慢速船上柴油機和渦輪增壓器配合影響因素與特性研究

楊偉

摘 ?要：渦輪增壓器是現(xiàn)代柴油機運行中非常重要的一部分，可以顯著地提升柴油機的運行性能以及燃燒效率，降低柴油機的燃油消耗，在進行慢速船柴油機與渦輪增壓器的配合時，容易出現(xiàn)渦輪增壓器喘振的現(xiàn)象，對發(fā)動機的運行產(chǎn)生不利影響。該文對渦輪增壓器的喘振裕度進行分析，并設計渦輪增壓器喘振裕度穩(wěn)定性實驗，以此來保證柴油機和渦輪增壓器之間配合良好。

關鍵詞：慢速船 ?柴油機 ?渦輪增壓器

中圖分類號：U664.121 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）05（a）-0076-02

隨著現(xiàn)代機械行業(yè)的不斷發(fā)展，廢氣渦輪增壓器已經(jīng)普遍用于柴油發(fā)動機上，能夠有效地提升發(fā)動機的最大功率，同時能夠降低發(fā)動機的能源消耗以及廢氣排放，提高柴油機與渦輪增壓器的配合有助于進一步優(yōu)化柴油機的綜合性能。然而，慢速船上的柴油機渦輪增壓器是以靜止狀態(tài)設計的，在實際的使用過程中必定會造成渦輪增壓器性能的變化，甚至會出現(xiàn)一些潛在的隱患，比如渦輪增壓器運轉(zhuǎn)不順暢、廢氣渦輪工作卡滯以及柴油機排氣歧管溫度過高等現(xiàn)象，造成柴油發(fā)動機的輸出功率不穩(wěn)定，影響發(fā)動機的使用效果。為此，該文對慢速船上柴油機和渦輪增壓器的配合影響因素與特性進行研究。

1 ?柴油機和渦輪增壓器配合影響因素

柴油發(fā)動機在運轉(zhuǎn)的過程中會排出廢氣，渦輪增壓器在廢氣的推動下開始運轉(zhuǎn)，并對柴油機進氣孔處的空氣進行壓縮，提高柴油機燃燒室的氧氣密度，改善柴油機的運行性能。在實際的運行過程中，當渦輪增壓器中的廢氣量逐漸減少時，會使廢氣在渦輪增壓器中的運動路徑與設計路徑相偏離，使氣流在葉片及擴壓器位置被強行分開，同時會引起裝置的振動，并伴有低沉的吼叫聲，這就是渦輪增壓器的喘振現(xiàn)象[1]。喘振現(xiàn)象會影響到柴油機和渦輪增壓器間的匹配，必須要對其進行合理的控制，正常情況下柴油機在任何工況下運行渦輪增壓器的喘振裕度都需要高于15%[2]。

1.1 渦輪增壓器喘振裕度

喘振是比較常見的渦輪增壓器運行現(xiàn)象，一般情況下渦輪增壓內(nèi)部的增壓部件為偏心式壓氣機，而柴油發(fā)動機在運行過程中排氣量以及壓力值會隨時發(fā)生變化，兩者在進行配合的過程中必須保證壓氣機能夠在各階段的排氣量以及壓力值下正常運行。現(xiàn)以MAN-B&W公司的7S60MC–C慢速船用柴油機為例，探討其在各個階段對渦輪增壓器壓氣機的排氣量以及壓力值要求，并將其繪制成曲線圖，如圖1所示。曲線圖中的Engine Opearting Line表示的是柴油機和渦輪增壓器理想配合狀態(tài)，壓氣機的工作曲線必須要在其附近區(qū)域才能保證柴油機和增壓器匹配良好。在經(jīng)過大量的實驗探索后可以發(fā)現(xiàn)，更改壓氣機中的葉片面積以及轉(zhuǎn)動角度能夠促使其工作曲線左右浮動[3]。

1.2 喘振裕度穩(wěn)定性實驗

在柴油機完成磨合階段，并且調(diào)整好運行的工作程序后，對渦輪增壓器的喘振裕度進行測定，保證其在正常的范圍內(nèi)，進而確保渦輪增壓器能夠正常工作。為此，要對渦輪增壓器的穩(wěn)定性進行實驗測試，主要分為了3個部分。

第一，待柴油發(fā)動機在額定功率下轉(zhuǎn)速保持相對穩(wěn)定后，將渦輪增壓器各個不同區(qū)域中的性能參數(shù)記錄下來。

第二，柴油發(fā)動機在CMCR位置處工作時，記錄渦輪增壓器的喘振數(shù)值，同時以下圖2中的“S”線為導向慢慢提高排氣背壓。

第三，以圖2中“S”線為基礎運轉(zhuǎn)渦輪增壓器，若沒有發(fā)生喘振現(xiàn)象，那么說明渦輪增壓器喘振強度滿足使用要求，對渦輪增壓器的穩(wěn)定性測試成功;若發(fā)生了喘振現(xiàn)象，那么渦輪增壓器公司就需要依據(jù)實際的測試現(xiàn)象對擴壓環(huán)進行重新模擬、設計[4]。

2 ?柴油機和增壓器配合良好特征分析

當柴油發(fā)動機和渦輪增壓器每個參數(shù)的配合工作結(jié)束后，若兩者配合成功，則柴油發(fā)動機和渦輪增壓器在工作過程中表現(xiàn)為以下特征。

第一，柴油機處于額定功率轉(zhuǎn)速位置時，能夠提供充足的掃氣壓力以及廢氣量，同時保證有充盈的空氣含量，確保燃料能夠充分燃燒，降低燃油消耗量。

第二，柴油機處于低功率運行時，需要保證有足夠的空氣含量，滿足基本的燃料需求，同時緩解排氣位置的熱效應。

第三，在柴油機任何一個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，渦輪增壓器均能正常、穩(wěn)定運行，不會出現(xiàn)喘振以及堵塞等現(xiàn)象[5]。

3 ?結(jié)論

第一，在進行柴油發(fā)動機和渦輪增壓的配合實驗時，要以GB中的數(shù)據(jù)為參考，結(jié)合實際的實驗環(huán)境進行數(shù)據(jù)分析，從而得到柴油發(fā)動機正常運行所要的掃氣壓力值。

第二，在進行柴油發(fā)動機和渦輪增壓的配合實驗時，所選用的渦輪增壓器的運轉(zhuǎn)效率也不是越高越好，在實際選擇過程中要結(jié)合柴油機的性能參數(shù)以及增壓器的工作形式進行綜合考慮，從而選出符合實際工況的渦輪增壓器工作效率值。

第三，對柴油發(fā)動機和渦輪增壓器進行配合實驗，本質(zhì)上就是對發(fā)動機掃氣壓力、增壓器工作效率值以及喘振裕度3個因素進行配合，力求尋找到一個平衡點。

參考文獻

[1] 倪計民，劉越，石秀勇，等.可變噴嘴渦輪增壓及廢氣再循環(huán)系統(tǒng)改善柴油機排放性能[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（16）：82-88.

[2] 王海燕，赫偉建，張旭升，等.渦輪增壓器熱力學模型與柴油機動態(tài)仿真[J].內(nèi)燃機工程，2017，38（2）：128-134.

[3] 何清林，王賀春，王銀燕，等.船用V型柴油機大小渦輪增壓器相繼增壓切換過程試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2013，34（2）：12-17，23.

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