VGT開度對某船用柴油機性能的試驗研究

沈張勇

(廈門海洋職業技術學院，廈門 361021)

0 引 言

廢氣渦輪增壓技術因其在提高船用柴油機柴油機功率和降低油耗率等方面均表現出較強優勢，已優化柴油機性能重要措施之一[1-2]。廢氣渦輪增壓技術其原理是利用柴油機排氣能量驅動增壓器運轉以達到提高進氣壓力的目的[3]。隨著時代發展，船舶的種類多樣化，尤其在特種船舶領域更為突出，使得船用柴油機運行工況也越復雜多變，這就要求船用柴油機在所有工況范圍都應具有良好的運行性能[4-6]，但傳統的渦輪增壓技術存一定的弊端，不能很好的滿足上述需求，主要原因：(1)隨著柴油機轉速范圍的擴大，低負荷時，柴油機運行點易靠近增壓器喘振線，甚至穿過喘振線，造成壓氣機進氣流從葉片或者擴壓器上分離嚴重，導致增壓器運行不穩定。(2)船用柴油機匹配傳統廢氣渦輪增壓器時，主要考慮柴油機在最大扭矩的85%左右時的整機性能[7]，因此增壓器通流面積通常較大，當柴油機運行工況點偏離最大扭矩時，尤其是當柴油機低負荷運行，排出廢氣能量不足，導致增壓壓力明顯下降，增壓器效率低下，嚴重時甚至會發生惰轉，進氣量嚴重不足，空燃比急劇降低，導致缸內燃燒效果惡化，造成柴油機低工況運行時動力性能較差，且這種缺陷隨著增壓度提高越發明顯[8]。(3)高負荷工況運行時，柴油機廢氣能量高，極有可能導致增壓器超速，造成增壓器損壞。(4)柴油機和增壓器間采用氣動連接，而壓氣機和渦輪機采用機械聯接，當柴油機急加速或變工況運行時，進氣供給響應滯后于燃油供給響應，此時增壓壓力無法及時變化，導致柴油機瞬態響應性能變差。

而采用VGT(可變截面渦輪增壓)是有效解決上述弊端的措施之一,隨著船用柴油機工況的改變，可變截面渦輪增壓器不斷改變渦輪噴嘴環開度，可實現柴油機更大流量范圍內的良好匹配，改善柴油機低負荷性能[9-10]。因此為了深入研究VGT導流葉片開度對柴油發動機動力性、經濟性的影響以及VGT對比于普通渦輪的優越性，本文基于OED483Q小型船用柴油機行試驗研究，為實船應用提供一定的指導依據。

1 試驗的裝置與方法

1.1 試驗系統

本研究基于OED483Q小型船用柴油機，主要的結構參數見表1。該柴油機裝配GTB15可變截面渦輪增壓器(如圖1所示)，基本參數見表2。

表1 OED483Q 發動機基本參數

圖1 GTB15實物圖

表2 GTB15型增壓器主要技術參數

試驗裝置由上述柴油機和增壓器、DW440電渦流測功器、NCK2000發動機測控系統、HZB2000油耗測量儀、壓力傳感器及其顯示儀器和電動執行器、PID控制器等組成, 能夠實現增壓器系統 VGT 葉片開度精準控制。圖2是試驗臺架的結構圖。

圖2 試驗臺架結構圖

1.2 試驗方法

本文主要研究推進特性下VGT導流葉片開度對柴油機動力性、經濟性等的影響，試驗主要選取10%、25%、50%、75%、90%、100%這6個典型推進特性負荷進行試驗，試驗前將VGT增壓系統葉片開度調節到全開，以避免因排氣背壓過大而導致增壓器超溫、超速；然后確定試驗工況，逐步減小VGT葉片開度，直至接近約束條件限定值(增壓器轉速不大于226 000 r/min ，增壓壓力不大于250 kPa)，VGT葉片開度由電動執行器控制，主要由控制器和三相直流無刷電機構成，通過 ECU輸出CAN通訊命令到控制器，由控制器控制電機的轉動和定位，進而控制VGT葉片開度，控制精度為 0.7。

2 試驗結果與分析

2.1 增壓壓力及增壓器轉速影響分析

圖3和圖4分別為該推進特性下增壓壓力和增壓器轉速隨VGT導流葉片開度的變化規律曲線圖。由圖可知：隨著VGT葉片開度的減小，各負荷下的增壓壓力及增壓器的轉速呈上升趨勢且負荷越大趨勢越明顯，如全負荷下，開度減小到60%時，增壓壓力及增壓器轉速已接近極限值，這主要是因為： VGT 葉片開度的減小，渦前壓力升高，渦輪膨脹比增大，且隨負荷提高，增大越明顯，柴油機排氣對渦輪的做功能力也越強。

圖3 增壓壓力

圖4 增壓器轉速

2.2 VGT導流葉片開度對柴油機輸出扭矩的影響

圖5為該柴油機在推進特性下輸出扭矩隨VGT導流葉片開度變化圖。由圖可知：在低負荷工況下，隨著開度減小，輸出扭矩逐漸增加但變化趨勢較小。在中高負荷下，如50%負荷～100%負荷,隨著開度減小，扭矩的變化趨勢總體為先上升后下降的過程，各負荷下都有對應的輸出扭矩峰值，且隨著負荷升高，峰值扭矩所對應的 VGT 開度在逐漸增大，在此之后，隨著開度減小，輸出扭矩開始呈下降趨勢。這主要因為：在中高負荷下，當VGT開度大于峰值扭矩所對應的 VGT 開度時，渦流截面偏大，造成排氣背壓相對較低，不能滿足增壓器渦輪需要，因此，隨著開度減小，排氣背壓升高，渦輪膨脹比增大，增壓壓力上升，從而使輸出扭矩增加，如50%負荷時，開度從100%～30%，扭矩上升45.6%；當VGT開度大于峰值扭矩所對應的 VGT 開度時，此時柴油機排氣能量過大，特別是處于高負荷工況運行時尤為顯著，加大葉片開度，可使排氣順暢，泵氣損失減少，輸出扭矩也隨之增加，如在50%負荷時，開度從30%～0%，扭矩下降6.59%。

圖5 扭矩

2.3 有效燃油消耗率的分析

圖6為該柴油機有效燃油消耗率隨VGT導流葉片開度變化曲線。由圖可知：在低負荷下，隨著開度減小，有效燃油消耗率降低但變化趨勢較小，這是因為：低負荷下，隨著開度減小，柴油機的進氣質量流量(如圖7所示)和扭矩逐漸增加，有效燃油消耗率隨之下降，由于進氣質量流量和扭矩增加的趨勢不明顯且此時柴油機排氣能量較小，無法驅動增壓器高效率工作，增壓效果欠佳，所以效燃油消耗率雖然隨著開度減小而逐漸降低但變化趨勢較小，如10%負荷下，開度從100%降低到0%，有效燃油消耗率僅降低約2.66%。在中高負荷下，隨著開度減小，有效燃油消耗率總體呈先下降后上升的趨勢，各負荷工況下都有對應的最小有效燃油消耗率，且隨負荷升高，最小有效燃油消耗率所對應的開度也隨之增大，在此之后，隨著開度減小，有效燃油消耗率開始呈上升趨勢。這主要因為：在中高負荷下，當開度大于最小有效燃油消耗率所對應的開度時，隨著開度減小，進氣質量流量和扭矩逐漸上升且趨勢明顯，使得有效燃油消耗率隨之降低，如50%負荷工況下，開度從100%減小到30%，有效燃油消耗率降低8.54%。當VGT開度小于最小有效燃油消耗率所對應的 VGT 開度時，隨著開度減小，扭矩逐漸下降，但柴油機進氣質量流量變化趨勢平緩，這主要是因為：此時進氣流通不暢，造成一定的堵塞，導致進氣流量變化不大，并且隨著負荷上升，開始出現進氣堵塞所對應的開度越大，因此有效燃油消耗率也逐漸上升，如50%負荷時，開度從30%減小到0%，有效燃油消耗率上升3.91%。

圖6 有效燃油消耗率

圖7 進氣質量流量

3 最佳VGT開度的確定

基于上述試驗，通過PID控制器獲取最佳VGT開度，如圖8所示。方法:由于各負荷工況下的最佳增壓壓力代表此時增壓器與柴油機匹配效果最佳，可以保證柴油機動力性能最優，因此選用OED483Q柴油機最佳增壓壓力為優化開度的給定目標值，表4為生產廠家提供的各負荷下最佳的增壓壓力值；VGT開度為控制對象；實際輸出的增壓壓力為輸入值；壓力傳感器能夠實時測量增壓壓力，傳給PID控制器，然后和預先設置的目標值進行對比，再經由PID控制器得出合理的VGT導流葉片開度，傳輸給ECU調節VGT開度，進而獲得各負荷工況下最佳的VGT導流葉片開度值。

圖8 PID 控制圖

表4 各負荷工況下最佳的增壓壓力值

圖9和圖10分為該柴油機在25%負荷和90%負荷時PID控制效果圖。由圖可知：在25%負荷工況下,在最初的1 s內增壓壓力曲線的波動較大，通過PID調節1.25 s后增壓壓力基本穩定在預期的目標值；在90%負荷工況下,增壓壓力0.8 s左右就趨于目標值；說明該PID控制器的響應速度符合要求。

圖9 25%負荷PID控制效果

圖10 90%負荷PID控制效果

圖11各負荷工況下的實際增壓壓力、目標增壓壓力與葉片開度大小的變化趨勢。由圖可知：各負荷工況下的實際壓力與目標壓力吻合良好，說明該PID控制器的控制精度高，從而保證圖中所示VGT開度為代表的推進特性下相應轉速達到動力性要求的最佳VGT導流葉片開度。表5為最終得出的各負荷工況下最佳VGT開度。

圖11 推進特性PID控制的最佳VGT開度

表5 各負荷工況下最佳VGT開度

4 結束語

(1)在推進特性下，隨著開度減小，柴油機各負荷工況的增壓壓力以及增壓器的轉速呈上升趨勢且負荷越大趨勢越明顯。

(2)柴油機在低負荷的工況下，隨開度減小，輸出扭矩增加。在中高負荷工況下，隨開度減小，輸出扭矩的變化趨勢總體為先上升后下降的過程，各負荷工況下都有對應的輸出扭矩峰值，如50%負荷時，峰值扭矩所對應的開度為30%左右，當開度從100%～30%，扭矩上升45.6%，開度從30%～0%，扭矩下降6.59%。

(3)柴油機在低負荷工況下，隨開度減小，有效燃油消耗率降低但變化趨勢較小，如在10%負荷時，開度從100%降低到0%，有效燃油消耗率僅降低約2.66%。在中高負荷工況下，隨著VGT開度減小，有效燃油消耗率變化趨勢總體呈先下降后上升的過程，各負荷工況下都有對應的最小有效燃油消耗率，如50%負荷工況下，最小有效燃油消耗率所對應的開度為30%左右，開度從100%～ 30%，有效燃油消耗率降低8.54%，從30%～0%，有效燃油消耗率上升3.91%。

(4)選用OED483Q柴油機最佳增壓壓力為優化開度的給定目標值，通過PID控制器調節實現最佳VGT開度的確定。