船用柴油機渦輪增壓技術探究

趙云鵬

摘要：渦輪增壓技術是實現高功率和低油耗目標的主要措施，且渦輪增壓技術與柴油機的性能優化可以為船舶的設計和制造提供關鍵的技術支持，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境下進行工作，船舶柴油機作為船舶機械當中故障頻率最多的系統之一，需要重點解決功率問題、結構問題，從渦輪增壓技術的角度實現模塊化、智能化和節能環保運作。

關鍵詞：船用;柴油機;渦輪增壓技術

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0043-02

0? 引言

我國國際航運與航海事業發展速度較快，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量之間密切相關。由于柴油機結構相對復雜，在船舶長期運行的狀態下，柴油機的熱負荷處于較高水準。

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問題。

1? 柴油機的工作過程與理論基礎

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性良好，從出現后就被作為船舶的主要推進動力，且在20世紀50年代之后的船舶當中，柴油機幾乎已經完全取代蒸汽機提供動力支持。時至今日已經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下還會設置輔助風機以提供足夠的空氣量。通常情況下進氣管的容積比較大，內部的氣體壓力和溫度保持固定，不過增壓器處于不穩定的狀態下時進氣管內的壓力和溫度會因此產生波動，甚至會因此而導致進氣諧振問題，此時要對管內的氣動過程以及氣缸的充氣過程進行綜合分析。在正常的循環之內，渦輪帶吸收的功和壓氣機消耗的功屬于同一水平線，在同一個循環之內相對穩定。在處理氣缸的過程當中，如果內部的氣體壓力溫度等參數保持均勻，那么柴油機本身處于瞬時熱力平衡狀態，氣體的狀態參數可以被認為是時間函數。

對于渦輪增壓器的性能分析，結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值問題，并且處于恒定狀態下才可以進行建模處理。

1.2 柴油機系統模型

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”，然后在建立數學模型的過程當中，綜合考慮熱力學學科知識和物理模型等定量內容，展開描述獲取模型內部包含的物理參量，為實際的生產環節提供技術支持。在額定工況狀態下，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、廢氣排溫等參數之間也存在著聯系，因此需要采用較高的增壓壓力來達到所規定的技術指標。

2? 渦輪增壓技術的分析與系統優化

2.1 渦輪增壓系統結構與柴油機工作問題

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下會通過渦輪帶動壓氣機等設備的工作，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的設計方案有關，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。在排氣量能夠得到有效應用時，應該在排氣過程當中的排氣管壓力迅速下降以減少排氣環節的泵氣損失，并且排氣壓力波產生的波谷對掃氣過程的影響非常明顯，表現在對進氣和排氣壓力差的合理控制。在很多研究當中也提到，增壓柴油機為了能有效地應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，在到達渦輪區域之后，一部分壓力波可以讓渦輪保持做功狀態，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進行調節，那么需要基于系統結構要求對某些參數進行控制，包括排氣管長度、直徑和管截面面積的調整。

以比較常見的烏輪增壓系統為例，在常規增加方式下的空氣流量和增加壓力與戰術之間密切相關，同時也和柴油機的負荷情況相關。這說明如果柴油機處于低負荷的工作狀態之下，那么增壓器處于低效工作模式，導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來確保柴油機在低功耗時仍然具有穩定的增加壓力，防止空氣流量和增加壓力大幅降低導致的性能缺陷，使柴油機的燃油消耗率、熱負荷在運行區域內比較低，不過要考慮到系統的復雜性。

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系和最大轉矩工況時比較接近，排氣支管長度不發生改變的前提之下，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，可以在后續的技術調整環節選擇一些更短的排氣管保障柴油機的低速轉矩性能。

此外排氣管直徑與氣體流動速度之間同樣存在關聯，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，內外壓力差縮小后節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的流速增加，引起流動損失。轉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要求也需要進行排氣總管的直徑優化措施。

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中，會讓柴油機的功率始終處于一個比較穩定的上升狀態，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。氣缸當中的氣流擴壓后，也會轉化為流速更低的氣流進入總管區域內，渦輪始終在平穩區域內運行，整體的性能良好[2]。

2.2 渦輪增加系統結構優化設計

優化設計一方面包括優化任務的分析，另一方面則包括合適的優化算法尋找最優解，并且定位于某個能夠滿足計算精度的發動機模擬程序設計。以當前的渦輪增壓系統來看良好的渦輪增壓系統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換為可靠的渦輪動能，如果我們使用渦輪有關的函數進行評價時，可以基于柴油機的性能要求來確定燃油消耗率。在確定設計變量和優化目標之后就應該建立優化問題的數學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的結構參數前提之下，可以對某些結構參數進行改進確保柴油機的燃油消耗率處于較低的水平。

在工作實踐當中，我們要確定排氣總管長度直徑，同時也要規劃好排氣支管長度直徑，使各項參數始終處于正常標準狀態。

2.3 系統方案確定

以當前的船用柴油機渦輪增壓系統為例，結構設計當中會考慮到渦輪增壓系統的不同類型，如常見的電壓系統和脈沖系統，以及部分特殊船只所使用的MPC系統[3]。系統運行時各個缸的工作狀態受到渦輪效率和掃氣干擾的影響。

定壓系統的特征是渦輪前排氣管內的壓力恒定，特別是加速狀態時會有較大的黑煙，原因在于燃燒過量空氣不足。脈沖系統在高增壓時系統的流動損失比較明顯，排氣管當中的壓力會造成不同的壓力變動。MPC系統結構比較簡單，壓力波動和定壓系統比較接近，不需要采用脈沖系統所必須的葉片防振措施，如果在加速運行的狀態下，定壓系統和脈沖系統的優勢能夠同步體現，這說明排氣能量的價值更高。

從結構設計的角度而言，我們根據氣體的正常流動規律，因防止氣體在流動狀態下產生過度碰撞，從而帶來嚴重的能量損失。所以渦輪增壓系統應確定各個缸的掃氣工作狀態和氣流流動方向，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。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，讓掃氣系數增加，低工況下的泵氣功損失最小。

系統上游區域的氣流壓力波峰會將部分壓力直接轉換為速度能，出口區域形成低壓區，在低壓區的影響下，排氣管當中的部分氣體排出速度非常快，整個掃氣過程相對穩定。由于上游氣缸排氣狀態下氣流處于向上傾斜狀態，所以改進后的結構也不會對截面產生嚴重影響，甚至在某些情況下可以阻止回流[4]。綜合來看，定壓系統、脈沖系統和MPC系統有著各自的優勢和應用范圍，且按照氣體流動理念和流動損失分析可以設計一種新的排氣管，滿足船用柴油機的經濟特性、加速特性，充分體現出渦輪增壓技術的優勢。

2.4 柴油機工作數值選擇和燃油噴射系統優化

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，包括渦輪增壓器、進氣管、排氣管等，在柴油機的工作數值選擇方面同樣可以進行調節。例如在增壓壓力方面通過柴油機的廢氣驅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中，以不同的壓縮比來控制柴油機性能參數變化。

在燃油噴射系統方面，了解噴油器的噴油率、噴油量、加速度等工作性能指標之后以及噴射過程當中的變化規律，就能對噴射系統當中的主要部件設計參數進行優化。如輸入各個單元的尺寸之后選擇適當的彈簧剛度、燃油噴射系統容積計算、燃油貫穿距離等。

3? 結語

船用柴油機的渦輪增加技術與系統應用可以給交通運輸、工業發展提供動力支持，而為了滿足燃油經濟性和動力性的要求，讓柴油機系統更加復雜，從柴油機的系統角度進行優化也是今后工作的主要任務。渦輪增壓系統的核心在于有效利用排氣能量確保各缸順利換氣，因此設計符合要求的渦輪增壓系統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：

[1]黃粉蓮，紀威，周煒.渦輪增壓柴油機進氣流量的計算與仿真[J].農業工程學報，2013（03）：62-68.

[2]黃加亮，喬英志，王丹，等.船用柴油機與渦輪增壓系統匹配及性能研究[J].中國航海，2012，35（04）：26-32.

[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用[J].上海海事大學學報，2012（02）：22-25.

[4]孫麗娜，黃永紅，劉涵茜.基于FOA優化GRNN的船用柴油機渦輪增壓系統故障診斷[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發展現狀[J].推進技術，2020，41（11）：2438-2449.

[6]黃凱宇，簡源駒.試驗探討艦船用冷柴油機的渦輪增壓器匹配選型[J].內燃機與配件，2017（20）：4-5.