论文部分内容阅读
摘要：两级相继增压技术结合了两级增压技术和相继增压技术，在提高原机单级增压比的同时，拓宽了工作流量的匹配范围，本文基于GTPOWER软件搭建一维模型并与SIMULINK软件进行耦合，以一台船用高速柴油机作为研究对象，将原机单级增压系统改装为两级相继增压系统，对其推进特性与万有特性进行稳态仿真计算，并与原机的实验结果进行限制条件的对比。结果表明，两级相继增压在推进与万有特性模式下，相对于原机时，燃油消耗率均有所下降，最高爆发压力均有所提高，NOX排放量增加，Soot排放量降低。除此之外，本文还对该柴油机进行了瞬态仿真计算，对1TC与2TC切换时空气阀与燃气阀之间的开关时刻进行了比较和分析，得到了较为合理的开关延迟时刻。
Abstract： Two-stage sequential turbocharging technology combines two-stage turbocharging technology and sequential turbocharging technology， which improves the single-stage turbocharging ratio of the engine and widens the matching range of workflow. This paper builds a one-dimensional model based on GTPOWER software and couples it with SIMULINK software. Taking a high-speed marine diesel engine as the research object， the original single-stage turbocharging system is modified to two-stage sequential turbocharging system. The steady-state simulation calculation of the propulsion and universal characteristics of the pressure system is carried out， and the limitation conditions are compared with the experimental results of the original machine. The results show that the fuel consumption rate decreases， the maximum explosion pressure increases， the NOX emission increases and the Soot emission decreases compared with the original engine under the propulsion and universal characteristics mode. In addition， the transient simulation calculation of the diesel engine is carried out， and the switching time between air valve and gas valve is compared and analyzed when 1TC and 2TC are switched， and a more scientific switching delay time is obtained.
關键词：柴油机;万有特性;两级相继增压;空气阀;推进特性;延迟时刻;切换边界;燃气阀
Key words： diesel engine;universal characteristics;two-stage sequential turbocharging;air valve;propulsion characteristics;delay time;switching boundary;gas valve
0 引言
为解决柴油机与涡轮增压器联合运行时出现的非设计工况匹配问题以及单级压比不能达到柴油机功率需求的问题，研究人员对涡轮增压系统本身及其运行方式进行不断改进，出现了两级增压技术，相继增压技术等解决方案[1]。国外方面，MTU公司一直致力于高速大功率柴油机的研制，并首先采用了相继增压技术来扩大柴油机的功率范围，提高柴油机在非设计匹配工况下运行的性能[2]。我国在相继增压技术研究方面也取得了很大的进展，哈尔滨工程大学率先对相继增压柴油机的工作过程进行了分析计算，随后与陕西柴油机重工有限公司合作，以12PA6V-280MPC柴油机为研究对象，改装建立相继增压系统并进行试验和理论研究，多项专利获得了国内外专家的认可。两级增压系统定义为将两台增压器按照气流关系串联布置的增压系统，并在高压涡轮端布置旁通调节阀，高压级涡轮旁通阀的作用是在不同负荷决定增压系统全部（2TC）或部分（1TC）投入工作。在2002年，Borg Warner与MAN公司共同设计制造了装配有可调两级涡轮增压系统的MAN D2842LE409型船舶高速柴油机，分别采用K31与K36.5型增压器作为两级增压系统的高、低压级，高压级涡轮旁通阀起到当柴油机工况发生变化时，对流经高压级涡轮的废气流量调节以调整压比分配的作用。为发挥两级增压与相继增压技术的优势，本文基于某型高速船用柴油机建立了两级相继增压柴油机一维仿真模型，确定了推进特性下1TC与2TC切换工况，并与原机进行了比较，此外还进行了瞬态过程仿真计算，最终确定了控制策略[3-4]。
1 两级相继增压仿真模型的建立 本文基于一台船用高速柴油机，主要参数如表1所示。
通过GT-POWER建立一维仿真平台，通过原机的仿真与实验数据的对比，如图1所示，仿真与实验结果误差均在5%范围内，可以达到仿真要求，在原机的基础上将单级增压改为两级相继增压系统，应用GT-POWER软件建立一维仿真平台，如图2所示。
2 推进特性下两级相继增压分析
通过该型两级相继增压柴油机分别在1TC，2TC模式下以推进特性进行仿真计算，与原机实验数据进行对比，经过经济性，限制性和排放污染物作为評价指标进行对比，帮助我们更好理解两级相继增压系统的优缺点。
2.1 经济性方面两级相继增压与原机对比
如图3所示，两级相继增压系统在整个运行工况下燃油消耗率相比于原机均有所降低，经济性在整个运行范围内都有了较大的提高。
2.2 限制性方面两级相继增压与原机对比
如图4、图5所示，两级相继增压最高爆发压力要高于原机，且存在接近爆压极限的情况，对此，我们可以通过加装旁通装置来降低最高爆发压力，而涡轮前排气温度也高于原机，但距离温度限制线还存在一定的裕度。
2.3 排放性方面两级相继增压与原机对比
由图6、图7可知，两级相继增压在1TC与2TC模式下NOX排放量均相对于原机提高，Soot排放量相对于原机降低，这是由于两级相继增压系统相对于原机，进气流量提高，满足NOX生成条件的富氧，不满足Soot生成条件的贫氧所导致。
2.4 推进特性瞬态过程仿真
当负荷增大到一定程度，只有1TC不能满足柴油机正常工作所需的进气量，应切换到2TC模式下运作，反之负荷降低时，2TC又会导致涡轮效率降低，此时应切换到1TC模式。我们通过经济性最佳原则通过图8得到切换点最佳转速[5]。
由图可知，根据经济性最佳原则，可以得到切换边界为50%负荷，转速为1429r/min，功率222kW[6]。两级相继增压柴油机推进特性模式切换过程可分为两种：上行切换与下行切换[7]。上行切换为柴油机以螺旋桨特性运行时负荷增大过程中，跨过运行模式切换边界点时，燃气阀与空气阀打开受控增压器切入工作时柴油机性能参数的瞬态过程;下行切换为以螺旋桨特性运行负荷减小，跨过运行模式切换边界点时，燃气阀与空气阀关闭受控增压器退出工作时柴油机性能参数的瞬态过程。将GT-POWER软件与Simulink软件进行耦合来建立两级相继增压柴油机推进特性切换瞬态过程仿真平台，示意图如图9所示。
1TC与2TC模式的切换是通过开关空气阀与燃气阀达到的，由于空气阀与燃气阀开启时间相差过长或过短都会导致增压器的喘振现象，下面我们将从上行切换和下行切换具体分析空气阀与燃气阀的控制规律[8]。
上行切换：通过对压气机MAP图的分析，我们可以得到，当燃气阀与空气阀开启时间间隔为1.2s时，高低压级基本增压器与受控增压器与柴油机的联合运行点均在正常运行范围内，由此得到，燃气阀先开启，空气阀在1.2秒后开启，为最佳阀门控制时刻[9]。（图10）
下行切换：通过对压气机MAP图的分析，我们可以得到，当燃气阀与空气阀关闭时间间隔为0.5s时，高低压级基本与受控增压器与柴油机的联合运行点均在正常运行范围内，由此可得，空气阀先关闭，燃气阀在0.5s后关闭为最佳阀门控制策略[10]。（图11）
3 结论
通过两级相继增压柴油机与原机在经济性，限制性，排放性方面，在推进特性下进行分析对比，并在瞬态情况下进行切换控制策略的研究，得到了以下结论。
①经济性方面，两级相继增压柴油机在推进特性与万有特性下经济性均优于原机。
②限制性方面，两级相继增压最高爆压在两种特性下均接近限制值，可以通过加装旁通装置进行限制，涡轮前排温与限制值之间存在裕度。
③排放性方面，由于排放物NOX与Soot本身的生成特性，两级相继增压在两种特性下NOX生成量多于原机，Soot生成量少于原机。
④推进特性下瞬态切换过程，上行切换时，燃气阀应相对于空气阀提前1.2s开启，下行切换时，燃气阀应相对于空气阀滞后0.5s关闭。
参考文献：
[1]Shi Xin. Simulation of the Performance of Two-stage Turbocharged Diesel Engine with Different LP/HP Pressure Ratios[A].中国汽车工程学会.第19届亚太汽车工程年会暨2017中国汽车工程学会年会论文集[C].中国汽车工程学会，2017：8.
[2]李京，白洪林，李耀宗，王子玉.大功率柴油机相继增压技术研究综述[J].车用发动机，2017（04）：73-77，83.
[3]袁帅.某型高速柴油机两级相继增压系统设计技术研究[D].哈尔滨工程大学，2018.
[4]A. Romagnoli， G. Vorraro， S. Rajoo， C. Copeland， R. Martinez-Botas， Characterization of a supercharger as boosting & turbo-expansion device in sequential multi-stage systems， In Energy Conversion and Management， Volume 136， 2017， Pages 127-141， ISSN 0196-8904.
[5]刘博，李华雷，胡志龙，石磊，邓康耀.可调两级增压柴油机瞬态加载性能的试验[J].内燃机学报，2012，30（02）：107-112.
[6]李琦.某16V型柴油机相继增压性能分析[D].哈尔滨工程大学，2010.
[7]李昕光，王银燕，何清林.柴油机相继增压系统瞬态切换策略试验研究[J].哈尔滨工程大学学报，2013，34（08）：972-977.
[8]杨传雷.柴油机相继增压系统防喘振技术研究[D].哈尔滨工程大学，2011：105-126.
[9]王贺春.TBD234V12柴油机相继增压技术研究[D].哈尔滨工程大学，2004.
[10]王银燕，何清林，王贺春，张鹏奇.柴油机采用4台增压器相继增压性能的试验研究[J].内燃机工程，2012，33（01）：6-10，17.
Abstract： Two-stage sequential turbocharging technology combines two-stage turbocharging technology and sequential turbocharging technology， which improves the single-stage turbocharging ratio of the engine and widens the matching range of workflow. This paper builds a one-dimensional model based on GTPOWER software and couples it with SIMULINK software. Taking a high-speed marine diesel engine as the research object， the original single-stage turbocharging system is modified to two-stage sequential turbocharging system. The steady-state simulation calculation of the propulsion and universal characteristics of the pressure system is carried out， and the limitation conditions are compared with the experimental results of the original machine. The results show that the fuel consumption rate decreases， the maximum explosion pressure increases， the NOX emission increases and the Soot emission decreases compared with the original engine under the propulsion and universal characteristics mode. In addition， the transient simulation calculation of the diesel engine is carried out， and the switching time between air valve and gas valve is compared and analyzed when 1TC and 2TC are switched， and a more scientific switching delay time is obtained.
關键词：柴油机;万有特性;两级相继增压;空气阀;推进特性;延迟时刻;切换边界;燃气阀
Key words： diesel engine;universal characteristics;two-stage sequential turbocharging;air valve;propulsion characteristics;delay time;switching boundary;gas valve
0 引言
为解决柴油机与涡轮增压器联合运行时出现的非设计工况匹配问题以及单级压比不能达到柴油机功率需求的问题，研究人员对涡轮增压系统本身及其运行方式进行不断改进，出现了两级增压技术，相继增压技术等解决方案[1]。国外方面，MTU公司一直致力于高速大功率柴油机的研制，并首先采用了相继增压技术来扩大柴油机的功率范围，提高柴油机在非设计匹配工况下运行的性能[2]。我国在相继增压技术研究方面也取得了很大的进展，哈尔滨工程大学率先对相继增压柴油机的工作过程进行了分析计算，随后与陕西柴油机重工有限公司合作，以12PA6V-280MPC柴油机为研究对象，改装建立相继增压系统并进行试验和理论研究，多项专利获得了国内外专家的认可。两级增压系统定义为将两台增压器按照气流关系串联布置的增压系统，并在高压涡轮端布置旁通调节阀，高压级涡轮旁通阀的作用是在不同负荷决定增压系统全部（2TC）或部分（1TC）投入工作。在2002年，Borg Warner与MAN公司共同设计制造了装配有可调两级涡轮增压系统的MAN D2842LE409型船舶高速柴油机，分别采用K31与K36.5型增压器作为两级增压系统的高、低压级，高压级涡轮旁通阀起到当柴油机工况发生变化时，对流经高压级涡轮的废气流量调节以调整压比分配的作用。为发挥两级增压与相继增压技术的优势，本文基于某型高速船用柴油机建立了两级相继增压柴油机一维仿真模型，确定了推进特性下1TC与2TC切换工况，并与原机进行了比较，此外还进行了瞬态过程仿真计算，最终确定了控制策略[3-4]。
1 两级相继增压仿真模型的建立 本文基于一台船用高速柴油机，主要参数如表1所示。
通过GT-POWER建立一维仿真平台，通过原机的仿真与实验数据的对比，如图1所示，仿真与实验结果误差均在5%范围内，可以达到仿真要求，在原机的基础上将单级增压改为两级相继增压系统，应用GT-POWER软件建立一维仿真平台，如图2所示。
2 推进特性下两级相继增压分析
通过该型两级相继增压柴油机分别在1TC，2TC模式下以推进特性进行仿真计算，与原机实验数据进行对比，经过经济性，限制性和排放污染物作为評价指标进行对比，帮助我们更好理解两级相继增压系统的优缺点。
2.1 经济性方面两级相继增压与原机对比
如图3所示，两级相继增压系统在整个运行工况下燃油消耗率相比于原机均有所降低，经济性在整个运行范围内都有了较大的提高。
2.2 限制性方面两级相继增压与原机对比
如图4、图5所示，两级相继增压最高爆发压力要高于原机，且存在接近爆压极限的情况，对此，我们可以通过加装旁通装置来降低最高爆发压力，而涡轮前排气温度也高于原机，但距离温度限制线还存在一定的裕度。
2.3 排放性方面两级相继增压与原机对比
由图6、图7可知，两级相继增压在1TC与2TC模式下NOX排放量均相对于原机提高，Soot排放量相对于原机降低，这是由于两级相继增压系统相对于原机，进气流量提高，满足NOX生成条件的富氧，不满足Soot生成条件的贫氧所导致。
2.4 推进特性瞬态过程仿真
当负荷增大到一定程度，只有1TC不能满足柴油机正常工作所需的进气量，应切换到2TC模式下运作，反之负荷降低时，2TC又会导致涡轮效率降低，此时应切换到1TC模式。我们通过经济性最佳原则通过图8得到切换点最佳转速[5]。
由图可知，根据经济性最佳原则，可以得到切换边界为50%负荷，转速为1429r/min，功率222kW[6]。两级相继增压柴油机推进特性模式切换过程可分为两种：上行切换与下行切换[7]。上行切换为柴油机以螺旋桨特性运行时负荷增大过程中，跨过运行模式切换边界点时，燃气阀与空气阀打开受控增压器切入工作时柴油机性能参数的瞬态过程;下行切换为以螺旋桨特性运行负荷减小，跨过运行模式切换边界点时，燃气阀与空气阀关闭受控增压器退出工作时柴油机性能参数的瞬态过程。将GT-POWER软件与Simulink软件进行耦合来建立两级相继增压柴油机推进特性切换瞬态过程仿真平台，示意图如图9所示。
1TC与2TC模式的切换是通过开关空气阀与燃气阀达到的，由于空气阀与燃气阀开启时间相差过长或过短都会导致增压器的喘振现象，下面我们将从上行切换和下行切换具体分析空气阀与燃气阀的控制规律[8]。
上行切换：通过对压气机MAP图的分析，我们可以得到，当燃气阀与空气阀开启时间间隔为1.2s时，高低压级基本增压器与受控增压器与柴油机的联合运行点均在正常运行范围内，由此得到，燃气阀先开启，空气阀在1.2秒后开启，为最佳阀门控制时刻[9]。（图10）
下行切换：通过对压气机MAP图的分析，我们可以得到，当燃气阀与空气阀关闭时间间隔为0.5s时，高低压级基本与受控增压器与柴油机的联合运行点均在正常运行范围内，由此可得，空气阀先关闭，燃气阀在0.5s后关闭为最佳阀门控制策略[10]。（图11）
3 结论
通过两级相继增压柴油机与原机在经济性，限制性，排放性方面，在推进特性下进行分析对比，并在瞬态情况下进行切换控制策略的研究，得到了以下结论。
①经济性方面，两级相继增压柴油机在推进特性与万有特性下经济性均优于原机。
②限制性方面，两级相继增压最高爆压在两种特性下均接近限制值，可以通过加装旁通装置进行限制，涡轮前排温与限制值之间存在裕度。
③排放性方面，由于排放物NOX与Soot本身的生成特性，两级相继增压在两种特性下NOX生成量多于原机，Soot生成量少于原机。
④推进特性下瞬态切换过程，上行切换时，燃气阀应相对于空气阀提前1.2s开启，下行切换时，燃气阀应相对于空气阀滞后0.5s关闭。
参考文献：
[1]Shi Xin. Simulation of the Performance of Two-stage Turbocharged Diesel Engine with Different LP/HP Pressure Ratios[A].中国汽车工程学会.第19届亚太汽车工程年会暨2017中国汽车工程学会年会论文集[C].中国汽车工程学会，2017：8.
[2]李京，白洪林，李耀宗，王子玉.大功率柴油机相继增压技术研究综述[J].车用发动机，2017（04）：73-77，83.
[3]袁帅.某型高速柴油机两级相继增压系统设计技术研究[D].哈尔滨工程大学，2018.
[4]A. Romagnoli， G. Vorraro， S. Rajoo， C. Copeland， R. Martinez-Botas， Characterization of a supercharger as boosting & turbo-expansion device in sequential multi-stage systems， In Energy Conversion and Management， Volume 136， 2017， Pages 127-141， ISSN 0196-8904.
[5]刘博，李华雷，胡志龙，石磊，邓康耀.可调两级增压柴油机瞬态加载性能的试验[J].内燃机学报，2012，30（02）：107-112.
[6]李琦.某16V型柴油机相继增压性能分析[D].哈尔滨工程大学，2010.
[7]李昕光，王银燕，何清林.柴油机相继增压系统瞬态切换策略试验研究[J].哈尔滨工程大学学报，2013，34（08）：972-977.
[8]杨传雷.柴油机相继增压系统防喘振技术研究[D].哈尔滨工程大学，2011：105-126.
[9]王贺春.TBD234V12柴油机相继增压技术研究[D].哈尔滨工程大学，2004.
[10]王银燕，何清林，王贺春，张鹏奇.柴油机采用4台增压器相继增压性能的试验研究[J].内燃机工程，2012，33（01）：6-10，17.