程江華，冷泠，賈曉亮，石磊，楊磊，鄧康耀

(1.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300400；2.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐臨汾地區(qū)軍事代表室，山西 侯馬 043011)

新一代柴油機(jī)向著高效、綠色、節(jié)能、可靠、高功率密度方向發(fā)展，渦輪增壓技術(shù)利用廢氣能量，為柴油機(jī)燃燒提供更充足的空氣，是提高柴油機(jī)功率密度，降低燃油消耗率，并減少顆粒物(PM)排放的關(guān)鍵技術(shù)。近年來渦輪增壓技術(shù)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，發(fā)展了兩級渦輪增壓、相繼渦輪增壓、可變截面渦輪增壓等新型增壓技術(shù)，但每種增壓技術(shù)適用于特定應(yīng)用場景，無法同時(shí)滿足柴油機(jī)不同運(yùn)行條件的進(jìn)氣需求。兩級相繼增壓技術(shù)結(jié)合兩級增壓和相繼增壓的優(yōu)勢，不但能夠?qū)崿F(xiàn)高壓比從而大幅提升柴油機(jī)功率密度，而且拓寬了柴油機(jī)流量范圍，進(jìn)而擴(kuò)大柴油機(jī)運(yùn)行范圍。王銀燕、趙東輝等針對柴油機(jī)兩級相繼增壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，實(shí)現(xiàn)了增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和匹配，柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能有所改善。劉偉等針對船用中速柴油機(jī)功率密度提升，部分工況性能兼顧的需求，進(jìn)行兩級相繼增壓系統(tǒng)的改造，基于瞬態(tài)性能仿真模型開展增壓系統(tǒng)切換控制策略研究。

柴油機(jī)要求在中低轉(zhuǎn)速工況下具有一定的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)，即渦輪增壓系統(tǒng)保證柴油機(jī)運(yùn)行在中低轉(zhuǎn)速工況下具有較高的過量空氣系數(shù)，具備低速提升扭矩的潛力，因此不同增壓系統(tǒng)對柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速性能的影響研究至關(guān)重要。尚未有研究針對兩級相繼增壓系統(tǒng)對柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速性能影響開展試驗(yàn)研究，探明不同增壓模式對中低轉(zhuǎn)速性能的影響規(guī)律。

本研究搭建了兩級相繼增壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺架，能夠通過閥門控制實(shí)現(xiàn)各增壓模式的靈活切換，并針對柴油機(jī)在推進(jìn)特性中低轉(zhuǎn)速工況下，低壓級增壓、高壓級增壓、兩級增壓和兩級相繼增壓四種增壓模式對柴油機(jī)性能影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，從進(jìn)排氣系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和整機(jī)排放性能及經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)多個(gè)維度進(jìn)行分析比較，從而優(yōu)化增壓柴油機(jī)在中低轉(zhuǎn)速工況下的增壓模式方案。

1 柴油機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)型為上柴SC7H柴油機(jī)，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。兩級相繼渦輪增壓系統(tǒng)示意圖見圖1。兩級相繼增壓系統(tǒng)有兩個(gè)分支并聯(lián)連接，分別為主支路和副支路。兩級相繼增壓系統(tǒng)中控制閥門有高壓級旁通閥①⑤、低壓級旁通閥②、切換閥③④，通過旁通閥的調(diào)節(jié)以及切換閥的開啟/關(guān)閉實(shí)現(xiàn)增壓模式的靈活切換(見表2)，可實(shí)現(xiàn)的增壓模式有高壓級增壓、低壓級增壓、兩級增壓、兩級相繼增壓。其中，兩級相繼增壓模式中兩支路四增壓器協(xié)同工作，而兩級增壓模式中主支路高、低壓級增壓器工作。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺架如圖2所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 兩級相繼渦輪增壓系統(tǒng)示意

表2 不同增壓模式下閥門狀態(tài)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)工況采用柴油機(jī)標(biāo)定功率的25%，30%，35%，40%，45%，50%中低負(fù)荷工況，分析不同增壓模式對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的關(guān)系滿足螺旋槳特性=·，測試工況見表3。

表3 推進(jìn)特性試驗(yàn)測試工況

2 不同增壓模式性能分析

對不同增壓模式下柴油機(jī)推進(jìn)特性中低轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，通過增壓壓力、進(jìn)氣流量、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、缸內(nèi)最高燃燒壓力、排溫、NO、燃油消耗率等進(jìn)排氣系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和柴油機(jī)性能指標(biāo)的對比，分析柴油機(jī)匹配不同增壓模式后性能的變化。

2.1 進(jìn)排氣關(guān)鍵參數(shù)對比

柴油機(jī)增壓壓力限值為255 kPa，增壓器轉(zhuǎn)速限值為140 000 r/min，排氣溫度限值為700 ℃。25%～50%負(fù)荷下四種增壓模式的增壓壓力如圖3所示，進(jìn)氣流量如圖4所示，排氣溫度如圖5所示，高壓級增壓器轉(zhuǎn)速如圖6所示。

圖3中，不同增壓模式下增壓壓力隨著負(fù)荷的增加均呈上升趨勢，兩級增壓壓力最高，總壓比最大，其次為高壓級增壓、兩級相繼增壓和低壓級增壓。由于低壓級渦輪等效流通面積大，而柴油機(jī)運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速，推進(jìn)特性排氣流量低，低壓級渦輪工作在低效率區(qū)，無法為缸內(nèi)燃燒提供充足進(jìn)氣量，且低壓級增壓增壓壓力隨負(fù)荷變化不敏感。由圖4可知，在低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，兩級相繼增壓雖然增壓壓力低于兩級增壓和高壓級增壓，然而，在兩級相繼增壓模型下工作的柴油機(jī)進(jìn)氣流量最大，在45%～50%中負(fù)荷區(qū)域，兩級相繼增壓和兩級增壓進(jìn)氣流量趨于一致?？梢妰杉壪嗬^增壓能夠顯著提升中低負(fù)荷運(yùn)行工況進(jìn)氣流量，充足的進(jìn)氣量使得能夠噴入更多的油量，提高扭矩，相比于其他增壓模式，兩級相繼增壓扭矩儲(chǔ)備系數(shù)高，且此增壓模式下進(jìn)氣流量的提升不受增壓壓力限值的制約，因此兩級相繼增壓為提升柴油機(jī)全負(fù)荷進(jìn)氣量的有效手段。

圖3 不同增壓模式下增壓壓力對比

圖4 不同增壓模式下進(jìn)氣流量對比

增壓壓力和進(jìn)氣流量隨負(fù)荷的變化進(jìn)一步影響著排氣溫度，由圖5可知，由于低壓級增壓在低負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣流量低于其他增壓模式，燃油混合不充分，燃燒持續(xù)期長，且氣缸未得到新鮮充量的充分冷卻，所以排氣溫度最高。在45%～50%中負(fù)荷區(qū)，低壓級增壓模式下柴油機(jī)增壓壓力受限，相比于其他增壓模式，進(jìn)氣流量的增幅較小，新鮮充量不足，噴油量增加但燃燒不充分，故排氣溫度保持在430 ℃左右。綜合以上分析，在柴油機(jī)高負(fù)荷工況下匹配的低壓級增壓系統(tǒng)在中低轉(zhuǎn)速工況下性能較差，面臨柴油機(jī)低速扭矩不足的問題。由圖6可知，相比于兩級增壓和兩級相繼增壓，高壓級增壓增壓壓力的獲得完全依賴于排氣驅(qū)動(dòng)高壓級渦輪做功，所以高壓級增壓器轉(zhuǎn)速最高，而兩級相繼增壓通過對排氣能量的合理分配，在較低的增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力下獲得更大的進(jìn)氣流量，此特性在中高負(fù)荷工況的優(yōu)勢更加明顯，在合理安全的范圍內(nèi)為柴油機(jī)提供充足的進(jìn)氣充量，為增壓柴油機(jī)動(dòng)力性提供保障。

圖5 不同增壓模式下排氣溫度對比

圖6 不同增壓模式下高壓級增壓器轉(zhuǎn)速對比

2.2 整機(jī)性能分析

不同增壓模式對整機(jī)中低轉(zhuǎn)速性能的影響分析主要關(guān)注油耗和排放特性。不同增壓模式下最高燃燒壓力、壓力升高率、燃燒持續(xù)期和NO排放的對比分別見圖7至圖10。

如圖7所示，不同增壓模式下最高燃燒壓力隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與增壓壓力變化趨勢大致相同，可知中低負(fù)荷下的增壓壓力是導(dǎo)致最高燃燒壓力差異的主要原因。兩級增壓模式下，較高的增壓壓力引起柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力大幅提升，因此相比于其他增壓模式，兩級增壓的最高燃燒壓力隨負(fù)荷增加而迅速升高，在50%負(fù)荷下最高燃燒壓力為14.842 MPa，接近最高燃燒壓力限值16.5 MPa，此時(shí)柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱沖擊較大，若繼續(xù)增加柴油機(jī)負(fù)荷，面臨最高燃燒壓力超限的風(fēng)險(xiǎn)，影響增壓柴油機(jī)的可靠運(yùn)行?？梢妰杉壴鰤合到y(tǒng)雖能在中低負(fù)荷下提供充足的進(jìn)氣量，但由于最高燃燒壓力限值約束，無法適應(yīng)全工況進(jìn)氣需求，在中高負(fù)荷需采用旁通部分排氣能量的方法，限制最高燃燒壓力的升高，但損失了廢氣做功能量，導(dǎo)致渦輪機(jī)效率降低。由圖8可知，兩級相繼增壓的壓力升高率在不同負(fù)荷下均維持在較高的水平，反映了柴油與空氣混合充分，預(yù)混合燃燒階段的放熱速率較大，較大的壓力升高率會(huì)導(dǎo)致溫度明顯升高。相較于兩級相繼增壓，兩級增壓的壓力升高率較低。由圖9可知，兩級相繼增壓和兩級增壓模式的燃燒持續(xù)期較短，擴(kuò)散燃燒期內(nèi)混合氣形成較完善；而低壓級增壓和高壓級增壓模式下燃燒持續(xù)期較長，對缸內(nèi)有害排放物的生成有較大影響。

圖7 不同增壓模式下最高燃燒壓力對比

圖8 不同增壓模式下壓力升高率對比

圖9 不同增壓模式下燃燒持續(xù)期對比

圖10 不同增壓模式下NOx排放對比

根據(jù)以上燃燒過程主要參數(shù)的對比，可分析得到不同增壓模式NO排放水平差異的原因。根據(jù)高溫NO的生成機(jī)理，在中低負(fù)荷工況下兩級相繼增壓提供足夠的氧濃度條件，且由壓力升高率反映出燃燒劇烈，缸內(nèi)燃燒溫度較高，NO反應(yīng)速率較快，NO生成量較大；而低壓級增壓在低負(fù)荷下柴油機(jī)燃燒壓力升高率和燃燒持續(xù)期均明顯高于其他增壓模式，高溫及長反應(yīng)時(shí)間促進(jìn)了NO的形成。兩級增壓在NO排放方面具有明顯優(yōu)勢，在25%～40%負(fù)荷下，與兩級相繼增壓模式相比，NO排放體積分?jǐn)?shù)下降6.3%。

圖11和圖12分別示出不同負(fù)荷下四種增壓模式泵氣平均有效壓力和燃油消耗率的對比。由于柴油機(jī)工作在中低轉(zhuǎn)速工況，高壓級增壓和兩級增壓泵氣損失功較大，實(shí)際泵氣平均有效壓力為負(fù)，即凈指示功小于動(dòng)力過程功，使得柴油機(jī)有效輸出功下降；而兩級相繼增壓系統(tǒng)通過對排氣能量的合理利用，即使在中低轉(zhuǎn)速工況下泵氣平均有效壓力仍為正，在推進(jìn)特性30%負(fù)荷下，兩級相繼增壓系統(tǒng)的泵氣平均有效壓力為19.8 kPa，占凈指示功的3.33%，相比于兩級增壓系統(tǒng)泵氣平均有效壓力增加28.2 kPa，相比于低壓級增壓系統(tǒng)增加19.3 kPa。兩級相繼增壓系統(tǒng)對部分柴油機(jī)排氣能量再利用，使其作為有效輸出功的一部分，提升了柴油機(jī)的有效效率，充分利用燃料的化學(xué)能，從而在相應(yīng)工況下的燃油消耗率有所降低。在兩級及兩級相繼增壓模式下，充足的進(jìn)氣量以及對排氣能量的合理分配，使得在較低的噴油量下即可達(dá)到柴油機(jī)推進(jìn)特性下目標(biāo)轉(zhuǎn)速的功率需求，燃油消耗率較低。綜合評估中低負(fù)荷工況下的燃油消耗率，相比于低壓級增壓和高壓級增壓，兩級相繼增壓柴油機(jī)燃油消耗率分別減少10.69 g/(kW·h)和3.98 g/(kW·h)，表明在推進(jìn)特性中低轉(zhuǎn)速工況下有較好的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

圖11 四種增壓模式泵氣平均有效壓力對比

圖12 四種增壓模式燃油消耗率對比

3 結(jié)論

針對兩級相繼增壓系統(tǒng)，開展了柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn)研究，探明了不同增壓模式對中低速性能的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

a) 通過閥門狀態(tài)控制，兩級相繼增壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四種增壓模式，從而滿足不同工況增壓調(diào)節(jié)需求；

b) 不同增壓模式下燃燒特性分析表明，兩級相繼增壓和兩級增壓模式下，柴油機(jī)燃燒持續(xù)期較短，擴(kuò)散燃燒期內(nèi)混合氣形成較完善，而低壓級增壓和高壓級增壓模式燃燒持續(xù)期較長；

c) 在柴油機(jī)推進(jìn)特性20%～50%負(fù)荷范圍內(nèi)，兩級相繼增壓模式在滿足進(jìn)氣需求條件下，可以顯著降低泵氣損失，從而降低柴油機(jī)油耗。