船用柴油機渦輪增壓技術(shù)探究

　　摘要：渦輪增壓技術(shù)是實現(xiàn)高功率和低油耗目標(biāo)的主要措施，且渦輪增壓技術(shù)與柴油機的性能優(yōu)化可以為船舶的設(shè)計和制造提供關(guān)鍵的技術(shù)支持，保障船用柴油機的工作效率和使用周期�？紤]到很多船舶在惡劣的環(huán)境下進行工作，船舶柴油機作為船舶機械當(dāng)中故障頻率最多的系統(tǒng)之一，需要重點解決功率問題、結(jié)構(gòu)問題，從渦輪增壓技術(shù)的角度實現(xiàn)模塊化、智能化和節(jié)能環(huán)保運作。

　　關(guān)鍵詞：船用;柴油機;渦輪增壓技術(shù)

　　0引言我國國際航運與航海事業(yè)發(fā)展速度較快，而柴油機一直以來都是船舶的主要動力來源，從這一角度來看，柴油機的工作性能和安全使用壽命和船舶質(zhì)量之間密切相關(guān)。由于柴油機結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在船舶長期運行的狀態(tài)下，柴油機的熱負荷處于較高水準(zhǔn)。熱變形量增加以加劇了磨損問題。如何在保障工作性能的前提下有效地讓柴油機有著良好的使用壽命，也是必須解決的技術(shù)問題。

　　1柴油機的工作過程與理論基礎(chǔ)

　　1.1物理模型

　　船用柴油機熱效率較高，對于各類船舶的適應(yīng)性良好，從出現(xiàn)后就被作為船舶的主要推進動力，且在20世紀(jì)50年代之后的船舶當(dāng)中，柴油機幾乎已經(jīng)完全取代蒸汽機提供動力支持。時至今日已經(jīng)成為民用船舶甚至是某些艦艇的主要動力來源，包括低速柴油機、中速柴油機和高速柴油機。一個完整的柴油機包含幾個不同的部分，包括進氣管、渦輪增壓器、空冷器、氣缸和排氣管，且很多柴油機在低負荷的工作狀態(tài)下還會設(shè)置輔助風(fēng)機以提供足夠的空氣量。

　　通常情況下進氣管的容積比較大，內(nèi)部的氣體壓力和溫度保持固定，不過增壓器處于不穩(wěn)定的狀態(tài)下時進氣管內(nèi)的壓力和溫度會因此產(chǎn)生波動，甚至?xí)�因此而�?dǎo)致進氣諧振問題，此時要對管內(nèi)的氣動過程以及氣缸的充氣過程進行綜合分析。在正常的循環(huán)之內(nèi)，渦輪帶吸收的功和壓氣機消耗的功屬于同一水平線，在同一個循環(huán)之內(nèi)相對穩(wěn)定。在處理氣缸的過程當(dāng)中，如果內(nèi)部的氣體壓力溫度等參數(shù)保持均勻，那么柴油機本身處于瞬時熱力平衡狀態(tài)，氣體的狀態(tài)參數(shù)可以被認為是時間函數(shù)。對于渦輪增壓器的性能分析，結(jié)合能量守恒定律的核心理論，我們在展開性能模擬過程中要考慮幾個方面的影響因素，例如考慮到渦輪機輸出功率和壓氣機吸收功率的差異數(shù)值問題，并且處于恒定狀態(tài)下才可以進行建模處理。

　　1.2柴油機系統(tǒng)模型

　　按照柴油機的工作特征，可以將其劃分為不同類型的“子系統(tǒng)”，然后在建立數(shù)學(xué)模型的過程當(dāng)中，綜合考慮熱力學(xué)學(xué)科知識和物理模型等定量內(nèi)容，展開描述獲取模型內(nèi)部包含的物理參量，為實際的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供技術(shù)支持。在額定工況狀態(tài)下，可以將柴油機廢氣作為渦輪增壓劑的主要動力來源，并且在相同的氣缸容積條件下，充入的空氣量越多，柴油機的進氣壓力和進氣密度越大，因此柴油機的功更大[1]。而增壓壓力與柴油機氣缸平均壓力、廢氣排溫等參數(shù)之間也存在著聯(lián)系，因此需要采用較高的增壓壓力來達到所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

　　2渦輪增壓技術(shù)的分析與系統(tǒng)優(yōu)化

　　2.1渦輪增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與柴油機工作問題

　　船用柴油機一般為兩沖程并非自然吸氣，冷卻器在進氣管路一端。渦輪增壓的柴油機在工作狀態(tài)下會通過渦輪帶動壓氣機等設(shè)備的工作，以確保柴油機的增壓效果，此時除去渦輪增壓機的能量支持之外，還會利用到排氣能量，很大程度上與渦輪增壓系統(tǒng)的設(shè)計方案有關(guān)，并且影響到柴油機的燃油消耗問題、增壓壓力、排氣壓力等參數(shù)。

　　在排氣量能夠得到有效應(yīng)用時，應(yīng)該在排氣過程當(dāng)中的排氣管壓力迅速下降以減少排氣環(huán)節(jié)的泵氣損失，并且排氣壓力波產(chǎn)生的波谷對掃氣過程的影響非常明顯，表現(xiàn)在對進氣和排氣壓力差的合理控制。在很多研究當(dāng)中也提到，增壓柴油機為了能有效地應(yīng)用排氣脈沖能量需要控制排氣管溶劑，選擇管徑更小的排氣管，在到達渦輪區(qū)域之后，一部分壓力波可以讓渦輪保持做功狀態(tài)，另一部分的壓力鍋則從渦輪端反射。

　　如果要對渦輪增壓技術(shù)進行調(diào)節(jié)，那么需要基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求對某些參數(shù)進行控制，包括排氣管長度、直徑和管截面面積的調(diào)整。以比較常見的烏輪增壓系統(tǒng)為例，在常規(guī)增加方式下的空氣流量和增加壓力與戰(zhàn)術(shù)之間密切相關(guān)，同時也和柴油機的負荷情況相關(guān)。這說明如果柴油機處于低負荷的工作狀態(tài)之下，那么增壓器處于低效工作模式，導(dǎo)致增壓器和柴油匹配問題更加明顯。

　　為了改善此類情況，可以通過相繼渦輪增壓系統(tǒng)來確保柴油機在低功耗時仍然具有穩(wěn)定的增加壓力，防止空氣流量和增加壓力大幅降低導(dǎo)致的性能缺陷，使柴油機的燃油消耗率、熱負荷在運行區(qū)域內(nèi)比較低，不過要考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性。通常來說在額定的工況之下排氣管的長度與柴油機性能之間的關(guān)系和最大轉(zhuǎn)矩工況時比較接近，排氣支管長度不發(fā)生改變的前提之下，燃油消耗率會隨著排氣管長度的增加而增加;在排氣總管長度不變時，則柴油機的功率會隨著排氣支管的長度增加而減少。

　　為了能夠保障排氣壓力波以增加排氣能量，可以在后續(xù)的技術(shù)調(diào)整環(huán)節(jié)選擇一些更短的排氣管保障柴油機的低速轉(zhuǎn)矩性能。此外排氣管直徑與氣體流動速度之間同樣存在關(guān)聯(lián)，在排氣管長度不變時排氣管直徑減少會讓容積減小，排氣管的壓力建立速度加快，內(nèi)外壓力差縮小后節(jié)流損失能夠降到最低，從而提升脈沖能量的利用效率。反之排氣管直徑過小也會讓排氣管內(nèi)的流速增加，引起流動損失。轉(zhuǎn)速的變化會直接引起柴油機的性能變化，某些低速工況下的技術(shù)要求也需要進行排氣總管的直徑優(yōu)化措施。

　　從截面面積的角度來看，排氣支管的三種形式包括收縮管、擴張管和等截面管，而排氣支管從收縮到擴張的全過程當(dāng)中，會讓柴油機的功率始終處于一個比較穩(wěn)定的上升狀態(tài)，此時燃油消耗率下降后，擴張排氣支管也會降低強制性的氣功損失，讓泵氣的有效壓力維持平穩(wěn)。氣缸當(dāng)中的氣流擴壓后，也會轉(zhuǎn)化為流速更低的氣流進入總管區(qū)域內(nèi)，渦輪始終在平穩(wěn)區(qū)域內(nèi)運行，整體的性能良好[2]。

　　2.2渦輪增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計一方面包括優(yōu)化任務(wù)的分析，另一方面則包括合適的優(yōu)化算法尋找最優(yōu)解，并且定位于某個能夠滿足計算精度的發(fā)動機模擬程序設(shè)計。以當(dāng)前的渦輪增壓系統(tǒng)來看良好的渦輪增壓系統(tǒng)在排氣能量的傳遞效率上會比較高，此時氣缸的廢氣能量有很大一部分可以直接被轉(zhuǎn)換為可靠的渦輪動能，如果我們使用渦輪有關(guān)的函數(shù)進行評價時，可以基于柴油機的性能要求來確定燃油消耗率。

　　在確定設(shè)計變量和優(yōu)化目標(biāo)之后就應(yīng)該建立優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型對柴油機的過程進行計算。由于前文提到合理地利用排氣管當(dāng)中的壓力波可以讓進氣更加充分，因此在評估渦輪增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)前提之下，可以對某些結(jié)構(gòu)參數(shù)進行改進確保柴油機的燃油消耗率處于較低的水平。在工作實踐當(dāng)中，我們要確定排氣總管長度直徑，同時也要規(guī)劃好排氣支管長度直徑，使各項參數(shù)始終處于正常標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

　　2.3系統(tǒng)方案確定以當(dāng)前的船用柴油機渦輪增壓系統(tǒng)為例，結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中會考慮到渦輪增壓系統(tǒng)的不同類型，如常見的電壓系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)，以及部分特殊船只所使用的MPC系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)運行時各個缸的工作狀態(tài)受到渦輪效率和掃氣干擾的影響。定壓系統(tǒng)的特征是渦輪前排氣管內(nèi)的壓力恒定，特別是加速狀態(tài)時會有較大的黑煙，原因在于燃燒過量空氣不足。

　　脈沖系統(tǒng)在高增壓時系統(tǒng)的流動損失比較明顯，排氣管當(dāng)中的壓力會造成不同的壓力變動。MPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，壓力波動和定壓系統(tǒng)比較接近，不需要采用脈沖系統(tǒng)所必須的葉片防振措施，如果在加速運行的狀態(tài)下，定壓系統(tǒng)和脈沖系統(tǒng)的優(yōu)勢能夠同步體現(xiàn)，這說明排氣能量的價值更高。從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度而言，我們根據(jù)氣體的正常流動規(guī)律，因防止氣體在流動狀態(tài)下產(chǎn)生過度碰撞，從而帶來嚴(yán)重的能量損失。所以渦輪增壓系統(tǒng)應(yīng)確定各個缸的掃氣工作狀態(tài)和氣流流動方向，使得氣流在進入彎管之前就保持比較均勻的管截面壓力。另外需要注意的是，氣流流動會直接導(dǎo)致能量改變，進入彎管段之后的氣流也會在離心慣性力的影響下，讓氣體脫離壁面然后在壁面附近形成渦流區(qū)。對于排氣管的布置，可以將原彎曲半徑加大后再縮小縮口率，讓掃氣系數(shù)增加，低工況下的泵氣功損失最小。

　　系統(tǒng)上游區(qū)域的氣流壓力波峰會將部分壓力直接轉(zhuǎn)換為速度能，出口區(qū)域形成低壓區(qū)，在低壓區(qū)的影響下，排氣管當(dāng)中的部分氣體排出速度非�？欤�整個掃氣過程相對穩(wěn)定。由于上游氣缸排氣狀態(tài)下氣流處于向上傾斜狀態(tài)，所以改進后的結(jié)構(gòu)也不會對截面產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至在某些情況下可以阻止回流[4]。綜合來看，定壓系統(tǒng)、脈沖系統(tǒng)和MPC系統(tǒng)有著各自的優(yōu)勢和應(yīng)用范圍，且按照氣體流動理念和流動損失分析可以設(shè)計一種新的排氣管，滿足船用柴油機的經(jīng)濟特性、加速特性，充分體現(xiàn)出渦輪增壓技術(shù)的優(yōu)勢。

　　2.4柴油機工作數(shù)值選擇和燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化前位提到按照柴油機的工作特征可以分解為不同的子系統(tǒng)，包括渦輪增壓器、進氣管、排氣管等，在柴油機的工作數(shù)值選擇方面同樣可以進行調(diào)節(jié)。例如在增壓壓力方面通過柴油機的廢氣驅(qū)動渦輪增壓器能夠讓柴油機功更大，而壓縮比變動也會讓燃油消耗率和廢氣溫度處于合理的范圍當(dāng)中，以不同的壓縮比來控制柴油機性能參數(shù)變化。在燃油噴射系統(tǒng)方面，了解噴油器的噴油率、噴油量、加速度等工作性能指標(biāo)之后以及噴射過程當(dāng)中的變化規(guī)律，就能對噴射系統(tǒng)當(dāng)中的主要部件設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化。如輸入各個單元的尺寸之后選擇適當(dāng)?shù)膹椈蓜偠取⑷加蛧娚湎到y(tǒng)容積計算、燃油貫穿距離等。

　　農(nóng)業(yè)論文投稿刊物：《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》主要欄目有：農(nóng)業(yè)水土工程，農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化，農(nóng)業(yè)信息與電氣技術(shù)，農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程，土地整理工程，農(nóng)產(chǎn)品加工工程。

　　3結(jié)語

　　船用柴油機的渦輪增加技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用可以給交通運輸、工業(yè)發(fā)展提供動力支持，而為了滿足燃油經(jīng)濟性和動力性的要求，讓柴油機系統(tǒng)更加復(fù)雜，從柴油機的系統(tǒng)角度進行優(yōu)化也是今后工作的主要任務(wù)。渦輪增壓系統(tǒng)的核心在于有效利用排氣能量確保各缸順利換氣，因此設(shè)計符合要求的渦輪增壓系統(tǒng)能夠讓柴油機的加速特性、掃氣效率得到提升，降低燃油消耗率。

　　參考文獻：

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　　[3]林新通，詹玉龍，周薛毅，等.支持向量機在船舶柴油機廢氣渦輪增壓器故障診斷中的應(yīng)用[J].上海海事大學(xué)學(xué)報，2012(02)：22-25.

　　[4]孫麗娜，黃永紅，劉涵茜.基于FOA優(yōu)化GRNN的船用柴油機渦輪增壓系統(tǒng)故障診斷[J].計算機測量與控制，2018，26(11)：39-42.

　　[5]黃立，陳曉軒，李先南，等.船用柴油機渦輪增壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].推進技術(shù)，2020，41(11)：2438-2449.

　　作者：趙云鵬

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