王尚鵬，高占斌,2，尹自斌，范金宇

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

0 引 言

為有效節(jié)約能源利用率，優(yōu)化柴油機性能，目前，廢氣渦輪增壓技術(shù)因其能提高柴油機功率和降低油耗率，而成為一項重要措施之一。渦輪增壓器可以在功率不變的條件下，縮小排量，提高柴油機的經(jīng)濟性，降低排放[1]。傳統(tǒng)的增壓技術(shù)雖然能提高柴油機PMEP 指數(shù)，但同時也有一定的弊端，主要包括：1）隨著柴油機轉(zhuǎn)速范圍的拓展，在低工況時柴油機運行點靠增壓器喘振線較近，甚至越過喘振線[2-3]。2）傳統(tǒng)的柴油機匹配渦輪增壓器時，主要著重考慮柴油機在最大扭矩的85% 左右時的整機性能，故渦輪增壓器的通流面積通常較大，而當柴油機運行工況點偏離最大扭矩時，尤其在低工況，增壓壓力下降明顯，增壓器效率低下（嚴重時會發(fā)生惰轉(zhuǎn)），進氣量嚴重不足，缸內(nèi)燃燒效果惡化，柴油機的性能下降，且隨著增壓度逐漸提高，這種弊端越明顯。

而國內(nèi)外針對此弊端先后研發(fā)出了廢氣旁通、進排氣旁通、可變截面渦輪和相繼增壓渦輪等改善柴油機性能的措施[4-5]。其中廢氣旁通雖然可在低速區(qū)獲得較高的增壓壓力，但在高速區(qū)卻限制了增壓壓力的提高。進排氣旁通可以使柴油機運行點遠離喘振線，在無葉擴壓器，壓氣機的有效利用率較高，但在有葉擴壓器，壓氣機效率較低。此外，系統(tǒng)調(diào)節(jié)、控制難度較大，一般應用于大功率高速增壓柴油機[6-8]。VGT與STC 系統(tǒng)原理類似，都屬于調(diào)節(jié)增壓器范疇，且都是改善柴油機低工況性能的有效手段，但STC 系統(tǒng)相對VGT 更有優(yōu)越性。如STC 系統(tǒng)調(diào)節(jié)渦輪流通面積較大，且可同時調(diào)節(jié)壓氣機進口面積，并可選用現(xiàn)有增壓器進行匹配組合，結(jié)構(gòu)較為簡單[9]。而VGT 的故障率較高，且在低工況運行條件下，總體效率偏低[10]。

本文針對V 型6 缸小型船用增壓柴油機進行研究，將原機常規(guī)增壓系統(tǒng)設計為STC 系統(tǒng)，通過試驗，分析采用STC 系統(tǒng)后對柴油機性能的影響。

1 STC 系統(tǒng)設計

1.1 設計樣機

本文以TBD234V6 型增壓柴油機為原型機進行研究，圖1 為發(fā)動機試驗臺架及測控設備示意圖，該機的主要性能結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

圖 1 TBD234V6 型柴油機及測控設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of TBD234V6 diesel engine and control equipment

表 1 TBD234V6 型柴油機性能參數(shù)表Tab.1 Performance parameter table of TBD234V6 diesel engine

1.2 相繼增壓進、排氣管路系統(tǒng)改造設計

圖2（a）為TBD234V6 型柴油機原機常規(guī)增壓示意圖?？梢钥闯觯瓩C只配有1 個渦輪增壓器（型號J100），且為脈沖增壓，廢氣通過A 列和B 列氣缸之后直接推動渦輪做功。圖2（b）為對該機進、排氣管路改造之后的相繼增壓系統(tǒng)示意圖。可以看出，本試驗臺架將原機常規(guī)增壓采用的J100 渦輪增壓器換成2 個型號相同的M12 增壓器，并采用連通管連接A 列和B 列排氣管，在受控增壓器渦輪前面加裝1 個燃氣閥，在受控壓氣機后面安裝1 個空氣閥。當柴油機在低工況運行時，空氣閥和燃氣閥都關(guān)閉，只有1 臺增壓器工作（1TC），6 個氣缸的排氣集中供給基本增壓器。當在高工況或高負荷狀態(tài)下，先將燃氣閥打開，而后打開空氣閥，2 臺增壓器同時工作（2TC）。

圖 2 TBD234V6 型柴油機原機增壓與相繼增壓系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the original turbocharged and sequential turbocharging system of TBD234V6 diesel engine

1.3 加裝蝶閥對進氣流量的影響

圖3 為TBD234V6 型柴油機加裝蝶閥前后進氣流量對比圖?？梢钥闯觯驹囼炈x取的4 個工況點，在加裝蝶閥后，柴油機的進氣流量稍有減小，但下降率均很小。由此可知，加裝燃氣閥和空氣閥后，對柴油機整體的進氣流量影響不大，故選用的2 只蝶閥較為合理。

1.4 排煙管設計

本試驗臺架經(jīng)上述改造之后，渦輪增壓器由1 個變?yōu)? 個，渦輪出口后的排煙管因此也由1 個增加為2 個。為節(jié)約成本，此次設計只針對排煙管中段部分。圖4 為STC 系統(tǒng)排煙管中段三維模型設計圖，可以看出，來自兩渦輪排出的廢氣通過兩支管合并到總管，總管直接連接原機試驗臺架排煙管的后半部分，從而將煙氣排出。此設計的優(yōu)點在于節(jié)約了空間，且對排氣背壓影響較小。

圖 3 加裝蝶閥前后進氣流量對比Fig.3 Comparison of intake air flow before and after adding butterfly valve

圖 4 排煙管三維模型設計圖Fig.4 Three-dimensional model design of exhaust pipe

圖5 為STC 系統(tǒng)排煙管實物安裝圖?？梢钥闯觯谒O計的排煙管下部安裝了波紋管，目的在于降低柴油機在工作時所產(chǎn)生的震動對排煙管的沖擊和熱膨脹對排煙管的影響。此外，排煙管2 個管法蘭盤上分別安裝了懸吊裝置，懸吊拉桿承受著排煙管重力，從而避免兩渦輪增壓器渦輪出口受力過大。

排煙管改造完成之后，相對于原機試驗臺架，排煙管路增加了5 個直角彎頭，故需對所設計的排煙管排氣背壓重新進行分析。本試驗共選取5 個工況點進行分析，分別是標定功率的10%，25%，50%，75% 和100%。圖6 為推進特性下相繼增壓與原機常規(guī)增壓的排氣背壓對比圖?？梢钥闯?，STC 系統(tǒng)改造之后的排煙管排氣背壓相比原機，略有增高，但增加幅度較小，對柴油機的性能影響較小。故本試驗所設計的相繼增壓排煙管較為合理。

1.5 STC 系統(tǒng)氣動蝶閥控制系統(tǒng)設計

圖 5 排煙管實物安裝圖Fig.5 Physical installation diagram of smoke exhaust pipe

圖 6 推進特性下相繼增壓與原機增壓排氣背壓對比Fig.6 Comparison of sequential turbo charging and original machine exhaust back pressure under the propulsion characteristics

相繼增壓柴油機設計控制系統(tǒng)的主要目的是依據(jù)柴油機的工作狀態(tài)實現(xiàn)1TC 到2TC 以及2TC 到1TC 的切換控制，以滿足在不同工況下，渦輪增壓器都能在高效率區(qū)工作。STC 系統(tǒng)氣動蝶閥主要由電磁閥控制，其控制系統(tǒng)是由空壓機、氣動開關(guān)閥、2 只兩位三通常閉電磁閥和氣路軟管組成，且執(zhí)行器為單作用氣動執(zhí)行氣缸。圖7 為相繼增壓蝶閥氣動控制系統(tǒng)原理圖。可以看出，電磁閥A 和B 中X 口與高壓氣源相連，Y 口與執(zhí)行氣缸相連，T 口為放氣口，與大氣相通。當電磁閥通電時，閥芯向下移動，X 口與Y 口連通，T 口被截止，Y 口有壓縮空氣通過，執(zhí)行氣缸中的活塞向右移動，此時蝶閥打開。當電磁閥斷電后，在復位彈簧的作用下，閥芯向上移動，Y 口與T 口連通，X 口截止，無壓縮空氣流過，執(zhí)行氣缸內(nèi)的氣體經(jīng)氣路軟管向T 口排出，執(zhí)行氣缸里的活塞在復位彈簧的作用下，向左移動，此時空氣閥和燃氣閥均關(guān)閉。

圖 7 相繼增壓蝶閥氣動控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of pneumatic control system for sequential turbo charging butterfly valves

2 試驗結(jié)果與分析

本次試驗根據(jù)所需，從標定功率（Pe0）的10% 開始，1TC 狀態(tài)下選取7 個工況點作為研究，分別為10%，20%，25%，30%，35%，40% 和45%，2TC 狀態(tài)下以10%，20%，25%，30%，35%，40%，45%，50%，60%，70%，80%，90% 和100% 這13 個負荷作為研究工況點。

2.1 STC 系統(tǒng)對柴油機動力性的影響

圖8 為柴油機在推進特性下采用1 臺增壓器和2 臺增壓器并聯(lián)等2 種方案時的最高爆發(fā)壓力和增壓壓力與原機試驗結(jié)果對比圖。因增壓器工作時受最高轉(zhuǎn)速的限制，故本試驗當只采用1 個渦輪增壓器時，試驗工況點最高運行到45%Pe0。

由圖8 可知，柴油機按相繼增壓的2 種增壓方式運行時，最高爆發(fā)壓力和增壓壓力都隨負荷的增加而增大，當Pe≤45%Pe0時，1TC 狀態(tài)下的最高爆發(fā)壓力和增壓壓力均高于2TC 和原機常規(guī)增壓，而2TC 狀態(tài)下的爆壓和增壓壓力相比原機差別較小。從圖8（a）可以看出，在10%Pe0時，1TC 和2TC 的爆壓值差距最大，約為13 bar。這主要是因為在低工況下，柴油機的排氣量較少，若按2TC 工作，則發(fā)動機排出的廢氣流經(jīng)2 個渦輪，此時每個增壓器所獲得的廢氣量不足，增壓器渦輪的效率降低，從而壓氣機增壓壓力也較低，進入氣缸的空氣流量減少，空燃比下降，燃燒不充分， 故爆壓較低。 而采用單個小渦輪增壓器（1TC）工作時，6 個缸的廢氣量集中供給此增壓器，渦輪轉(zhuǎn)速提高，帶動壓氣機做功增多，因此壓氣機的壓比增加，增壓壓力提高，進氣量充足，燃燒更加完全，最高爆發(fā)壓力升高。從圖8（b）可以看出，低工況下采用1TC 時，在增壓效果上，明顯優(yōu)于2TC 和原機常規(guī)增壓。

圖 8 三種增壓方式的動力性能參數(shù)與原機試驗結(jié)果對比Fig.8 Comparison of dynamic performance parameters of three supercharged modes and original test results

2.2 STC 系統(tǒng)對渦前排氣溫度的影響

圖9 為改造STC 系統(tǒng)前后柴油機渦前排氣溫度對比圖。可知，采用STC 系統(tǒng)后，柴油機各工況的排氣溫度均隨負荷的增加而上升，按1TC 運行時，其渦前排溫在10%Pe0≤Pe≤45%Pe0下比2TC 和原機試驗結(jié)果要低，在10%Pe0≤Pe≤30%Pe0之間，隨著負荷的增加，2TC 與1TC 排溫溫差逐漸增大，當Pe=30%Pe0時，2TC 與1TC 排溫溫差最大，約為42 ℃，當30%Pe0≤Pe≤45%Pe0時，1TC 與2TC 以及原機試驗的結(jié)果溫差逐漸減小，直至接近原機的渦前排溫。這主要是因為柴油機匹配STC 系統(tǒng)后，在低工況時只采用1 個渦輪增壓器（1TC），渦輪轉(zhuǎn)速升高，壓氣機轉(zhuǎn)速升高，增壓壓力增加，過量空氣系數(shù)提高，燃燒效果變好，同時降低缸內(nèi)熱負荷，渦前排氣溫度隨之下降。而2TC 的渦前排溫試驗結(jié)果與原機差距甚微，這表明所選取的2 個小渦輪增壓器并聯(lián)使用時的整體效果與原機1 臺增壓器差別較小。

圖 9 采用STC 系統(tǒng)前后柴油機渦前排氣溫度對比Fig.9 Comparison of front and rear exhaust temperatures of diesel engines before and after using STC system

2.3 STC 系統(tǒng)對NOx 和Soot 的影響

圖 10 推進特性下1TC，2TC 與原機NOx 濃度對比Fig.10 Comparison of NOx concentration among 1TC and 2TC and original machine under propulsion characteristics

圖10 為柴油機在推進特性下利用排氣分析儀所測得的采用STC 系統(tǒng)后與原機NOx 濃度對比圖。圖10表明，1TC，2TC 和原機狀態(tài)下NOx 濃度隨負荷的增加而逐漸上升，在10%Pe0≤Pe≤45%Pe0時，1TC 的NOx 濃度明顯低于2TC 與原機試驗結(jié)果，這是由于1TC 狀態(tài)下進氣壓力高，進氣量充足，缸內(nèi)進入的低溫氣體較多，冷卻效果較好，最高燃燒溫度下降。且缸內(nèi)燃空當量比較低，燃燒效果較好，故NOx 濃度較低。此外，當10%Pe0≤Pe≤40%Pe0時，采用1TC，NOx上升幅度較緩，這是由于此階段柴油機缸內(nèi)燃燒反應速率比NOx 生成速度快，燃氣停留時間較短，NOx 的生成量被抑制。

圖11 為STC 系統(tǒng)與原機在各個工況點的Soot 值對比圖?？芍?，在高工況時，Soot 值要比低工況高，這是由于在高工況時，缸內(nèi)溫度上升，進氣不夠充分， 從而形成高溫缺氧的環(huán)境。 但在低工況時，1TC 的煙度值低于2TC 和原機試驗值，在35%Pe0時，差值最大，約為0.22 m-1。這主要是因為采用1TC 在低工況工作時，六缸的廢氣集中供給此渦輪，渦輪增壓器的效率提高，因而進氣壓力增加，進氣量更充足，故缸內(nèi)局部缺氧環(huán)境得到改善。

圖 11 推進特性下1TC，2TC 與原機Soot 值對比Fig.11 Comparison of soot values among 1TC and 2TC and original machine under propulsion characteristics

2.4 STC 系統(tǒng)對柴油機經(jīng)濟性的影響

圖 12 采用三種增壓方式燃油消耗率對比Fig.12 Comparison of fuel consumption rates by using three supercharging methods

圖12 為STC 系統(tǒng)與原機燃油消耗率的試驗結(jié)果對比圖?？芍捎?TC 在10%～40%Pe0時，有效燃油消耗率隨著負荷的增長而逐漸降低，經(jīng)濟性較好。當Pe＞40%Pe0時，燃油消耗率急劇上升，而2TC 和原機常規(guī)增壓運行狀態(tài)下柴油機的總體油耗率隨著負荷的增加而下降。1TC 最低燃油消耗率為40% 負荷時，約為223 g/kW·h，在滿足動力性和排放性較好的前提下，為提高柴油機的經(jīng)濟性，故切換點選擇為40%Pe0，轉(zhuǎn)速為1105 r/min。此外，當Pe≤40%Pe0時，1TC 時的燃油消耗率明顯低于2TC 和原機，在Pe=10%Pe0時，1TC 相比原機油耗率下降了10.5 g/kW·h，約降低4.7%。而2TC 在35%Pe0≤Pe≤70%Pe0時，燃油消耗率相比原機略高一點，其余工況點，與原機差別較小。

3 結(jié) 語

1）本文將TBD234V6 型柴油機設計改造為STC 系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠。驗證了所加裝的蝶閥和所設計的排煙管具有合理性，同時設計了2 只蝶閥的控制系統(tǒng)，以期達到便捷操控1TC 與2TC 相互切換的目的。

2）采用2 個型號為M12 的渦輪增壓器設計為STC系統(tǒng)后，在低工況狀態(tài)下，采用1TC，柴油機的廢氣能量利用率有效提高，增壓壓力增加，進氣量充足，缸內(nèi)燃燒效果良好，動力性和經(jīng)濟性顯著改善。

3）對比原機常規(guī)增壓系統(tǒng)與STC 系統(tǒng)的排放物可知，在P≤45%Pe 時，NOx 和Soot 值均有所降低，其中NOx 最大降低幅度約為22.92%，Soot 最大降低幅度約為48.83%。由此表明，采用相繼增壓技術(shù)是降低船用柴油機NOx 和Soot 的一種有效措施。若能對噴油提前角進行優(yōu)化，則柴油機的排放性能可進一步得到改善。