SC12E發電機組用兩級渦輪增壓柴油機方案研究

周磊磊，凌建群，凌君旸

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

SC12E發電機組用兩級渦輪增壓柴油機方案研究

周磊磊，凌建群，凌君旸

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

針對發電機組用柴油機，使用AVL BOOST性能模擬軟件建立兩級渦輪增壓發動機模型，計算將最大功率從367 kW提高至440 kW時發動機的性能及增壓器工作狀況。主要介紹了高、低壓級增壓器的匹配，并分析高、低壓級增壓器的相關壓力、溫度、轉速等參數隨發動機負荷的變化，同時優化壓縮比、級間中冷器，為實際采用兩級增壓系統提供理論依據及參考數據。

兩級渦輪增壓模擬匹配性能

1　前言

隨著污染的日益嚴重，環保得到越來越多的關注，高效、節能成為發動機技術的主要發展方向。近年來，兩級渦輪增壓發動機產品開始現身各大展會。兩級渦輪增壓技術在國外比較成熟，最初應用在船舶和內燃機車上，后來由于發動機輕量化需求，逐步應用于轎車和大型貨車上。國內對于該技術研究尚處于起步階段，使用熱力學計算軟件進行兩級渦輪增壓發動機性能預測，摸索兩級渦輪增壓技術。

2　兩級增壓系統及開發目標

2.1兩級增壓系統簡介

一般兩級渦輪增壓系統指兩個增壓器串聯，即由高壓級和低壓級兩個增壓器組成，見圖1。新鮮空氣被低壓級壓氣機壓縮后，經級間中冷器或直接進入高壓級壓氣機，被高壓級壓氣機進一步壓縮，再由中冷器冷卻后進入發動機進氣歧管；氣缸排出的廢氣先進入高壓級渦輪，驅動高壓級渦輪做功后再進入低壓級渦輪，進一步驅動低壓級渦輪做功。低壓級渦輪一般選用固定截面，高壓級渦輪有的采用廢氣旁通閥，也可采用可變截面。有的系統更加復雜，高壓級甚至采用兩個帶廢氣旁通閥或可變截面的增壓器，低壓級為一個增壓器，結構較復雜，此處不做贅述。

圖1　典型兩級增壓示意圖

兩級增壓系統有以下優點：（1）發動機無需重大修改，普通增壓器串聯即可獲得更高的增壓壓力，從而提高發動機的最大功率，發動機可以輕量化；（2）在相同工況下，相比單級增壓器，兩級增壓系統中每個增壓器的負荷降低，增壓器轉速更低，提高增壓器的可靠性；（3）相對于單級增壓器，兩級增壓系統對環境溫度、壓力的變化不敏感，更適合高原地區［1］。

同時，兩級增壓系統也存在一些缺點：（1）多一套增壓器和中冷器，成本有所上升；（2）高、低級增壓器潤滑油路、氣路管路比較復雜，布置困難；（3）進氣管路、排氣管路內壓力更高，對管路強度、密封性要求也更高［2］。

2.2SC12E兩級渦輪增壓柴油機開發目標

在開發300 kW原SC12E常規機型時，采用了單級增壓系統，發現最大功率點處渦前排溫如果控制在680℃以內，壓氣機出口溫度將近200℃，而壓氣機出口溫度許用限值是205℃。因此，考慮使用帶級間中冷的串聯兩級增壓來降低增壓器的負荷，同時提高最大功率至440 kW。原機基本參數見表1。

3　建立原機模型及校準

使用AVL BOOST軟件，建立原機模型，并根據試驗數據校準模型，選取最大功率、標定功率、90%標定功率及80%標定功率4個工況對模型進行校準。校準參數包括功率、燃油消耗率、爆發壓力、中冷器進口壓力、中冷器進口溫度、渦前壓力及排溫等參數。采用實際氣缸壓力曲線計算放熱率，同時計算出Vibe函數相關參數。原機模型見圖2，模型計算邊界條件見表2。反復調試模型，校準模型后的計算值和試驗值對比見表3，燃油消耗率和爆發壓力對比圖見圖3。

表1　原機基本參數及開發目標

由表3可知，燃油消耗率、爆發壓力計算值和試驗值非常吻合，增壓器相關參數誤差在4%以內，考慮實際試驗時管路布置情況，誤差可以接受。此模型可以反映實際發動機工作狀況。

表2　模型計算邊界條件

圖2　原機發動機BOOST模型

表3　最大功率工況試驗值和計算值

4　兩級增壓系統選擇

兩級增壓機型最大功率開發目標為440 kW，計算需要的進氣流量及壓比。將兩級增壓視為一個整體，計算進氣流量及壓比見表4。

根據以往對兩級增壓器壓比分配的研究，不僅考慮最大負荷工況，還需兼顧部分負荷工況，比較合理的高、低壓級壓比分配為4∶6，即高壓級壓比占總壓比的40%［1］。根據這個高、低壓級的壓比分配，同時計算出兩級壓氣機的修正進氣流量。壓氣機的特性圖是在標準大氣條件下測得，因高壓級壓氣機進口的溫度及壓力均高于大氣條件，需對其流量進行修正，才能真實地反映在壓氣機特性圖上。低壓級壓氣機入口為空濾后的空氣，壓力溫度與標準大氣相比，變化甚微，修正流量和實際流量差別較小（高原情況除外）。壓比分配及進氣修正流量計算結果見表5，壓氣機修正流量計算公式如下：

式中，Gcor——壓氣機修正進氣流量，kg/s；

G——壓氣機實際進氣流量，kg/s；

T*0——壓氣機進口實際溫度，K；

p*0——壓氣機進口實際壓力，kPa。

根據以上結果初選高、低壓級增壓器，具體選配方法略，與原配置參數比較見表6。

圖3　燃油消耗率、爆發壓力計算值和試驗值

表4　兩級增壓器計算匹配結果

5　兩級增壓機型模型建立及計算

在原機的BOOST模型上，增加低壓級增壓器、級間中冷器及相關管路，級間中冷器采用與原中冷器相同配置，模型見圖4。計算邊界條件與表2相同。

選擇440、400、367、338和300 kW五個工況進行計算。計算結果見圖5～圖6。由圖5可以看出，與原機相比，相同工況下進氣歧管內壓力增加近30 kPa，燃油消耗率增加約2 g/kW.h，爆發壓力減少約0.5 MPa。這是由于最大爆發壓力需要控制在18 MPa以下，模擬計算結果表明，440 kW時的爆發壓力達到了19.5 MPa，超出了設計要求。為了將最大爆發壓力控制在設計范圍內，將噴油提前角減小，因此在相同工況下，即使進氣歧管壓力增加，爆發壓力依然減小，但燃油消耗率有所上升。

表5　估算高、低壓級壓氣機壓比及修正流量

表6　高、低壓級增壓器與原配置參數比較

圖4　兩級增壓BOOST模型

圖5　1500 r/min負荷特性對比

由圖6可以看出，高壓級增壓器的中冷前溫度、壓比、修正進氣流量及增壓器轉速，整條負荷特性上變化較小，除了中冷前溫度，其余三個參數在高負荷時稍有降低；而低壓級增壓器的中冷前溫度、壓比、修正進氣流量、增壓器轉速等均隨著負荷增加而增加。高、低壓級增壓器的差異，主要是由于隨著負荷增加，高壓級的壓比分配逐漸減少，低壓級的壓比分配逐漸增加引起。

圖7和圖8分別是發動機的負荷特性在高、低壓氣機特性圖上的聯合運行線（低壓級壓氣機特性圖是在原配置基礎上放大140%而來，高壓級壓氣機特性圖是在原配置基礎上縮至80%而來）。發動機運行線穿過低壓級壓氣機最高效率區，距離喘振線和堵塞線非常遠，增壓器匹配合適；發動機運行線在高壓級壓氣機高效區，流量、壓比變化較小。

圖7　低壓級壓氣機聯合運行線

6　方案優化

6.1壓縮比

通過模擬計算可知，無論怎樣調整噴油提前角，440 kW工況的爆發壓力最小值為19.5 MPa，超出發動機的許用限值18 MPa。通過減小壓縮比來降低爆發壓力，同時為了保持較優燃油消耗率，適當增加噴油提前角，見圖9。圖中壓縮比16和17的提前角相同，壓縮比15則增加了0.5℃A提前角。可見，爆發壓力降至18.0 MPa，燃油消耗率升高，為203.29 g/kW.h。

6.2級間中冷器

上述兩級增壓機型配置中，級間中冷器采用與原機空-空中冷器相同配置。但考慮到實際應用中無法布置兩個空-空中冷器，級間中冷器利用發動機冷卻水來冷卻更為方便。由于發動機冷卻水出口溫度一般為90℃，水-空級間中冷器的出口溫度在100℃左右。據此更改模型中級間中冷器的配置，水-空與空-空級間中冷器對比見圖10，在壓氣機特性圖上的變化見圖11。

圖8　高壓級壓氣機聯合運行線

圖9　壓縮比對柴油機性能的影響

由圖10可以看出，高壓級壓氣機進口溫度由55℃升高到100℃時，爆發壓力基本一致，燃油消耗率升高約1 g/kW·h，發動機渦前排溫由660℃升高至680℃，高壓級壓氣機出口溫度由120℃升高至165℃，壓氣機效率降低，修正進氣流量增加。由于高壓級壓氣機進口溫度上升，在達到相同壓比時，壓氣機耗功增加，壓氣機效率降低，造成發動機燃油消耗率升高，排溫升高。這點從高壓級壓氣機特性圖的聯合運行線上也可以得出相同結論。采用水-空中冷時，壓氣機進口溫度升高，根據流量修正公式可知，修正流量增加，壓比基本不變，聯合運行線向大流量方向移動，壓氣機效率降低，燃油消耗率升高。需要注意的是，在相同工況下，BOOST計算的壓氣機效率要高于特性圖上讀取的效率，這與發動機氣缸的吸氣效果有關。

圖11　不同級間中冷器壓氣機特性圖聯合運行線

可見，當最大功率提高到440 kW時，采用水-空級間中冷器仍然可以降低增壓器工作負荷。

7　結論

本文在12E機械泵電站單級增壓機型基礎上，通過建立AVL BOOST發動機原機模型，進行兩級渦輪增壓機型性能模擬計算。由計算結果可知，采用帶級間中冷的兩級增壓系統可以很好地滿足降低增壓器負荷并提升發動機最大功率的需求。

本文中電站機組用兩級增壓發動機采用兩個普通增壓器串聯，高壓級采用帶放氣閥的增壓器，低壓級采用固定截面的增壓器，帶級間中冷，發動機未做重大修改，便提高了最大功率，同時降低了增壓器的負荷。并通過減小壓縮比，避免爆發壓力超過許用限值。最后對比了不同冷卻方式的級間中冷器的效果，為實際開發工作提供了方向及參考數據。

［1］朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器［M］.機械工業出版社，1992.

［2］周成堯，艾鈞，曾輝等.重型柴油機兩級渦輪增壓技術研究和探討［J］.內燃機，2011（6）：14-17.

Study of Two-stage Turbocharger Diesel Generator for SC12E

Zhou Leilei，Ling Jianqun，Ling Junyang
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd.Shanghai 200438，China）

Study of diesel generator，Using AVL BOOST software builting two-stage turbocharge diesel engine simulation model，calculate engine max power from 367 kW rise to 440kW performance and the turbochargers working condition.This main introduce high and low stage turbocharger the matching，and analyzes the change of pressure，temperature，speed and other parameters with engine load，while optimizing the compression ratio and cooler of two-stage turbocharger，provides reference data for the development.

two-stage turbocharger，simulation，matching，performance

圖10　不同級間中冷器對比結果

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.001

來稿日期：2016-05-26

周磊磊（1982-），女，工程師，主要研究方向為發動機性能開發及增壓器匹配。