單級/二級可調增壓系統對船用發動機低速性能的影響

馬超　李成　王孝麗　劉永芳　張健健　李國祥

摘要：為提高船用高功率密度發動機低速性能，設計單級/二級可調增壓系統，利用一維熱力學仿真軟件對分別搭載單級/二級可調增壓系統、傳統二級可調增壓系統及單級增壓系統的同一發動機性能進行仿真計算。仿真結果表明：轉速小于1 200 r/min時，搭載傳統二級可調增壓系統的發動機性能明顯提升，轉速大于1 400 r/min時燃油經濟性惡化；轉速小于1 100 r/min時，搭載單級/二級可調增壓系統的發動機，性能提升優于傳統二級可調增壓系統，轉速大于1 200 r/min時性能與單級增壓系統發動機基本持平；與傳統二級可調增壓系統發動機相比，單級/二級可調增壓系統發動機提升低速轉矩的潛力更大；發動機轉速小于1 000 r/min時，與傳統二級可調增壓系統相比，轉矩儲備增加9%～30%。

關鍵詞：二級增壓；單級/二級可調增壓；低速轉矩；燃油經濟性

中圖分類號：TK423.5文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）04-0035-09

引用格式：馬超，李成，王孝麗，等.單級/二級可調增壓系統對船用發動機低速性能的影響［J］.內燃機與動力裝置，2023，40（4）：35-43.

MA Chao， LI Cheng， WANG Xiaoli， et al. Influence of a single-stage/two-stage adjustable turbocharging system on the performance under low-speed conditions of a marine engine ［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：35-43.

0 引言

隨著發動機技術的不斷發展，對船舶的動力性特別是對低速轉矩特性提出了更嚴格的要求。在發動機進、排氣系統設計方面，改善發動機中低速性能和瞬態響應性的措施主要包括采用可變截面渦輪增壓技術、相繼增壓系統、二級增壓系統等，其中二級增壓系統采用兩級增壓器串聯布置，每級增壓器均分擔一部分發動機所需的增壓壓力，避免可變截面增壓器可靠性較差、低工況渦輪機效率低的缺點，同時在一定程度上減緩相繼增壓系統在切換過程中運行不平穩的問題。通過對增壓系統進行合理的匹配和控制，改善發動機低速性能，因此二級增壓系統研究在國內外受到了廣泛關注。

國外20世紀末開始二級增壓系統的應用研究，分別在高速船用柴油機[1]、6.4 L車用發動機[2]上匹配了二級增壓系統，結果表明，二級增壓系統可以提升發動機中低速性能。2009年國外某公司對其3.0 L發動機的二級增壓系統進行了進一步優化，在高壓級增壓器引入變幾何增壓技術（variable geometry turbocharging，VGT），進一步提升了增壓系統的調節能力[3]。2007年某公司在一款中速船用柴油機上進行了可調二級增壓系統研究，結果表明，標定工況下，發動機增壓壓力達到0.9 MPa，改善了米勒循環造成的發動機動力下降問題[4-5]。近年來，國內對二級增壓系統也開展了廣泛的研究：劉博等[6-7]、汪齊富[8]、王利民等[9]在可調二級增壓系統的匹配方法、調節能力及瞬態特性方面開展了系統的建模仿真和試驗，建立了二級增壓系統設計和控制策略的新方法；劉瑞林等[10]、董素榮等[11]、張眾杰等[12-13]對匹配二級增壓系統柴油機的高海拔特性進行了一系列試驗研究，并且分析了VGT搭配二級增壓系統在高海拔工況下的調節能力和調節規律；劉瑩等[14]對某柴油機進行了兼顧平原和高原性能的二級增壓系統設計和試驗研究，結果表明，通過合理設計和控制，可以實現發動機平原功率及海拔高度為4 500 m時額定功率下降21%的目標；邵志剛[15]、趙長祿等[16]也對具體發動機機型進行了可調二級增壓系統的設計和試驗。

針對某高速艇用發動機提升低速轉矩的需求，設計二級增壓系統進行匹配，根據發動機高工況功率密度高的特點，提出一種單級/二級可調增壓系統，與原機及匹配常規可調二級增壓系統的發動機性能進行仿真對比，研究可調增壓系統在保證發動機高速性能不降低的前提下低速性能提升的潛力。

1 增壓系統方案

某6缸高速艇用發動機的基本技術參數如表1所示。

該發動機發火順序為1—5—3—6—2—4，采用脈沖水冷排氣管降低熱負荷。原機匹配1個J130增壓器。該發動機系統示意圖如圖1所示。

為了提升該發動機在低速下的性能，對該發動機設計2種二級增壓系統方案：1）增壓系統為常規形式，增壓器采用兩級串聯，在高壓級增壓器設置旁通閥門，用于高工況下高壓級渦輪機放氣；2）單級/二級可調增壓系統，在高壓級的壓氣機和渦輪機端均設置旁通閥，當發動機運行至高工況時，利用旁通閥將高壓級增壓器與系統斷開，僅使用低壓級增壓器工作。發動機低速工況運行時，該增壓系統采用二級增壓，改善發動機低速性能；發動機高速工況運行時，采用單級增壓，維持原機增壓水平，避免高工況下增壓壓力過高而出現的發動機最大爆發壓力超限問題。2種增壓系統方案示意圖分別如圖2、3所示。

2 建模及驗證

2.1 原機

利用一維熱力學仿真分析軟件GT-Power建立的原發動機仿真模型如圖4所示。

發動機氣缸模型及進排氣管路模型按照發動機廠提供的實際參數設置。按照實際噴油規律作為輸入，燃燒采用真實發動機燃燒規律擬合的雙韋伯函數模型，并在轉矩提升的仿真過程中，根據經驗適當延長燃燒持續期。假定摩擦損失壓力與最大爆發壓力及活塞運動速度的平方呈線性關系，其系數根據實際情況進行標定，采用WoschniGT模型模擬傳熱特性。增壓器中渦輪機采用簡單模型，壓氣機性能map數據為國內某增壓器企業的性能測試數據。以壓氣機葉輪輪緣線速度為控制變量，標準狀態下（大氣壓力為100 kPa，溫度為25 ℃）仿真獲得的聯合運行線與壓氣機實測map圖的匹配如圖5所示。

發動機性能仿真與試驗結果對比如圖6所示，其中發動機性能試驗臺架及測控系統見文獻[17]。由圖6可知：搭建的一維熱力學仿真模型可以較好地預測發動機的外特性變化趨勢，在相同轉矩工況下，仿真的中冷前壓力與試驗結果基本一致，仿真的燃油消耗率be與試驗結果的相對誤差不超過7%，渦前排溫相對誤差不超過5%，因此模型結果基本可信，可以利用該模型進行發動機性能仿真。

2.2 可調二級增壓及單級/二級可調增壓系統發動機

在發動機原機的仿真模型基礎上，搭建了傳統可調二級增壓系統及單級/二級可調增壓系統的一維熱力學仿真模型，單級/二級可調增壓系統的一維熱力學仿真模型如圖7所示。與單級/二級可調增壓系統相比，傳統可調二級增壓系統模型的高壓級壓氣機側少一路旁通管路及閥門，其余一致。

為了研究傳統可調二級增壓系統與單級/二級可調增壓系統對發動機性能提升的潛力，應盡可能消除由于增壓器個體效率差異導致的性能變化。在原機增壓器map基礎上，按照幾何等比例縮放的方法進行增壓器性能模化。

模化后壓氣機折合質量流量和渦輪機相似質量流量的相關計算式如下。

按照流動相似（馬赫數相似）的原則，相同線速度下，模化后壓氣機和渦輪機的壓比及膨脹比與模化前相同，模化前、后對應工況點的效率不發生改變。

基于以上模化方法，將多種模化后增壓器組成的增壓系統與發動機進行性能匹配計算，按照發動機性能最優原則，確定2種增壓系統方案及模化參數，如表2所示。

可調二級增壓系統及單級/二級可調增壓系統中二級壓氣機及其聯合運行線如圖8、9所示。由圖8、9可知：絕大部分工況處于壓氣機高效運行區，基本實現了發動機和增壓器的最優匹配。

3 結果與分析

3.1 外特性對比

基于最優匹配的增壓器方案，在相同的外特性轉矩工況下，原機及匹配2種增壓系統的發動機性能對比如圖10所示。

由圖10a）、b）可知：在發動機轉速低于1 100 r/min工況下，2種二級增壓系統相比原機表現出明顯優勢，傳統二級可調增壓系統的be降低了5～12 g/（kW·h），燃油經濟性提高2.2%～4.8%；采用單級/二級可調增壓系統發動機be比傳統二級可調增壓系統降低0～4 g/（kW·h），燃油經濟性提高0～1.8%；發動機轉速由1 200 r/min增加到1 860 r/min過程中，高壓級廢氣旁通比由12%增加到60%;由于渦端旁通放氣，浪費了一部分廢氣能量，增壓系統總效率下降，使得匹配傳統可調二級增壓系統發動機的be增大，燃油經濟性下降約2.3%～4.6%。

由圖10c）～e）可知：由于串聯增壓，2種二級增壓系統的發動機在中低速工況下總增壓壓力和渦前壓力均明顯高于原增壓系統；發動機轉速為1 100 r/min時，單級/二級可調增壓系統的總增壓壓力為350 kPa，比原機增壓系統提升約200 kPa；得益于增壓壓力提升，單級/二級可調增壓系統和傳統可調二級增壓系統發動機的空燃比分別比原機提高5.8%～72.3%和5.4%～39.6%。

由圖10f）、g）可知：2種二級增壓系統增壓壓力的提升，渦前排溫大幅降低，其中傳統可調二級增壓系統渦前排溫比原機降低26～162 ℃，單級/二級可調增壓系統渦前排溫比傳統二級可調增壓系統降低18～82 ℃；較大的增壓壓力使2種二級增壓系統發動機的缸內最大爆發壓力明顯增加，其中單級/二級可調系統在發動機轉速為1 100 r/min時，發動機最大爆發壓力達到限值，為17 MPa，因此進一步增大發動機轉速，必須通過閥門使高壓級增壓器與系統斷開，采用低壓級單級增壓工作；相比原機，低壓級增壓器的壓氣機和渦輪機的通流能力均略大，提升了壓氣機的匹配效率和發動機的排氣阻力，在一定程度上降低了泵氣功損失。因此，單級/二級增壓系統僅使用低壓級工作時，發動機整體性能指標與原機相近，燃油經濟性和渦前排溫略有優勢；發動機轉速升高至1 200 r/min時，裝配傳統可調二級增壓系統的發動機最大爆發壓力達到爆壓限值；因此繼續提升發動機轉速，需對高壓級渦輪機進行旁通放氣；隨著發動機轉速提升，高壓級渦輪機旁通量增加，釋放渦前壓力，渦前壓力和增壓壓力均在小幅范圍內變化。

3.2 轉矩提升特性

發動機中低速且相同轉矩工況下，2種二級增壓系統的增壓壓力均增大，發動機實際進氣量大幅提升，最大爆發壓力和渦前排溫相對于各自限值有一定裕度，因此在這些工況下允許噴射更多的燃油進行燃燒，發動機低速轉矩明顯提升。按照最大爆發壓力限值為17 MPa、渦前排溫限值為750 ℃進行控制，將2種二級增壓系統發動機性能與原機對比，如圖11所示。

由圖11a）可知：傳統可調二級增壓系統在發動機轉速不大于1 200 r/min時可提升發動機最大轉矩，提升幅度為7%～102%；單級/二級可調增壓系統在發動機轉速小于1 100 r/min時可以提升發動機轉矩，比原機轉矩提升14%～162%；發動機轉速為1 200 r/min時，由于受限于最大爆發壓力，單級/二級增壓系統必須切換為低壓級單級增壓模式，因此轉矩不能提升；在發動機轉速小于1 000 r/min時，相比傳統可調二級增壓系統，單級/二級可調增壓系統的轉矩提升能力更大，轉矩儲備可以進一步增加9%～30%。

由圖11b）可知：在轉矩提升過程中，得益于傳統二級增壓系統低壓級壓氣機及單級/二級可調增壓系統高壓級壓氣機匹配效率的提升，2種二級增壓系統在發動機轉速為1 000 r/min及以下的be比相同轉矩工況下的優勢進一步加大，傳統可調二級增壓系統比原機的燃油消耗率降低2～29 g/（kW·h），燃油經濟性提高0.9%～10.7%；單級/二級可調增壓系統比傳統可調二級增壓系統的be可以進一步降低2～21 g/（kW·h），燃油經濟性進一步提高0.8%～8.7%。

由圖11c）～g）可知：在低速轉矩提高的過程中，2種二級增壓系統的總增壓壓力和渦前壓力均大幅提升；缸內爆發壓力也均明顯升高，顯著高于原機系統；在較大的進氣流量下，渦前排溫相比原機仍然具有一定的優勢，但單級/二級增壓系統的渦前排溫高于傳統二級增壓系統； 發動機中高速工況下，2套增壓系統由于排溫和最大爆發壓力的限制，均難進一步提升發動機的轉矩和燃油性能，發動機燃油消耗率、空燃比、增壓壓力、渦前壓力和廢氣旁通比等性能對比結果與3.1節的結果基本一致。

4 結論

為改善某船用發動機中低速性能，提出和設計了單級/二級可調增壓系統，在中低速采用二級增壓，在中高速單級增壓。在增壓器性能最優匹配的前提下，對分別搭載此增壓系統、傳統可調二級增壓系統同一款發動機及原機增壓系統進行發動機一維熱力學仿真，并進行性能對比，得出以下結論。

1）在相同轉矩工況下，傳統可調二級增壓系統使發動機的燃油消耗率降低了5～12 g/（kW·h），燃油經濟性提高2.2%～4.8%；與傳統二級可調增壓系統相比，單級/二級可調增壓系統發動機的燃油消耗率降低0～4 g/（kW·h），燃油經濟性提高0～1.8%。

2）發動機大于1 400 r/min時，傳統可調增壓系統使發動機燃油經濟性相比較于原機降低約2.3%～4.6%；單級/二級可調系統采用單級增壓，發動機各項指標與原機基本一致。

3）相比傳統可調二級增壓系統，單級/二級可調增壓系統使發動機轉速不超過1 000 r/min時的轉矩提升能力更大，轉矩儲備可以進一步提高9%～30%。

4）在提升轉矩工況下，2種增壓系統均可使發動機低速工況的燃油經濟性得以改善，單級/二級可調增壓系統比傳統可調二級增壓系統的發動機燃油經濟性提高0.8%～8.7%。

5）與傳統可調二級增壓系統相比，單級/二級可調增壓系統對于注重中低速大轉矩和經濟性的發動機具有一定優勢，但高速運行狀態與單級增壓系統較為相近。

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Influence of a single-stage/two-stage adjustable turbocharging system on the performance under low-speed conditions of a marine engine

MA Chao1，2，3， LI Cheng3，4， WANG Xiaoli3，5， LIU Yongfang3，5，ZHANG Jianjian3，5， LI Guoxiang1，3*

1. School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China;

2. School of Machinery and Automation， Weifang University，Weifang 261061，China;

3. Key Laboratory of Turbocharging System of Mechanical Industry， Shouguang 262718，China;

4. Guangxi Yuchai Ship Electric Power Co.， Ltd.， Yulin 519175， China;

5. Kangyue Technology （Shandong） Co.， Ltd.， Shouguang 262718，China

Abstract：In order to improve the low-speed performance of marine engines with high power density， a single-stage/two-stage adjustable turbocharging system is proposed， and one-dimensional thermodynamic simulations are conducted to compare performances of the engine with different turbocharging systems. The results show that the traditional two-stage adjustable turbocharging system has obvious advantage in improving the engine performanceunder working conditions less than 1 200 r/min， and the fuel economy under the 1 400 r/min conditions deteriorate. The engine equipped with a single-stage/two-stage adjustable turbocharging system has better performance improvement than traditional two-stage adjustable turbocharging systems when the engine speed is less than 1 100 r/min. When the engine speed is greater than 1 200 r/min， the engine performance is basically the same as that of a single stage turbocharging system engine.Compared with traditional two-stage adjustable turbocharging system engine， single-stage/two-stage adjustable turbocharging system engine has greater potential for improving low-speed torque.When the engine speed is less than 1 100 r/min， compared to traditional two-stage turbocharging systems， engine equipped with single/two-stage adjustable turbocharging systems has a torque reserve increase of 9% to 30%.

Keywords： two-stage turbocharging; single-stage/two-stage adjustable turbocharging; low-speed torque; fuel economy

（責任編輯：劉麗君）

收稿日期：2023-05-25

基金項目：濰坊市科技發展計劃項目（2021GX011）

第一作者簡介：馬超（1985—），男，安徽淮南人，副教授，工學博士，主要研究方向為內燃機先進增壓技術，E-mail： iammach@163.com。

*通信作者簡介：李國祥（1965—），男，山東蓬萊人，工學博士，教授，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制、整機開發及可靠性、新能源汽車等，E-mail：liguox@sdu.edu.cn。