徐明月 李文濤 馮元福 王繼勇 張桂芹

摘要：采用定壓增壓方式的大型船用發(fā)動機，在匹配增壓器時一般滿足高速時增壓適量的要求，在低速工況下會出現(xiàn)進氣量不足造成增壓器喘振、冒黑煙以及排溫過高等不良后果，一般會采用增壓進氣旁通這種方式來優(yōu)化低負荷工況。本文詳細介紹某型號船用發(fā)動機上使用的進氣旁通原理以及控制策略，并結(jié)合實際的試驗結(jié)果闡述對發(fā)動機性能和排放的影響。

Abstract： Large Marine engines with constant pressure turbocharging generally meet the requirements of an appropriate amount of turbocharging at high speed when matching the turbocharger. Under low speed conditions， insufficient air intake will cause the turbocharger surge， black smoke and excessively high exhaust temperature. In general， charge air by-pass will be adopted to optimize the low-load conditions. In this paper， the principle and control strategy of the charge air by-pass used in a certain Marine engine are introduced in detail， and the influence on engine performance and emission is expounded based on the actual test results.

關(guān)鍵詞：增壓進氣旁通;船用發(fā)動機;性能和排放

Key words： charge air by-pass;marine diesel engine;performance and emission

中圖分類號：TK442? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0055-05

0? 引言

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代船用發(fā)動機已經(jīng)發(fā)展到一個較高的技術(shù)水平，已經(jīng)大量配套在工程船、運輸船、公務(wù)船、科考船和漁船中，促進了海洋事業(yè)的發(fā)展。越來越先進的船型對發(fā)動機的功能和適用性也提出了很高的要求，尤其是匹配定距槳的船型，經(jīng)常在低負荷區(qū)域運行，要求主推進發(fā)動機在此區(qū)域內(nèi)有良好的動力性和經(jīng)濟性。增壓器作為發(fā)動機上重要的零部件，其優(yōu)化匹配對發(fā)動機性能和排放參數(shù)有很大影響。

大型的船用發(fā)動機根據(jù)排氣壓力的能量利用程度，分為定壓增壓和脈沖增壓兩種形式。其中定壓增壓主要利用排氣的等壓能量，渦輪進口氣流參數(shù)比較穩(wěn)定，氣流引起的激振較小，不易引起葉片斷裂;渦輪在定壓下全周進氣，效率較高，氣缸泵氣功損失較少。采用定壓增壓方式的增壓器在匹配時，如果增壓系統(tǒng)滿足高速時增壓適量的要求，則在低速時供氣就會不足;如果滿足低速時的供氣量，在高速時就可能增壓過量。

對于按發(fā)動機標定工況參數(shù)匹配的增壓發(fā)動機，在降低轉(zhuǎn)速時，增壓壓力的降低就會造成進氣量不足以滿足氣缸燃燒所需的空氣量要求，從而產(chǎn)生冒黑煙、排氣溫度過高等不良后果。

本文介紹一種在現(xiàn)代船用發(fā)動機設(shè)計中，用來優(yōu)化低負荷工況的增壓進氣旁通功能，并根據(jù)實際的試驗結(jié)果分析該功能對發(fā)動機性能和排放的影響。

1? 增壓空氣旁通功能

1.1 增壓空氣旁通裝置? 發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速和低負荷的一定區(qū)間，為改善發(fā)動機部分負荷時的燃燒狀態(tài)，提高發(fā)動機的部分負荷性能，會采用增壓空氣旁通功能，即引入部分壓縮空氣到增壓器前排氣管，增加部分負荷時推動增壓器渦輪的氣流，從而提高增壓器轉(zhuǎn)速，進而增加了進入壓氣機的空氣量，提高了增壓壓力，如圖1所示。在提升發(fā)動機部分載荷時的運行性能的同時，增大了渦輪增壓器的喘振裕度。

增壓空氣旁通功能通過由旁通電磁閥、蝶閥、增壓空氣旁通管組成的增壓空氣旁通裝置實現(xiàn)，如圖2所示。

1.2 增壓空氣旁通開啟區(qū)間

發(fā)動機采用控制系統(tǒng)內(nèi)的增壓空氣旁通模塊控制增壓空氣旁通功能的啟閉。如果增壓空氣旁通功能開啟，部分增壓空氣會進入排氣歧管。盡管初始階段部分進氣會減少，但總體上由于更多的氣體去推動增壓器渦輪，使增壓器轉(zhuǎn)速提高，所以進氣壓力和流量會提高。

但是，進氣旁通的這些優(yōu)勢只是在有限的開啟范圍內(nèi)。特別是在以下的情況下，進氣旁通需要關(guān)閉：

①合排：在合排的時候，排氣壓力瞬間升高，此時進氣壓力上升會有一些延遲，排氣壓力會大于進氣壓力，因此，在合排請求后，旁通電磁閥需設(shè)置關(guān)閉一定的時間，等進氣壓力升上來后再打開。

②低負載工況：和合排工況類似，此時進氣壓力偏低，因此在低負載工況旁通電磁閥應(yīng)關(guān)閉。

③高負載工況：在高負載工況，進氣壓力很高，燃燒已經(jīng)足夠，旁通的進氣對燃燒作用很小，但卻使增壓器渦輪承受了更高的壓力，因此在高負載工況，旁通電磁閥也要關(guān)閉。

綜上，進氣旁通電磁閥應(yīng)僅在中間工況負載時打開。

決定在某個轉(zhuǎn)速和負載下增壓空氣旁通閥是否開啟，需要一個X橫坐標是轉(zhuǎn)速，Y縱坐標是負載的坐標系?；趦蓚€轉(zhuǎn)速/負載設(shè)定點，定義一個上邊界和下邊界，如果當前的轉(zhuǎn)速和負載在此邊界內(nèi)，增壓空氣旁通功能開啟，否則關(guān)閉。如圖3所示。在邊界內(nèi)，旁通的增壓空氣壓力大于排氣壓力。

為防止當轉(zhuǎn)速/負載在開啟區(qū)間上下限時，旁通功能頻繁開關(guān)導(dǎo)致電磁閥或者蝶閥故障，可在開啟區(qū)間的上下限設(shè)置單向滯后區(qū)，如圖4所示。

當轉(zhuǎn)速/負載點由開啟區(qū)間外進入開啟區(qū)間時，滯后區(qū)不起作用。當轉(zhuǎn)速/負載點由開啟區(qū)間內(nèi)進入開啟區(qū)間外時，由于轉(zhuǎn)速和負載的波動，如果轉(zhuǎn)速/負載點仍處于滯后區(qū)內(nèi)，則旁通閥維持開啟狀態(tài)，直至轉(zhuǎn)速/負載點上升或下降至滯后區(qū)外。

對一個具體的匹配定距槳的船用發(fā)動機來說，增壓空氣旁通閥準確的開關(guān)點取決于它的螺旋槳曲線，如圖5所示。增壓空氣旁通開關(guān)點（旁通閥開關(guān)的轉(zhuǎn)換點）是螺旋槳曲線和增壓空氣旁通開啟區(qū)間上下邊界的交點。

1.3 增壓空氣旁通邏輯

確定好增壓空氣開啟區(qū)間后，需在控制系統(tǒng)內(nèi)確定增壓空氣旁通功能邏輯。

有幾種例外情況，需要關(guān)閉旁通閥或者保持旁通閥處于閉合狀態(tài)：

①發(fā)動機未工作;

②未檢測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速或者發(fā)動機負載信號;

③合排請求被觸發(fā)。在這種情況下增壓空氣旁通閥需要關(guān)閉，并且在設(shè)置的時間范圍內(nèi)保持關(guān)閉狀態(tài)。

如果發(fā)動機在運轉(zhuǎn)狀態(tài)，且沒有停機項被觸發(fā)，此時旁通閥可由發(fā)動機增壓空氣旁通功能控制。旁通閥的啟閉取決于當下發(fā)動機的速度和負載。

在下述情況下報警項會被觸發(fā)：

①如果增壓空氣旁通閥被請求開啟，但是沒有增壓空氣旁通閥實際已經(jīng)開啟的反饋信號（“旁通閥是否開啟”不是“是”），則顯示報警信息“發(fā)動機增壓空氣旁通失效”;

②如果未檢測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號或負載信號，則顯示報警信息“發(fā)動機增壓空氣旁通未工作”。

最終確定的增壓空氣旁通開啟邏輯圖見圖6。

2? 增壓空氣旁通功能對發(fā)動機性能和排放的影響

為探究增壓空氣旁通在特定的轉(zhuǎn)速和功率區(qū)間開啟后，對發(fā)動機性能和排放的影響，在某裝配有增壓空氣旁通裝置的發(fā)動機上，通過啟閉增壓空氣旁通電磁閥的方式，進行E3排放循環(huán)測試。測試環(huán)境參數(shù)為環(huán)境溫度26.4℃，進氣濕度82.2%，大氣壓力100.4kPa。

循環(huán)測試根據(jù)《GB 15097-2016 船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》進行，各循環(huán)負載狀態(tài)如表1。E3-A循環(huán)為50%和25%負載均開啟增壓空氣旁通功能，E3-B循環(huán)僅25%負載開啟增壓空氣旁通功能，E3-C循環(huán)全部關(guān)閉增壓空氣旁通功能。

三個循環(huán)不同工況點的油耗、增壓器渦前排溫、增壓器轉(zhuǎn)速、濕基進氣量、NOX表顯濃度對比見圖7、圖8、圖9、圖10。

開啟增壓空氣旁通后，排氣量瞬間增加，排氣能量加大，推動增壓器渦輪旋轉(zhuǎn)更快，50%點和25%點增壓器轉(zhuǎn)速分別提高了15.5%和16.6%，對應(yīng)進氣量分別加大了53.4%和47.4%，缸內(nèi)燃燒得到優(yōu)化，熱效率提高，因未開啟增壓空氣旁通時，原機的過量空氣系數(shù)已經(jīng)很大，因此油耗下降幅度有限。

更大的進氣量和熱效率的提高，導(dǎo)致渦前排溫下降幅度明顯，50%點和25%點均下降了約90℃，大大提高了排氣管組件以及增壓器的耐用性。

由圖11可知，開啟增壓空氣旁通后，50%點和25%點燃燒更加充分，缸內(nèi)溫度和壓力提高，產(chǎn)生的NOX增加，但由于進氣量增加，因此最終單位質(zhì)量排氣中檢測的NOX表顯濃度有一定幅度下降。

最終根據(jù)濕基進氣量和NOX表顯濃度計算得出的NOX比排放量對比見圖12。

根據(jù)《GB 15097-2016 船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》，NOX比排放量的計算公式中，在環(huán)境因子一定的情況下，變量為NOX濃度和濕基進氣量的乘積，開啟增壓進氣旁通功能后，NOX比排放量有一定的增加。

因此，如果在設(shè)定增壓進氣旁通功能開啟區(qū)間時，如果50%點和25%點在區(qū)間內(nèi)，但排放不滿足要求，可考慮重設(shè)區(qū)間，將排放考核點設(shè)置在增壓進氣旁通功能開啟區(qū)間外。

3? 結(jié)論

按上述試驗結(jié)果和分析，針對進行此試驗的發(fā)動機，有如下結(jié)論：

①增壓進氣旁通功能只能在特定區(qū)間范圍內(nèi)開啟，用于優(yōu)化該區(qū)間范圍內(nèi)的發(fā)動機燃燒;

②增壓進氣旁通功能會使排氣量增加，增壓器渦輪轉(zhuǎn)速提高，從而使進氣量增加;

③增壓進氣旁通功能使開啟區(qū)間內(nèi)進氣量增加，燃燒更加充分，熱效率提高，從而油耗和排溫更低;

④增壓進氣旁通功能優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，使缸內(nèi)溫度提高，缸內(nèi)燃燒壓力增大，但因進氣量增大，NOX的表顯濃度更低;

⑤NOX的比排放量計算中，變量因子為NOX的表顯濃度和濕基進氣量的乘積，增壓進氣旁通功能使NOX的比排放量更高，對最終排放結(jié)果不利;

⑥在設(shè)置增壓空氣旁通開啟區(qū)間時，要綜合考慮最終排放結(jié)果，如需可適當避開排放測試考核點。

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