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        波動(dòng)高背壓環(huán)境增壓柴油機(jī)性能響應(yīng)特性

        2023-09-26 07:34:04向翰淳馬澤泰楊名洋鄧康耀
        關(guān)鍵詞:背壓增壓器渦輪

        向翰淳,馬澤泰,楊名洋,鄧康耀,黃 敏,劉 瑩

        (1.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;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所,上海 201108;3.康躍科技(山東)有限公司,山東 壽光 262718)

        增壓柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于民用船舶和軍用艦艇的推進(jìn)裝置[1-3].民用船舶為減小進(jìn)入大氣的直接排放,其中一種趨勢便是采用水下排氣[4];軍用艦艇大多會(huì)采取水下排氣降低排氣出口熱輻射以及噪聲[5],從而減小其紅外特征和噪聲特征.因此,船用柴油機(jī)常面臨水下排氣的運(yùn)行工況.

        與水面排氣工況不同,柴油機(jī)水下排氣時(shí)會(huì)因水壓對排氣過程產(chǎn)生額外阻力,此時(shí),除管道及后處理裝置造成的壓力損失外[6],排氣背壓與排氣管至海平面的深度呈正比,在特殊工況下,排氣背壓高達(dá)185kPa[7].另一方面,由于海浪波動(dòng),海平面不斷變化,以中國福建省附近某海域?yàn)槔@擞行骄ǜ邽?.73m,其平均波動(dòng)周期為4.5s[8],因而排氣管距海面深度也發(fā)生變化,排氣背壓也不再是一個(gè)穩(wěn)態(tài)值,而是隨海浪高度及其周期不同而不斷波動(dòng)變化.

        由于水下排氣應(yīng)用背景具有特殊性,現(xiàn)有針對波動(dòng)高背壓環(huán)境的發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響研究不多.已有研究[9-11]表明,隨著背壓上升,進(jìn)氣流量下降、缸內(nèi)燃燒惡化并且泵氣損失增加,導(dǎo)致動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降;同時(shí),渦輪前排氣溫度隨背壓增加顯著上升[4,11],最終因?yàn)榕艢鉁囟认拗疲诟弑硥涵h(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)功率大幅下降[12].因此,高背壓環(huán)境下渦輪前排氣溫度是制約發(fā)動(dòng)機(jī)功率恢復(fù)的關(guān)鍵因素,針對此問題研究者提出了諸如匹配可變截面渦輪增壓系統(tǒng)(VGT)或者廢氣旁通增壓系統(tǒng)等方法[13],但上述手段局限于穩(wěn)態(tài)背壓工況.對于波動(dòng)背壓工況,各參數(shù)不再呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)變化.Tauzia等[14]通過仿真模型研究了背壓波動(dòng)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的影響表明,在背壓波動(dòng)變化時(shí),進(jìn)氣流量、渦輪前排氣壓力以及增壓壓力等均呈現(xiàn)周期性波動(dòng).Sapra等[15]發(fā)現(xiàn),排氣溫度上升幅度隨背壓波動(dòng)周期和幅值升高而明顯增加,并提出快速連續(xù)變化的噴油量調(diào)節(jié)手段有助于削弱背壓波動(dòng)帶來的排溫上升問題,但當(dāng)背壓波動(dòng)特征超過某一值時(shí)不再有效,且這一特征值尚不明晰.

        綜上所述,當(dāng)前相關(guān)研究主要聚焦于穩(wěn)態(tài)高背壓,針對波動(dòng)高背壓條件下的研究鮮見報(bào)道.已有的研究表明:發(fā)動(dòng)機(jī)各性能參數(shù)隨背壓變化明顯波動(dòng),這對發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行控制策略帶來新的問題;背壓波動(dòng)特征對發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)波動(dòng)幅值有著顯著影響,同樣需要在控制策略中考慮,但目前的研究中其影響機(jī)制尚不明晰.并且目前的研究中未見對各參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律以及相互影響機(jī)制的深入探討.此外,現(xiàn)有研究手段是以仿真為主,試驗(yàn)方面的研究鮮見報(bào)道,但仿真模型中將增壓器視為準(zhǔn)定常部件,因而無法準(zhǔn)確考慮渦輪增壓器對波動(dòng)背壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征乃至對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.因此,筆者采用試驗(yàn)的方法,開展背壓波動(dòng)周期和背壓時(shí)均值對柴油機(jī)以及增壓系統(tǒng)性能響應(yīng)規(guī)律研究,并基于試驗(yàn)結(jié)果對其影響機(jī)制進(jìn)行深入探討.

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)裝置

        波動(dòng)高背壓柴油機(jī)性能試驗(yàn)平臺(tái)基于濰柴動(dòng)力公司生產(chǎn)的WP7型號(hào)增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造而來,其基本參數(shù)如表1所示.

        表1 柴油機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Basic specifications of diesel engine

        表275 %負(fù)荷增壓壓力、渦前壓力與膨脹比非定常度對比Tab.2Comparison of the unsteady levels between boost pressure,exhaust pressure and pressure ratio of turbine at 75% load

        試驗(yàn)臺(tái)架的示意如圖1所示,實(shí)物與細(xì)節(jié)如圖2所示.圖1為在原機(jī)基礎(chǔ)上重新匹配了可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng),高壓級(jí)增壓器型號(hào)為Holset HE400VG;低壓級(jí)增壓器型號(hào)為BorgWarner S300G,采用單級(jí)增壓系統(tǒng),此時(shí)閥1、閥2和旁通閥均保持關(guān)閉.在排氣管路安裝了兩個(gè)電動(dòng)蝶閥,其中一個(gè)為時(shí)均背壓調(diào)節(jié)閥,位于低壓級(jí)渦輪下游,通過閥門開度調(diào)節(jié)時(shí)均背壓大?。灰粋€(gè)為波動(dòng)背壓調(diào)節(jié)閥,位于高壓級(jí)渦輪下游,兩者細(xì)節(jié)如圖2b所示.

        圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意Fig.1 Schematic of the experiment bench

        圖2 試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物與細(xì)節(jié)Fig.2 Figure of the experiment bench and detail

        當(dāng)時(shí)均背壓閥門開度一定,波動(dòng)背壓閥以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),此時(shí)閥片在管道截面上投影的面積隨時(shí)間變化如圖3所示.隨著閥片投影面積的變化,背壓也將周期性波動(dòng)變化.對于不同波動(dòng)周期,僅需調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速與之相對應(yīng).

        圖3 閥門投影面積變化及波動(dòng)背壓產(chǎn)生示意Fig.3 Schematic of change of valve projected area and generation of fluctuating back pressure

        為了實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測柴油機(jī)及增壓系統(tǒng)性能參數(shù)變化,在管道以及增壓器進(jìn)/出口布置有若干溫度傳感器和壓力傳感器.其中,壓力傳感器采用水冷型HM90A瞬態(tài)壓力傳感器,測量范圍為0~800kPa,固有采樣頻率高達(dá)20kHz以上,能夠滿足波動(dòng)背壓下進(jìn)/排氣管道壓力對響應(yīng)速度的要求;溫度傳感器則采用K型熱電偶,測量范圍為0~1200℃,響應(yīng)時(shí)間約為0.5s.壓力信號(hào)和溫度信號(hào)通過NI模塊進(jìn)行采集,并與上位機(jī)計(jì)算機(jī)1相連接,在LabView程序中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和保存.柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和燃油消耗率由湘儀動(dòng)力FC2000工控機(jī)采集與調(diào)控.

        1.2 試驗(yàn)方案

        在進(jìn)行波動(dòng)背壓試驗(yàn)前,首先進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)背壓工況試驗(yàn).不同負(fù)荷及背壓下,渦輪前排氣溫度如圖4所示.可以看出,在90%和100%負(fù)荷工況,渦前排溫在低背壓時(shí)已達(dá)690℃,而排氣溫度安全限值為700℃,若在此工況進(jìn)行波動(dòng)背壓試驗(yàn),存在超排溫限的問題,因此,波動(dòng)背壓試驗(yàn)選擇在50%和75%負(fù)荷進(jìn)行.試驗(yàn)時(shí)保持穩(wěn)態(tài)工況下時(shí)均閥和油門開度,調(diào)節(jié)波動(dòng)閥至目標(biāo)周期.為研究波動(dòng)背壓特征對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響,最終選取了4個(gè)代表性波動(dòng)周期(5、10、20和40s)及3個(gè)代表性時(shí)均背壓(115、135和155kPa),如圖4中白點(diǎn)所示.

        圖4 不同負(fù)荷和穩(wěn)態(tài)背壓工況下渦前排溫Fig.4Exhaust temperature before turbine under different load and steady back pressure condition

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 波動(dòng)背壓對發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響

        背壓波動(dòng)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)功率具有顯著的非定常響應(yīng)特征.圖5為不同波動(dòng)周期下發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨背壓的變化.時(shí)均背壓為115kPa時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)功率在各個(gè)周期均呈現(xiàn)明顯的遲滯環(huán)形狀,并且遲滯環(huán)隨著周期變化而變化.在40s周期時(shí),遲滯環(huán)呈現(xiàn)狹長狀;隨著周期減小,遲滯環(huán)逐漸飽滿;至5s周期時(shí),遲滯環(huán)形態(tài)與其他周期明顯不同,呈現(xiàn)三段式的類三角形狀.

        圖5 不同波動(dòng)周期下發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨背壓的變化Fig.5 Change of engine power with back pressure under different fluctuating periods

        為評估功率非定常效應(yīng)強(qiáng)弱,引入非定常度ψ為

        式中:Δpmax為遲滯環(huán)在同一瞬時(shí)背壓時(shí)上、下差值的最大值;表示時(shí)均背壓時(shí)的穩(wěn)態(tài)值;ψ作為量綱為1系數(shù),可以衡量遲滯環(huán)相對大小,ψ越大遲滯環(huán)越偏離穩(wěn)態(tài)狀態(tài),表現(xiàn)出的非定常效應(yīng)也就越強(qiáng).

        圖6為不同波動(dòng)周期發(fā)動(dòng)機(jī)功率非定常度ψ.隨著周期減小,功率遲滯環(huán)非定常度ψ顯著增大,以50%負(fù)荷為例,5s周期時(shí)約為40s周期的5.27倍,這說明在較長波動(dòng)周期時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率非定常性較弱,響應(yīng)特性近似準(zhǔn)定常,隨著波動(dòng)周期的縮短,非定常效應(yīng)顯著增強(qiáng),并導(dǎo)致遲滯環(huán)呈現(xiàn)出與穩(wěn)態(tài)工況截然不同的形態(tài).

        圖6 不同波動(dòng)周期發(fā)動(dòng)機(jī)功率非定常度ψFig.6Engine power unsteady levels ψ under different fluctuating periods

        對比圖5a和圖5b,背壓波動(dòng)導(dǎo)致的功率遲滯環(huán)形狀與變化趨勢在兩個(gè)負(fù)荷工況下大體一致,但是在幅值上明顯不同.從圖6中也可以看出,在相同周期下,75%負(fù)荷工況的非定常度ψ明顯更高,最高約為50%負(fù)荷工況的2.15倍,這說明在高負(fù)荷工況表現(xiàn)出了更顯著的非定?,F(xiàn)象.這是由于高負(fù)荷時(shí)背壓波動(dòng)幅度更大所致,因?yàn)楸硥翰▌?dòng)幅值是由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量和波動(dòng)閥對排氣的節(jié)流特性共同產(chǎn)生,發(fā)動(dòng)機(jī)處于大負(fù)荷工況時(shí)排氣量大,在相同的節(jié)流特性下將具有較強(qiáng)的充滿-排空效應(yīng),因而波動(dòng)閥產(chǎn)生的背壓波動(dòng)更為顯著,進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率波動(dòng)幅度更加明顯.

        另一方面,海水深度的不同,發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨的排氣背壓時(shí)均值也將不同.為了比較不同時(shí)均背壓的影響,將功率和背壓處理為時(shí)均值的變化量.圖7a所示不同時(shí)均背壓下功率遲滯環(huán)形狀類似,但隨著時(shí)均背壓值的減小,遲滯環(huán)膨脹,變化幅值增大.不同時(shí)均背壓下非定常度變化如圖7b所示,隨時(shí)均背壓減小,非定常度ψ增大,其增幅達(dá)1.55倍,因而低時(shí)均背壓時(shí)功率非定常性響應(yīng)更強(qiáng)烈.時(shí)均背壓值的影響機(jī)制與前文所述發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷類似.當(dāng)時(shí)均背壓值減小時(shí),渦輪時(shí)均膨脹比相應(yīng)地增加,渦輪增壓器增壓能力增強(qiáng),進(jìn)而排氣量增加,氣路系統(tǒng)充滿-排空效應(yīng)增強(qiáng),致使背壓波動(dòng)幅度增加,最終引起發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)幅度更為顯著.

        圖7 75%負(fù)荷、20s周期時(shí)不同時(shí)均背壓對發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響Fig.7Influence on engine power with back pressure fluctuating under different time-average back pressure in period 20s at 75% load

        2.2 波動(dòng)背壓對增壓器性能參數(shù)的影響

        波動(dòng)背壓工況發(fā)動(dòng)機(jī)性能響應(yīng)特性的關(guān)鍵因素是進(jìn)/排氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化,增壓器是進(jìn)/排氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的核心影響部件,因而需要對其性能進(jìn)行深入探討.

        對不同波動(dòng)周期增壓壓力的響應(yīng)研究如圖8所示,增壓壓力同樣也隨波動(dòng)背壓呈現(xiàn)遲滯環(huán)形狀,并與功率類似,遲滯環(huán)形狀受到周期影響.在長周期時(shí),遲滯環(huán)為狹長狀,隨著周期減小,遲滯環(huán)形狀逐漸膨脹飽滿.進(jìn)一步探討增壓壓力的響應(yīng)變化,將背壓波動(dòng)分為從A到B的上升階段和從B到A的下降階段.隨著周期減小,在背壓下降階段增壓壓力不再隨背壓單調(diào)變化,5s周期時(shí)尤為明顯.除此外,隨著周期減小,增壓壓力遲滯環(huán)存在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢,波動(dòng)幅值減小.對比增壓壓力非定常度ψ如圖9所示,隨周期減小,ψ顯著增大,5s周期時(shí)與40s周期時(shí)非定常度相差達(dá)4倍以上,因而隨周期減小,增壓壓力非定常效應(yīng)同樣加強(qiáng).

        圖8 不同周期下增壓壓力隨波動(dòng)背壓的變化Fig.8 Change of boost pressure with fluctuatingback pressure under different periods

        圖9 不同波動(dòng)周期增壓壓力非定常度ψFig.9Boost pressure unsteady coefficients ψ under different fluctuating periods

        由圖8可知,不同負(fù)荷下,增壓壓力隨背壓波動(dòng)產(chǎn)生的遲滯環(huán)形狀與變化趨勢也是類似的,但幅值有所不同.由圖9可知,隨周期減小,非定常度ψ變化趨勢一致,但在相同周期下,75%負(fù)荷ψ約為50%負(fù)荷的4倍左右,因而75%負(fù)荷工況下增壓壓力非定常效應(yīng)更強(qiáng).這同樣是因排氣量不同而氣路系統(tǒng)充滿-排空效應(yīng)變化造成的.因此,波動(dòng)背壓環(huán)境下,負(fù)荷對性能參數(shù)響應(yīng)的影響主要是導(dǎo)致背壓波動(dòng)幅度變化,從而影響參數(shù)波動(dòng)幅度,進(jìn)而影響非定常效應(yīng)強(qiáng)弱,而對遲滯環(huán)本身的形態(tài)變化沒有明顯影響.

        壓氣機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與渦輪緊密相關(guān).圖10為不同周期下渦輪前排氣壓力隨背壓波動(dòng)的變化.渦前壓力遲滯環(huán)整體呈扁平狀,其隨周期變化趨勢與增壓壓力一致,并且同樣呈現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢,但與增壓壓力相反,渦前壓力波動(dòng)幅值隨周期減小而略微增大.

        圖10 不同周期下渦前壓力隨波動(dòng)背壓的變化Fig.10Change of exhaust pressure before turbine with fluctuating back pressure under different periods

        隨著渦前壓力的響應(yīng)變化,渦輪膨脹比也將呈現(xiàn)相應(yīng)的非定常特征.圖11所示不同周期下膨脹比遲滯環(huán)變化趨勢與渦前壓力、增壓壓力一致,隨周期減小而逐漸膨脹,并且遲滯環(huán)形狀表現(xiàn)得更為扁平.除此外,膨脹比幅值變化趨勢與增壓壓力相似,隨周期減小,幅值略微減小.

        圖11 不同周期下膨脹比隨波動(dòng)背壓的變化Fig.11 Change of pressure ratio of turbine with fluctuating back pressure under different periods

        渦輪膨脹比決定了理論輸出功率,即

        式中:WT為渦輪理論輸出功率;為排氣質(zhì)量流量;cPE為排氣的定壓比熱容;Tex為渦輪進(jìn)口總溫;πT為渦輪膨脹比;κT為排氣絕熱指數(shù).

        由壓氣機(jī)和渦輪功率平衡可得增壓壓力pc為

        式中:p0為壓氣機(jī)入口壓力;為進(jìn)氣質(zhì)量流量;cPC為進(jìn)氣的定壓比熱容;Tin為壓氣機(jī)入口溫度;κC為進(jìn)氣絕熱指數(shù);ηTC為增壓器效率,ηTC=ηTηCηm,ηT為渦輪效率,ηC為壓氣機(jī)效率,ηm為機(jī)械效率.

        將式(2)與式(3)聯(lián)立可得增壓壓力與渦輪膨脹比的關(guān)系式為

        從式(4)中可得,在背壓變化時(shí),增壓壓力和膨脹比的變化趨勢應(yīng)是一致的,這也與兩者在不同周期下波動(dòng)幅值變化趨勢一致相符合.但在相同周期下,增壓壓力與膨脹比的響應(yīng)特性卻是不同的,在各個(gè)周期下膨脹比隨背壓的變化趨勢是近乎單調(diào)的,這與短周期時(shí)增壓壓力的變化明顯不同.對比不同周期下增壓壓力、渦前壓力與膨脹比非定常度,如表2所示.盡管渦前壓力和膨脹比的非定常度ψ也隨波動(dòng)背壓周期減小而顯著增大,但在相同周期下,增壓壓力的非定常度ψ明顯大于后兩者,達(dá)1.9倍以上.這說明壓氣機(jī)端表現(xiàn)出的非定常性要顯著強(qiáng)于渦輪端.

        非定常效應(yīng)本質(zhì)上反映了響應(yīng)的滯后性,非定常效應(yīng)越弱,相較于背壓波動(dòng)的滯后性越??;反之,則越強(qiáng).因此,壓氣機(jī)端參數(shù)對波動(dòng)背壓的響應(yīng)明顯滯后于渦輪端,可以推測此現(xiàn)象是增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量造成的.在背壓波動(dòng)時(shí),渦輪前排氣壓力將直接響應(yīng)該環(huán)境條件變化,進(jìn)而導(dǎo)致渦輪輸出功變化,但壓氣機(jī)負(fù)載未及時(shí)變化,導(dǎo)致壓氣機(jī)和渦輪功不平衡,增壓器將加減速至對應(yīng)平衡狀態(tài),這一過程見式(5)[16].

        式中:Pcop為壓氣機(jī)消耗功率;Ptur為渦輪輸出功率;J為增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為增壓器轉(zhuǎn)子角速度;dωdt為角加速度.由于增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣性相比管路內(nèi)部的氣動(dòng)慣性高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí),因而背壓波動(dòng)變化時(shí),受轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響,增壓器轉(zhuǎn)速無法快速響應(yīng)渦輪功的變化,這造成壓氣機(jī)端氣動(dòng)參數(shù)對波動(dòng)背壓的響應(yīng)顯著滯后于渦輪端.

        因此,增壓壓力遲滯特性受增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的直接影響,而增壓壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)功率密切相關(guān),對比圖5功率和圖8增壓壓力非定常響應(yīng)特性可知,兩者對波動(dòng)背壓的響應(yīng)方式是高度類似的.由此可知,發(fā)動(dòng)機(jī)功率對波動(dòng)背壓的響應(yīng)同樣將受到增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的強(qiáng)烈影響,而后又將反過來影響下游排氣,進(jìn)而影響渦輪端的響應(yīng)特性,增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是波動(dòng)背壓下發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)非定常響應(yīng)特性產(chǎn)生的主要來源.

        綜上所述,各參數(shù)響應(yīng)特性隨周期變化表現(xiàn)出的高度一致變化規(guī)律,可推測這一現(xiàn)象也與增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān).隨著周期減小,渦輪功變化加快,增壓器轉(zhuǎn)速無法及時(shí)響應(yīng),因而其產(chǎn)生的遲滯效應(yīng)逐漸強(qiáng)化,導(dǎo)致各參數(shù)非定常效應(yīng)變強(qiáng),且隨著周期進(jìn)一步縮短,增壓器遲滯效應(yīng)將使遲滯環(huán)形態(tài)顯著變化,如同圖5和圖8中功率與增壓壓力遲滯環(huán)在短周期時(shí)出現(xiàn)截然不同的形狀.

        對不同時(shí)均排氣背壓下,增壓器各性能參數(shù)的響應(yīng)特性也進(jìn)行了研究,如圖12所示,包括增壓壓力、渦輪前排氣壓力和渦輪膨脹比.隨著時(shí)均背壓下降,遲滯環(huán)向兩端膨脹,呈現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn).增壓壓力、渦前壓力和渦輪膨脹比在時(shí)均背壓為117.7kPa時(shí)非定常度分別達(dá)時(shí)均背壓為156.3kPa時(shí)的5.51倍、4.69倍和3.10倍,這表明在低時(shí)均背壓時(shí)增壓器各性能參數(shù)對背壓響應(yīng)的非定常性要顯著高于高時(shí)均背壓.這同樣是由于低時(shí)均背壓時(shí)充滿-排空效應(yīng)更強(qiáng)烈所致.

        圖12 20s周期增壓器性能參數(shù)隨不同時(shí)均背壓波動(dòng)的變化Fig.12 Change of pressure ratio of turbine with fluctuating back pressure under different time-average back pressure in 20s period

        增壓器性能參數(shù)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能,而渦輪前排氣溫度則是關(guān)乎發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行的重要參數(shù),是決定波動(dòng)背壓工況下發(fā)動(dòng)機(jī)功率恢復(fù)能力的關(guān)鍵.圖13為75%負(fù)荷時(shí)不同波動(dòng)周期下渦前排溫隨波動(dòng)背壓的變化.隨背壓波動(dòng),渦前排溫也呈明顯的遲滯環(huán).但與功率、增壓壓力和渦前壓力截然相反,渦前排溫遲滯環(huán)在短周期時(shí)呈扁平狀,在長周期時(shí)遲滯環(huán)則較飽滿.

        圖13 75%負(fù)荷時(shí)不同波動(dòng)周期下渦前排溫隨波動(dòng)背壓的變化Fig.13Change of exhaust temperature before turbine with back pressure fluctuating under different periods at 75% load

        這與發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)對不同波動(dòng)周期背壓響應(yīng)規(guī)律顯著不同,隨周期減小,渦前排溫遲滯環(huán)理應(yīng)擴(kuò)張.這是由于試驗(yàn)所測得的渦前排溫遲滯現(xiàn)象不僅受上述所討論的增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響,還受到溫度傳感器響應(yīng)速度的重要影響.試驗(yàn)所采用的K型熱電偶響應(yīng)時(shí)間約為0.5s,當(dāng)波動(dòng)周期較長時(shí)(如40s),熱電偶有足夠的時(shí)間響應(yīng)背壓波動(dòng)造成的排氣溫度波動(dòng),因而能夠有效測量排溫的非定常特性.然而當(dāng)波動(dòng)周期縮短至一定程度后,溫度傳感器由于熱慣性無法及時(shí)響應(yīng)背壓波動(dòng),因而僅能獲得接近時(shí)均的溫度值.此時(shí),溫度遲滯環(huán)將逐漸坍縮成一條穩(wěn)定在時(shí)均溫度的直線(圖13中5s周期情形).因而試驗(yàn)中測得的渦前排溫遲滯環(huán)隨背壓波動(dòng)周期變化而產(chǎn)生截然不同的響應(yīng)趨勢,是傳感器測溫的熱慣性與增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量共同造成的.總之,由圖13中長周期時(shí)渦前排溫響應(yīng)特性可以推測,背壓波動(dòng)時(shí)渦輪前排氣溫度仍然存在十分顯著的遲滯效應(yīng),該遲滯效應(yīng)在高波動(dòng)背壓條件下的功率恢復(fù)手段中必須加以考慮.

        3 結(jié) 論

        基于WP7型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)了波動(dòng)背壓環(huán)境下,性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.重點(diǎn)探討了背壓波動(dòng)周期和時(shí)均值變化時(shí),柴油機(jī)輸出功率、增壓壓力、渦輪前排氣壓力和渦輪膨脹比等性能參數(shù)響應(yīng)機(jī)制及變化規(guī)律,主要結(jié)論如下:

        (1) 在波動(dòng)背壓環(huán)境下,增壓柴油機(jī)性能參數(shù)響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的非定常特性,功率、增壓壓力和渦輪前排氣壓力等參數(shù)均隨背壓響應(yīng)呈現(xiàn)典型的遲滯環(huán)形狀;背壓波動(dòng)周期對非定常響應(yīng)特性有顯著影響;隨周期減小,遲滯環(huán)由狹長狀逐漸變得飽滿;5s周期時(shí),非定常度為40s周期的4倍以上,非定常效應(yīng)大幅加強(qiáng).

        (2) 負(fù)荷和時(shí)均背壓變化均導(dǎo)致增壓柴油機(jī)性能參數(shù)的波動(dòng)幅值變化,隨著負(fù)荷增大或時(shí)均背壓減小,性能參數(shù)變化幅值增加,遲滯環(huán)形狀呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢,其非定常度分別增長1.15和1.55倍以上,表現(xiàn)出更為強(qiáng)烈的非定常效應(yīng);這是源于氣路系統(tǒng)的充滿-排空效應(yīng)加強(qiáng)造成的背壓波動(dòng)幅值增長,進(jìn)而強(qiáng)化了性能參數(shù)的非定常響應(yīng)特性.

        (3) 壓氣機(jī)端性能參數(shù)的非定常效應(yīng)顯著強(qiáng)于渦輪端,前者非定常度為后者的1.9倍以上;進(jìn)氣端參數(shù)對波動(dòng)背壓的響應(yīng)明顯滯后于排氣端,該滯后性主要是由增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量導(dǎo)致,而增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也是發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓系統(tǒng)在波動(dòng)背壓環(huán)境遲滯響應(yīng)特性的主要來源,并顯著影響不同背壓波動(dòng)周期下非定常響應(yīng)特性的變化規(guī)律.

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