船用柴油機STC 系統設計與試驗研究

王尚鵬，高占斌,2，尹自斌，范金宇

(1.集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.哈爾濱工程大學 動力與能源學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

為有效節約能源利用率，優化柴油機性能，目前，廢氣渦輪增壓技術因其能提高柴油機功率和降低油耗率，而成為一項重要措施之一。渦輪增壓器可以在功率不變的條件下，縮小排量，提高柴油機的經濟性，降低排放[1]。傳統的增壓技術雖然能提高柴油機PMEP 指數，但同時也有一定的弊端，主要包括：1）隨著柴油機轉速范圍的拓展，在低工況時柴油機運行點靠增壓器喘振線較近，甚至越過喘振線[2-3]。2）傳統的柴油機匹配渦輪增壓器時，主要著重考慮柴油機在最大扭矩的85% 左右時的整機性能，故渦輪增壓器的通流面積通常較大，而當柴油機運行工況點偏離最大扭矩時，尤其在低工況，增壓壓力下降明顯，增壓器效率低下（嚴重時會發生惰轉），進氣量嚴重不足，缸內燃燒效果惡化，柴油機的性能下降，且隨著增壓度逐漸提高，這種弊端越明顯。

而國內外針對此弊端先后研發出了廢氣旁通、進排氣旁通、可變截面渦輪和相繼增壓渦輪等改善柴油機性能的措施[4-5]。其中廢氣旁通雖然可在低速區獲得較高的增壓壓力，但在高速區卻限制了增壓壓力的提高。進排氣旁通可以使柴油機運行點遠離喘振線，在無葉擴壓器，壓氣機的有效利用率較高，但在有葉擴壓器，壓氣機效率較低。此外，系統調節、控制難度較大，一般應用于大功率高速增壓柴油機[6-8]。VGT與STC 系統原理類似，都屬于調節增壓器范疇，且都是改善柴油機低工況性能的有效手段，但STC 系統相對VGT 更有優越性。如STC 系統調節渦輪流通面積較大，且可同時調節壓氣機進口面積，并可選用現有增壓器進行匹配組合，結構較為簡單[9]。而VGT 的故障率較高，且在低工況運行條件下，總體效率偏低[10]。

本文針對V 型6 缸小型船用增壓柴油機進行研究，將原機常規增壓系統設計為STC 系統，通過試驗，分析采用STC 系統后對柴油機性能的影響。

1 STC 系統設計

1.1 設計樣機

本文以TBD234V6 型增壓柴油機為原型機進行研究，圖1 為發動機試驗臺架及測控設備示意圖，該機的主要性能結構參數如表1 所示。

圖 1 TBD234V6 型柴油機及測控設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of TBD234V6 diesel engine and control equipment

表 1 TBD234V6 型柴油機性能參數表Tab.1 Performance parameter table of TBD234V6 diesel engine

1.2 相繼增壓進、排氣管路系統改造設計

圖2（a）為TBD234V6 型柴油機原機常規增壓示意圖。可以看出，原機只配有1 個渦輪增壓器（型號J100），且為脈沖增壓，廢氣通過A 列和B 列氣缸之后直接推動渦輪做功。圖2（b）為對該機進、排氣管路改造之后的相繼增壓系統示意圖。可以看出，本試驗臺架將原機常規增壓采用的J100 渦輪增壓器換成2 個型號相同的M12 增壓器，并采用連通管連接A 列和B 列排氣管，在受控增壓器渦輪前面加裝1 個燃氣閥，在受控壓氣機后面安裝1 個空氣閥。當柴油機在低工況運行時，空氣閥和燃氣閥都關閉，只有1 臺增壓器工作（1TC），6 個氣缸的排氣集中供給基本增壓器。當在高工況或高負荷狀態下，先將燃氣閥打開，而后打開空氣閥，2 臺增壓器同時工作（2TC）。

圖 2 TBD234V6 型柴油機原機增壓與相繼增壓系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of the original turbocharged and sequential turbocharging system of TBD234V6 diesel engine

1.3 加裝蝶閥對進氣流量的影響

圖3 為TBD234V6 型柴油機加裝蝶閥前后進氣流量對比圖。可以看出，本試驗所選取的4 個工況點，在加裝蝶閥后，柴油機的進氣流量稍有減小，但下降率均很小。由此可知，加裝燃氣閥和空氣閥后，對柴油機整體的進氣流量影響不大，故選用的2 只蝶閥較為合理。

1.4 排煙管設計

本試驗臺架經上述改造之后，渦輪增壓器由1 個變為2 個，渦輪出口后的排煙管因此也由1 個增加為2 個。為節約成本，此次設計只針對排煙管中段部分。圖4 為STC 系統排煙管中段三維模型設計圖，可以看出，來自兩渦輪排出的廢氣通過兩支管合并到總管，總管直接連接原機試驗臺架排煙管的后半部分，從而將煙氣排出。此設計的優點在于節約了空間，且對排氣背壓影響較小。

圖 3 加裝蝶閥前后進氣流量對比Fig.3 Comparison of intake air flow before and after adding butterfly valve

圖 4 排煙管三維模型設計圖Fig.4 Three-dimensional model design of exhaust pipe

圖5 為STC 系統排煙管實物安裝圖。可以看出，在所設計的排煙管下部安裝了波紋管，目的在于降低柴油機在工作時所產生的震動對排煙管的沖擊和熱膨脹對排煙管的影響。此外，排煙管2 個管法蘭盤上分別安裝了懸吊裝置，懸吊拉桿承受著排煙管重力，從而避免兩渦輪增壓器渦輪出口受力過大。

排煙管改造完成之后，相對于原機試驗臺架，排煙管路增加了5 個直角彎頭，故需對所設計的排煙管排氣背壓重新進行分析。本試驗共選取5 個工況點進行分析，分別是標定功率的10%，25%，50%，75% 和100%。圖6 為推進特性下相繼增壓與原機常規增壓的排氣背壓對比圖。可以看出，STC 系統改造之后的排煙管排氣背壓相比原機，略有增高，但增加幅度較小，對柴油機的性能影響較小。故本試驗所設計的相繼增壓排煙管較為合理。

1.5 STC 系統氣動蝶閥控制系統設計

圖 5 排煙管實物安裝圖Fig.5 Physical installation diagram of smoke exhaust pipe

圖 6 推進特性下相繼增壓與原機增壓排氣背壓對比Fig.6 Comparison of sequential turbo charging and original machine exhaust back pressure under the propulsion characteristics

相繼增壓柴油機設計控制系統的主要目的是依據柴油機的工作狀態實現1TC 到2TC 以及2TC 到1TC 的切換控制，以滿足在不同工況下，渦輪增壓器都能在高效率區工作。STC 系統氣動蝶閥主要由電磁閥控制，其控制系統是由空壓機、氣動開關閥、2 只兩位三通常閉電磁閥和氣路軟管組成，且執行器為單作用氣動執行氣缸。圖7 為相繼增壓蝶閥氣動控制系統原理圖。可以看出，電磁閥A 和B 中X 口與高壓氣源相連，Y 口與執行氣缸相連，T 口為放氣口，與大氣相通。當電磁閥通電時，閥芯向下移動，X 口與Y 口連通，T 口被截止，Y 口有壓縮空氣通過，執行氣缸中的活塞向右移動，此時蝶閥打開。當電磁閥斷電后，在復位彈簧的作用下，閥芯向上移動，Y 口與T 口連通，X 口截止，無壓縮空氣流過，執行氣缸內的氣體經氣路軟管向T 口排出，執行氣缸里的活塞在復位彈簧的作用下，向左移動，此時空氣閥和燃氣閥均關閉。

圖 7 相繼增壓蝶閥氣動控制系統原理圖Fig.7 Schematic diagram of pneumatic control system for sequential turbo charging butterfly valves

2 試驗結果與分析

本次試驗根據所需，從標定功率（Pe0）的10% 開始，1TC 狀態下選取7 個工況點作為研究，分別為10%，20%，25%，30%，35%，40% 和45%，2TC 狀態下以10%，20%，25%，30%，35%，40%，45%，50%，60%，70%，80%，90% 和100% 這13 個負荷作為研究工況點。

2.1 STC 系統對柴油機動力性的影響

圖8 為柴油機在推進特性下采用1 臺增壓器和2 臺增壓器并聯等2 種方案時的最高爆發壓力和增壓壓力與原機試驗結果對比圖。因增壓器工作時受最高轉速的限制，故本試驗當只采用1 個渦輪增壓器時，試驗工況點最高運行到45%Pe0。

由圖8 可知，柴油機按相繼增壓的2 種增壓方式運行時，最高爆發壓力和增壓壓力都隨負荷的增加而增大，當Pe≤45%Pe0時，1TC 狀態下的最高爆發壓力和增壓壓力均高于2TC 和原機常規增壓，而2TC 狀態下的爆壓和增壓壓力相比原機差別較小。從圖8（a）可以看出，在10%Pe0時，1TC 和2TC 的爆壓值差距最大，約為13 bar。這主要是因為在低工況下，柴油機的排氣量較少，若按2TC 工作，則發動機排出的廢氣流經2 個渦輪，此時每個增壓器所獲得的廢氣量不足，增壓器渦輪的效率降低，從而壓氣機增壓壓力也較低，進入氣缸的空氣流量減少，空燃比下降，燃燒不充分， 故爆壓較低。 而采用單個小渦輪增壓器（1TC）工作時，6 個缸的廢氣量集中供給此增壓器，渦輪轉速提高，帶動壓氣機做功增多，因此壓氣機的壓比增加，增壓壓力提高，進氣量充足，燃燒更加完全，最高爆發壓力升高。從圖8（b）可以看出，低工況下采用1TC 時，在增壓效果上，明顯優于2TC 和原機常規增壓。

圖 8 三種增壓方式的動力性能參數與原機試驗結果對比Fig.8 Comparison of dynamic performance parameters of three supercharged modes and original test results

2.2 STC 系統對渦前排氣溫度的影響

圖9 為改造STC 系統前后柴油機渦前排氣溫度對比圖。可知，采用STC 系統后，柴油機各工況的排氣溫度均隨負荷的增加而上升，按1TC 運行時，其渦前排溫在10%Pe0≤Pe≤45%Pe0下比2TC 和原機試驗結果要低，在10%Pe0≤Pe≤30%Pe0之間，隨著負荷的增加，2TC 與1TC 排溫溫差逐漸增大，當Pe=30%Pe0時，2TC 與1TC 排溫溫差最大，約為42 ℃，當30%Pe0≤Pe≤45%Pe0時，1TC 與2TC 以及原機試驗的結果溫差逐漸減小，直至接近原機的渦前排溫。這主要是因為柴油機匹配STC 系統后，在低工況時只采用1 個渦輪增壓器（1TC），渦輪轉速升高，壓氣機轉速升高，增壓壓力增加，過量空氣系數提高，燃燒效果變好，同時降低缸內熱負荷，渦前排氣溫度隨之下降。而2TC 的渦前排溫試驗結果與原機差距甚微，這表明所選取的2 個小渦輪增壓器并聯使用時的整體效果與原機1 臺增壓器差別較小。

圖 9 采用STC 系統前后柴油機渦前排氣溫度對比Fig.9 Comparison of front and rear exhaust temperatures of diesel engines before and after using STC system

2.3 STC 系統對NOx 和Soot 的影響

圖 10 推進特性下1TC，2TC 與原機NOx 濃度對比Fig.10 Comparison of NOx concentration among 1TC and 2TC and original machine under propulsion characteristics

圖10 為柴油機在推進特性下利用排氣分析儀所測得的采用STC 系統后與原機NOx 濃度對比圖。圖10表明，1TC，2TC 和原機狀態下NOx 濃度隨負荷的增加而逐漸上升，在10%Pe0≤Pe≤45%Pe0時，1TC 的NOx 濃度明顯低于2TC 與原機試驗結果，這是由于1TC 狀態下進氣壓力高，進氣量充足，缸內進入的低溫氣體較多，冷卻效果較好，最高燃燒溫度下降。且缸內燃空當量比較低，燃燒效果較好，故NOx 濃度較低。此外，當10%Pe0≤Pe≤40%Pe0時，采用1TC，NOx上升幅度較緩，這是由于此階段柴油機缸內燃燒反應速率比NOx 生成速度快，燃氣停留時間較短，NOx 的生成量被抑制。

圖11 為STC 系統與原機在各個工況點的Soot 值對比圖。可知，在高工況時，Soot 值要比低工況高，這是由于在高工況時，缸內溫度上升，進氣不夠充分， 從而形成高溫缺氧的環境。 但在低工況時，1TC 的煙度值低于2TC 和原機試驗值，在35%Pe0時，差值最大，約為0.22 m-1。這主要是因為采用1TC 在低工況工作時，六缸的廢氣集中供給此渦輪，渦輪增壓器的效率提高，因而進氣壓力增加，進氣量更充足，故缸內局部缺氧環境得到改善。

圖 11 推進特性下1TC，2TC 與原機Soot 值對比Fig.11 Comparison of soot values among 1TC and 2TC and original machine under propulsion characteristics

2.4 STC 系統對柴油機經濟性的影響

圖 12 采用三種增壓方式燃油消耗率對比Fig.12 Comparison of fuel consumption rates by using three supercharging methods

圖12 為STC 系統與原機燃油消耗率的試驗結果對比圖。可知，采用1TC 在10%～40%Pe0時，有效燃油消耗率隨著負荷的增長而逐漸降低，經濟性較好。當Pe＞40%Pe0時，燃油消耗率急劇上升，而2TC 和原機常規增壓運行狀態下柴油機的總體油耗率隨著負荷的增加而下降。1TC 最低燃油消耗率為40% 負荷時，約為223 g/kW·h，在滿足動力性和排放性較好的前提下，為提高柴油機的經濟性，故切換點選擇為40%Pe0，轉速為1105 r/min。此外，當Pe≤40%Pe0時，1TC 時的燃油消耗率明顯低于2TC 和原機，在Pe=10%Pe0時，1TC 相比原機油耗率下降了10.5 g/kW·h，約降低4.7%。而2TC 在35%Pe0≤Pe≤70%Pe0時，燃油消耗率相比原機略高一點，其余工況點，與原機差別較小。

3 結 語

1）本文將TBD234V6 型柴油機設計改造為STC 系統，結構簡單、可靠。驗證了所加裝的蝶閥和所設計的排煙管具有合理性，同時設計了2 只蝶閥的控制系統，以期達到便捷操控1TC 與2TC 相互切換的目的。

2）采用2 個型號為M12 的渦輪增壓器設計為STC系統后，在低工況狀態下，采用1TC，柴油機的廢氣能量利用率有效提高，增壓壓力增加，進氣量充足，缸內燃燒效果良好，動力性和經濟性顯著改善。

3）對比原機常規增壓系統與STC 系統的排放物可知，在P≤45%Pe 時，NOx 和Soot 值均有所降低，其中NOx 最大降低幅度約為22.92%，Soot 最大降低幅度約為48.83%。由此表明，采用相繼增壓技術是降低船用柴油機NOx 和Soot 的一種有效措施。若能對噴油提前角進行優化，則柴油機的排放性能可進一步得到改善。