李朝陽，陸靜安

（1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

天然氣發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器喘振研究

李朝陽1，陸靜安2

（1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

介紹了天然氣發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣特點(diǎn)及工況，分析了增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配特點(diǎn)及發(fā)生喘振的原因。并對不同的增壓器喘振控制調(diào)節(jié)措施進(jìn)行分析比較。

天然氣發(fā)動機(jī)增壓器喘振壓氣機(jī)

1 前言

對于電控天然氣發(fā)動機(jī)，燃料與進(jìn)氣量成一定比例；先通過計算空氣的進(jìn)氣量，然后按照標(biāo)定比例決定燃料的供給量。為提升發(fā)動機(jī)功率，需增加進(jìn)空氣量，從而增加燃料供給量。渦輪增壓是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣能量驅(qū)動渦輪，再由渦輪帶動離心式壓氣機(jī)對空氣進(jìn)行增壓，回收利用了發(fā)動機(jī)一部分廢氣能量，來實現(xiàn)發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)進(jìn)氣密度的提升。因此對天然氣發(fā)動機(jī)增壓器的適當(dāng)匹配可以使發(fā)動機(jī)的功率、經(jīng)濟(jì)性等各項性能指標(biāo)得到明顯的提高。

為實現(xiàn)上述控制，天然氣發(fā)動機(jī)采用電控技術(shù)，利用傳感器采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、相位、進(jìn)氣壓力（負(fù)荷）、燃?xì)鈮毫Φ葦?shù)據(jù)，通過控制單元分析處理，實現(xiàn)對天然氣發(fā)動機(jī)空燃比控制、點(diǎn)火控制、調(diào)速控制、增壓控制等功能。

2 增壓器與發(fā)動機(jī)匹配

2.1 天然氣發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣特點(diǎn)

天然氣發(fā)動機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣量進(jìn)行，而進(jìn)氣量的控制靠調(diào)整節(jié)氣門開度和增壓壓力。節(jié)氣門可以迅速打開和關(guān)閉，但增壓壓力因為取決于增壓器渦輪的轉(zhuǎn)速，故反應(yīng)相對滯后。

對于匹配天然氣發(fā)動機(jī)的工作機(jī)械，瞬態(tài)情況下：發(fā)動機(jī)工況從高負(fù)荷向低負(fù)荷過渡時，依靠節(jié)氣門的強(qiáng)制關(guān)閉來減少進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣流量。發(fā)動機(jī)突加負(fù)荷時，不僅需要打開節(jié)氣門，還需要足夠的廢氣能量來提升增壓壓力。以上2種情況均會造成空氣流量在短時間內(nèi)急劇變化。所以天然氣發(fā)動機(jī)空氣消耗量的變化范圍大于同等排量的柴油機(jī)。

2.2 增壓器選型

目前，渦輪增壓器已經(jīng)形成系列化和通用化，且相鄰系列的流量范圍有一定程度的重疊。因此在天然氣發(fā)動機(jī)的增壓器匹配中，通過確定發(fā)動機(jī)壓比，流量，排溫等即可以確定增壓器的大致型號。

2.2.1 增壓器試驗對比

在滿足基本性能要求的情況下，采取對多個增

壓器試驗對比的方式，得出匹配不同增壓器的發(fā)動機(jī)性能，從而優(yōu)選出合適的增壓器。通過試驗結(jié)果，也能提出進(jìn)一步的改進(jìn)方向。

來稿日期：2012-07-28

在圖1中，通過對同一臺發(fā)動機(jī)匹配2種不同增壓器的萬有特性比較發(fā)現(xiàn)：匹配B增壓器的發(fā)動機(jī)有著較好的低速扭矩，且低燃料消耗區(qū)令人滿意，是比較理想的優(yōu)選方案。在發(fā)動機(jī)與車輛的匹配中，還可以將根據(jù)實際路況或排放法規(guī)中的ETC循環(huán)工況點(diǎn)進(jìn)一步疊加到該圖上，從而選出適應(yīng)于不同需求的天然氣發(fā)動機(jī)增壓器匹配方案。

圖1 不同增壓器的萬有特性比較

2.2.2 匹配的調(diào)整與優(yōu)化

如果發(fā)動機(jī)和增壓器的匹配情況不佳，就要對發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)實際經(jīng)驗，問題一般集中于低速和瞬態(tài)性能。

如前所述，天然氣發(fā)動機(jī)功率決定于進(jìn)氣量。為了保證發(fā)動機(jī)的低速扭矩，需提升發(fā)動機(jī)低速壓比，傾向于選配較小的渦輪，增加渦輪調(diào)節(jié)裝置，并由發(fā)動機(jī)控制單元調(diào)節(jié)控制。

渦輪增壓時，發(fā)動機(jī)和增壓器之間僅存在氣動聯(lián)系。發(fā)動機(jī)接收到加速指令后，并不能馬上大量增加燃料供給，而是必須依靠廢氣能量提升增壓器轉(zhuǎn)速，建立增壓壓力后才能實現(xiàn)動力的提升，這就存在一定的加速延遲。當(dāng)匹配中冷器的時候更是如此。對于加速性要求比較高的車用天然氣發(fā)動機(jī)或者負(fù)荷突變的電站用天然氣發(fā)動機(jī)，一般在低負(fù)荷運(yùn)行時會儲備一定的增壓壓力，維持渦輪的高轉(zhuǎn)速并通過節(jié)氣門限制空氣的供給，以備需要時可以迅速供給發(fā)動機(jī)。這將使壓氣機(jī)長時間在小流量高壓比區(qū)工作，增加了喘振的可能。

圖2為一款電站用天然氣發(fā)動機(jī)突加負(fù)荷時增壓器的壓氣機(jī)曲線：原始匹配中從C點(diǎn)到A點(diǎn)，增壓器渦輪轉(zhuǎn)速需要大幅提升，耗時較長；調(diào)整后由B點(diǎn)到A點(diǎn)所需時間較短，從而提高了天然氣發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性能。

圖2 電站天然氣發(fā)動機(jī)突加負(fù)荷

3 喘振原因分析

離心式壓氣機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流量減小到一定程度時壓氣機(jī)工作出現(xiàn)了不穩(wěn)定動情況，進(jìn)入所謂喘振邊界。壓氣機(jī)的喘振不僅影響增壓器本身的可靠性，也對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生不利影響。產(chǎn)生壓氣機(jī)喘振的原因有多種，本文僅從天然氣發(fā)動機(jī)和增壓器的匹配方面出發(fā)，結(jié)合天然氣發(fā)動機(jī)自身特性，對喘振原因進(jìn)行初步分析。

3.1 發(fā)動機(jī)耗氣特性與壓氣機(jī)不匹配

在發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配中，發(fā)動機(jī)的工作特性線應(yīng)穿過壓氣機(jī)的高效率區(qū)。通過第2節(jié)中介紹的增壓器選型或其他匹配方法，一般能夠保證壓氣機(jī)高效率區(qū)得到有效利用。但在現(xiàn)實中，天然氣發(fā)動機(jī)為了追求更大的低速扭矩及瞬態(tài)加速性，往往容易使發(fā)動機(jī)的耗氣特性線離壓氣機(jī)喘振線太近，甚至相交（如圖2），致使發(fā)動機(jī)和增壓器在聯(lián)合工作時就很容易出現(xiàn)喘振。對于天然氣發(fā)動機(jī)，因為自身空氣流量范圍較柴油機(jī)寬，更需關(guān)注其小流量高壓比區(qū)的工作情況。

一般而言，發(fā)動機(jī)的耗氣特性線需離開壓氣機(jī)喘振線一定的距離，保持所謂的喘振裕度（如圖3

所示）。

圖3 天然氣發(fā)動機(jī)耗氣特性

3.2 發(fā)動機(jī)工作環(huán)境變化

如前所述：為了使發(fā)動機(jī)在低速時能滿足增壓壓力的要求，需要選擇較小的增壓器，而在高速時，需要較大的排氣旁通量。為了發(fā)動機(jī)的適應(yīng)性，發(fā)動機(jī)通過電子調(diào)節(jié)裝置保證不同環(huán)境條件下輸出相同的功率，與柴油發(fā)動機(jī)增加燃料供給不同，天然氣發(fā)動機(jī)一般通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度和渦輪能量進(jìn)行，這也使發(fā)動機(jī)的耗氣特性有所變化。

如圖4所示，在高海拔地區(qū)，天然氣發(fā)動機(jī)為保持與平原同等功率，通過提高增壓器壓比來保持足夠的空氣量，造成工作曲線向上平移。如果原始匹配中增壓器的壓氣機(jī)喘振裕量較小，在高原聯(lián)合工作時就很可能發(fā)生壓氣機(jī)喘振現(xiàn)象。

與之類似，空濾器阻力變大，進(jìn)氣或中冷后溫度過高也有相似的影響：發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)在壓氣機(jī)的特性曲線上向上或向左平移。這都會使發(fā)動機(jī)發(fā)生喘振的可能性增加。

3.3 發(fā)動機(jī)工況突變

通過大量的匹配試驗和整車標(biāo)定，可以保證穩(wěn)態(tài)工況時發(fā)動機(jī)耗氣特性和壓氣機(jī)特性匹配良好。但瞬態(tài)情況下當(dāng)發(fā)動機(jī)工況從高負(fù)荷向低負(fù)荷過渡時，如制動、換檔、急減速等，節(jié)氣門會瞬間關(guān)閉，引起壓氣機(jī)出口壓力瞬時增加，同時空氣流量急劇下降，喘振極有可能發(fā)生。對于其他發(fā)動機(jī)而言，由于喘振時間短，不會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。但對于工況經(jīng)常突變的天然氣發(fā)動機(jī)（如匹配工程機(jī)械的全程調(diào)速天然氣發(fā)動機(jī)），此種喘振會有較大影響。這種情況在城市公交中表現(xiàn)也比較明顯。

圖4 發(fā)動機(jī)典型特性曲線的不同海拔比較

圖5 天然氣發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況下壓氣機(jī)運(yùn)行曲線

圖5 所示為車輛運(yùn)行中的典型減速曲線。在駕駛?cè)藛T松開油門的情況下，增壓器轉(zhuǎn)速緩慢下降，

但由于節(jié)氣門關(guān)閉導(dǎo)致進(jìn)氣流量急劇減小，使增壓器運(yùn)行點(diǎn)越過喘振邊界。事實上由于節(jié)氣門關(guān)閉，部分氣體動能轉(zhuǎn)化為壓力能后還會造成壓力瞬間升高。

4 喘振預(yù)防措施比較

4.1 壓氣機(jī)流量范圍拓寬

為保持較高的壓氣機(jī)效率，同時拓寬其流量范圍，人們提出了各種技術(shù)措施。目前廣泛應(yīng)用的MWE裝置，如導(dǎo)風(fēng)輪再循環(huán)旁通等，已經(jīng)證明可以有效拓寬壓氣機(jī)的流量范圍，尤其可增加發(fā)動機(jī)增壓器聯(lián)合工作的喘振裕量，見圖6。

圖6 MWE裝置對壓氣機(jī)流量的影響

實踐證明，以上方式可以有效擴(kuò)大壓氣機(jī)的流量范圍，使發(fā)動機(jī)和增壓器聯(lián)合工作時保持較大的喘振裕度，也使增壓器和發(fā)動機(jī)匹配時的適用范圍有所增加。但以上措施并不能解決天然氣發(fā)動機(jī)工況突變引起的喘振問題。

4.2 優(yōu)化標(biāo)定避開喘振點(diǎn)

對于電控天然氣發(fā)動機(jī)，可以充分發(fā)揮電子控制的優(yōu)勢：根據(jù)實際運(yùn)行需要，在特定的時刻改變?nèi)剂瞎?yīng)、節(jié)氣門、點(diǎn)火提前角等，避開一些不穩(wěn)定和低效運(yùn)行區(qū)域，提高發(fā)動機(jī)可靠性和瞬態(tài)性能。

如圖5所示，在發(fā)動機(jī)負(fù)荷急速減小時，空氣流量急劇下降，喘振極有可能發(fā)生。但通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)控制程序，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)停止向發(fā)動機(jī)燃?xì)夤?yīng)并打開節(jié)氣門，可以有效維持壓氣機(jī)的流量，降低廢氣能量，從而避開壓氣機(jī)喘振區(qū)。對于控制渦輪廢氣旁通量或配置可變截面渦輪的天然氣發(fā)動機(jī)，還可以通過降低渦輪能量的方式減小壓氣機(jī)壓比，從而減小喘振發(fā)生的可能。

對于那些受發(fā)動機(jī)控制模塊調(diào)節(jié)的增壓器來說，采取一定的控制模式來應(yīng)對如前所述的喘振狀況顯然是有必要的，且具有相當(dāng)?shù)某杀緝?yōu)勢。

4.3 防喘振閥

如圖5所示，在車輛剎車換檔瞬間，有相當(dāng)一部分增壓壓力是發(fā)動機(jī)不需要的。通過增加一個閥門，將發(fā)動機(jī)不需要的高壓空氣消耗掉。這樣既可以使壓氣機(jī)遠(yuǎn)離喘振線，也可以使渦輪處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖7為一款天然氣發(fā)動機(jī)在負(fù)荷突減工況時，帶防喘振閥和不帶防喘振閥情況下，壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力比較：帶有防喘振閥的情況下，壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力變化平穩(wěn)。實際跟車發(fā)現(xiàn)，天然氣車輛換檔后，帶有防喘振閥的車輛能夠更快建立增壓壓力，車輛的整體性能有所提高。當(dāng)然這樣也增加了成本，還將進(jìn)氣管路復(fù)雜化，降低了整個系統(tǒng)的可靠性。

圖7 發(fā)動機(jī)突卸負(fù)荷時壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力比較

目前很多增壓器廠家將防喘振閥與壓氣機(jī)殼體集成，這樣很大程度上簡化了安裝要求，見圖8。

但對于防喘振閥流量能否滿足天然氣發(fā)動機(jī)的需求，顯然是個需要綜合考慮到問題。

Study on the Surge of Natural Gas Engine Turbocharger

Li Chaoyang1,Lu Jing'an2
（1.Shanghai Jaotong University,Shanghai 200240,China; 2.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

The air intake regulation and working conditions of turbocharged natural gas engine was studied.Turbocharger matching characteristics of natural gas engine and the reasons of the surge were introduced.And different turbocharger surge control measures were analyzed and compared.

natural gas engine,turbocharger,surge,compressor

李朝陽（1985），男，工程師，主要研究方向為氣體發(fā)動機(jī)設(shè)計。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.008