two-stage turbocharging technology and sequential turbocharging technology， which improves the single-stage turbocharging ratio of the engine and widens the matching range of workflow. This paper builds a one-dimensional model based on GTPOWER software and couples it with SIMULINK software. Taking a high-speed marine diesel engine as the research object， the original single-stage turbocharging system is modified to two-stage sequential turbocharging system. The steady-state simulation calculation of the propulsion and universal characteristics of the pressure system is carried out， and the limitation conditions are compared with the experimental results of the original machine. The results show that the fuel consumption rate decreases， the maximum explosion pressure increases， the NOX emission increases and the Soot emission decreases compared with the original engine under the propulsion and universal characteristics mode. In addition， the transient simulation calculation of the diesel engine is carried out， and the switching time between air valve and gas valve is compared and analyzed when 1TC and 2TC are switched， and a more scientific switching delay time is obtained.

關(guān)鍵詞：柴油機;萬有特性;兩級相繼增壓;空氣閥;推進特性;延遲時刻;切換邊界;燃氣閥

Key words： diesel engine;universal characteristics;two-stage sequential turbocharging;air valve;propulsion characteristics;delay time;switching boundary;gas valve

0 ?引言

為解決柴油機與渦輪增壓器聯(lián)合運行時出現(xiàn)的非設(shè)計工況匹配問題以及單級壓比不能達到柴油機功率需求的問題，研究人員對渦輪增壓系統(tǒng)本身及其運行方式進行不斷改進，出現(xiàn)了兩級增壓技術(shù)，相繼增壓技術(shù)等解決方案[1]。國外方面，MTU公司一直致力于高速大功率柴油機的研制，并首先采用了相繼增壓技術(shù)來擴大柴油機的功率范圍，提高柴油機在非設(shè)計匹配工況下運行的性能[2]。我國在相繼增壓技術(shù)研究方面也取得了很大的進展，哈爾濱工程大學(xué)率先對相繼增壓柴油機的工作過程進行了分析計算，隨后與陜西柴油機重工有限公司合作，以12PA6V-280MPC柴油機為研究對象，改裝建立相繼增壓系統(tǒng)并進行試驗和理論研究，多項專利獲得了國內(nèi)外專家的認可。兩級增壓系統(tǒng)定義為將兩臺增壓器按照氣流關(guān)系串聯(lián)布置的增壓系統(tǒng)，并在高壓渦輪端布置旁通調(diào)節(jié)閥，高壓級渦輪旁通閥的作用是在不同負荷決定增壓系統(tǒng)全部（2TC）或部分（1TC）投入工作。在2002年，Borg Warner與MAN公司共同設(shè)計制造了裝配有可調(diào)兩級渦輪增壓系統(tǒng)的MAN D2842LE409型船舶高速柴油機，分別采用K31與K36.5型增壓器作為兩級增壓系統(tǒng)的高、低壓級，高壓級渦輪旁通閥起到當柴油機工況發(fā)生變化時，對流經(jīng)高壓級渦輪的廢氣流量調(diào)節(jié)以調(diào)整壓比分配的作用。為發(fā)揮兩級增壓與相繼增壓技術(shù)的優(yōu)勢，本文基于某型高速船用柴油機建立了兩級相繼增壓柴油機一維仿真模型，確定了推進特性下1TC與2TC切換工況，并與原機進行了比較，此外還進行了瞬態(tài)過程仿真計算，最終確定了控制策略[3-4]。

1 ?兩級相繼增壓仿真模型的建立

本文基于一臺船用高速柴油機，主要參數(shù)如表1所示。

通過GT-POWER建立一維仿真平臺，通過原機的仿真與實驗數(shù)據(jù)的對比，如圖1所示，仿真與實驗結(jié)果誤差均在5%范圍內(nèi)，可以達到仿真要求，在原機的基礎(chǔ)上將單級增壓改為兩級相繼增壓系統(tǒng)，應(yīng)用GT-POWER軟件建立一維仿真平臺，如圖2所示。

2 ?推進特性下兩級相繼增壓分析

通過該型兩級相繼增壓柴油機分別在1TC，2TC模式下以推進特性進行仿真計算，與原機實驗數(shù)據(jù)進行對比，經(jīng)過經(jīng)濟性，限制性和排放污染物作為評價指標進行對比，幫助我們更好理解兩級相繼增壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

2.1 經(jīng)濟性方面兩級相繼增壓與原機對比

如圖3所示，兩級相繼增壓系統(tǒng)在整個運行工況下燃油消耗率相比于原機均有所降低，經(jīng)濟性在整個運行范圍內(nèi)都有了較大的提高。

2.2 限制性方面兩級相繼增壓與原機對比

如圖4、圖5所示，兩級相繼增壓最高爆發(fā)壓力要高于原機，且存在接近爆壓極限的情況，對此，我們可以通過加裝旁通裝置來降低最高爆發(fā)壓力，而渦輪前排氣溫度也高于原機，但距離溫度限制線還存在一定的裕度。

2.3 排放性方面兩級相繼增壓與原機對比

由圖6、圖7可知，兩級相繼增壓在1TC與2TC模式下NOX排放量均相對于原機提高，Soot排放量相對于原機降低，這是由于兩級相繼增壓系統(tǒng)相對于原機，進氣流量提高，滿足NOX生成條件的富氧，不滿足Soot生成條件的貧氧所導(dǎo)致。

2.4 推進特性瞬態(tài)過程仿真

當負荷增大到一定程度，只有1TC不能滿足柴油機正常工作所需的進氣量，應(yīng)切換到2TC模式下運作，反之負荷降低時，2TC又會導(dǎo)致渦輪效率降低，此時應(yīng)切換到1TC模式。我們通過經(jīng)濟性最佳原則通過圖8得到切換點最佳轉(zhuǎn)速[5]。

由圖可知，根據(jù)經(jīng)濟性最佳原則，可以得到切換邊界為50%負荷，轉(zhuǎn)速為1429r/min，功率222kW[6]。兩級相繼增壓柴油機推進特性模式切換過程可分為兩種：上行切換與下行切換[7]。上行切換為柴油機以螺旋槳特性運行時負荷增大過程中，跨過運行模式切換邊界點時，燃氣閥與空氣閥打開受控增壓器切入工作時柴油機性能參數(shù)的瞬態(tài)過程;下行切換為以螺旋槳特性運行負荷減小，跨過運行模式切換邊界點時，燃氣閥與空氣閥關(guān)閉受控增壓器退出工作時柴油機性能參數(shù)的瞬態(tài)過程。將GT-POWER軟件與Simulink軟件進行耦合來建立兩級相繼增壓柴油機推進特性切換瞬態(tài)過程仿真平臺，示意圖如圖9所示。

1TC與2TC模式的切換是通過開關(guān)空氣閥與燃氣閥達到的，由于空氣閥與燃氣閥開啟時間相差過長或過短都會導(dǎo)致增壓器的喘振現(xiàn)象，下面我們將從上行切換和下行切換具體分析空氣閥與燃氣閥的控制規(guī)律[8]。

上行切換：通過對壓氣機MAP圖的分析，我們可以得到，當燃氣閥與空氣閥開啟時間間隔為1.2s時，高低壓級基本增壓器與受控增壓器與柴油機的聯(lián)合運行點均在正常運行范圍內(nèi)，由此得到，燃氣閥先開啟，空氣閥在1.2秒后開啟，為最佳閥門控制時刻[9]。（圖10）

下行切換：通過對壓氣機MAP圖的分析，我們可以得到，當燃氣閥與空氣閥關(guān)閉時間間隔為0.5s時，高低壓級基本與受控增壓器與柴油機的聯(lián)合運行點均在正常運行范圍內(nèi)，由此可得，空氣閥先關(guān)閉，燃氣閥在0.5s后關(guān)閉為最佳閥門控制策略[10]。（圖11）

3 ?結(jié)論

通過兩級相繼增壓柴油機與原機在經(jīng)濟性，限制性，排放性方面，在推進特性下進行分析對比，并在瞬態(tài)情況下進行切換控制策略的研究，得到了以下結(jié)論。

①經(jīng)濟性方面，兩級相繼增壓柴油機在推進特性與萬有特性下經(jīng)濟性均優(yōu)于原機。

②限制性方面，兩級相繼增壓最高爆壓在兩種特性下均接近限制值，可以通過加裝旁通裝置進行限制，渦輪前排溫與限制值之間存在裕度。

③排放性方面，由于排放物NOX與Soot本身的生成特性，兩級相繼增壓在兩種特性下NOX生成量多于原機，Soot生成量少于原機。

④推進特性下瞬態(tài)切換過程，上行切換時，燃氣閥應(yīng)相對于空氣閥提前1.2s開啟，下行切換時，燃氣閥應(yīng)相對于空氣閥滯后0.5s關(guān)閉。

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