高背压柴油机涡轮增压器匹配设计试验.pdf

第 45 卷（2023）第 3 期Vol.45（2023）No.3柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2023.03.008高背压柴油机涡轮增压器匹配设计试验戎志祥1，2，宋大为1，2，朱奎1，2，李静芬1，2（1.上海船用柴油机研究所，上海 200090；2.船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心，上海 201108）摘要：利用GT-POWER软件建立柴油机原机的一维性能仿真模型，基于标定后的模型修改涡轮喷嘴环直径，在高背压条件下进行涡轮和压气机初步选型，根据选型结果开展不同涡轮和压气机组合下的性能优化匹配试验。结果表明：EF06涡轮与HF11压气机的组合在典型排气背压工况下最大可持续功率可达1 665 kW，所对应的喘振裕度不低于15%。该结果证明了涡轮增压器匹配仿真及试验方法的正确性和有效性。关键词：柴油机；增压器；排气背压；匹配中图分类号：TK421+.8文献标志码：A文章编号：1001-4357（2023）03-0049-07Tests on Matching Design of High Back Pressure Diesel Engine TurbochargerRONG Zhixiang1，2，SONG Dawei1，2，ZHU Kui1，2，LI Jingfen1，2（1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 200090，China；2.National Engineering Research Center of Special Equipment and Power System for Ship and Marine Engineering，Shanghai 201108，China）Abstract：GT-POWER software was used to establish a one-dimensional performance simulation model of the original diesel engine.The diameter of turbine nozzle ring was modified based on the calibrated model and the preliminary selection of turbine and compressor under high back pressure was carried out.The performance optimization and matching tests using different turbine and compressor combinations were carried out according to the selection results.The results show that the maximum sustainable power with the EF06 turbine and HF11 compressor can reach 1 665 kW under typical exhaust back pressure conditions，and the corresponding surge margin is no less than 15%，which proves the correctness and effectiveness of the turbocharger matching simulation and test method.Key words：diesel engine；turbocharger；exhaust back pressure；matching0引言废气涡轮增压技术一直是高强化柴油机发展的重点方向之一。目前中高功率等级的柴油机大都采用涡轮增压的型式，增压器与柴油机的良好匹配是保障柴油机动力性、经济性与排放特性的关键。在特定工况下进行增压器的选型及匹配，可在较窄的流量和增压压比范围内获得较高的增压器效率，当增压器工作在远离匹配运行点的工况时，柴油机热效率会下降，功率、转矩及排放指标无法满足要求，严重时甚至会出现超速或喘振的现象。性能与排放收稿日期：2022-08-13；修回日期：2022-08-29基金项目：船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心资助项目第 45 卷第 3 期 50 柴 油 机随着计算机仿真技术在柴油机研发领域的广泛应用，增压器的匹配从早期的基于理论分析与试验验证1-2转向性能仿真与试验相结合的方式，显著缩减了研发周期与试验成本3-4。国内研究机构在背压柴油机增压匹配技术方面做了大量的工作。河柴重工的张弛等5采用AVL-BOOST软件构建某高背压柴油机模型，进行增压器的匹配研究，并开展试验验证。七一一所的黄伟等6基于GT-POWER软件搭建某高增压柴油机一维仿真模型，计算分析不同排气背压下的柴油机性能，利用计算结果配合试验，分析在排气背压高且波动大工况下压气机和涡轮的匹配。上海交通大学的梁辰7建立某16缸高背压柴油机的仿真模型，研究在高背压环境下涡轮增压器参数、气门正时、压缩比、配气系统型式对柴油机稳态性能的影响。国外学者也在背压柴油机增压匹配领域进行了深入的研究。SHINGNE等8对某增压发动机在不同转速下的工况进行模拟，分析在单级增压与二级增压策略下发动机的外特性，结果表明泵气损失的增加是由均质充量压燃工况排气背压过高导 致 的，须 匹 配 较 小 截 面 流 通 面 积 的 涡 轮。RAKOPOULOS等9在线性准静态柴油机性能计算的代码中引入增压系统瞬态响应模型，研究增压器惯量、调速器控制参数以及发动机负荷等对压气机喘振的影响规律，并应用于船舶柴油机增压器的匹配设计。当前国内外相关研究主要针对增压器匹配仿真和性能试验，未开展详细的试验匹配和优化研究。本文基于高背压柴油机稳态特性的试验数据，利用GT-POWER软件建立一维性能仿真模型，对涡轮增压器进行初步选型，最终依据匹配试验获得的柴油机外特性结果，筛选出满足最高燃烧压力和涡轮前排气温度指标的涡轮与压气机最优组合。1柴油机仿真模型的建立柴油机主要技术参数及要求见表 1。在 GT-POWER软件中分别建立气缸、曲轴箱、增压器、进排气管路、进排气阀及中冷器等部件的仿真模型，将上述模型按柴油机结构连接，并设置相应的参数。柴油机一维性能仿真模型如图1所示。为提高模型的仿真精度和可信度，对仿真模型进行标定。利用试验数据对仿真模型在 1.24、1.34、1.44、1.54和1.64倍常规背压条件下的稳态仿真结果进行对比分析，取标准工况功率点下的涡前排温、有效燃油消耗率、最高燃烧压力等的仿真结果和试验数据进行对比，如图2所示。表1柴油机主要技术参数及要求项目气缸数气缸直径行程/（mmmm）额定转速/（rmin-1）额定功率/kW压缩比最高燃烧压力/MPa涡轮前排气温度/增压器转速/（rmin-1）喘振裕度/%参数161702101 8002 280141862053 00015图1柴油机一维性能仿真模型2023 年 5 月 51 戎志祥等：高背压柴油机涡轮增压器匹配设计试验由图 2可知，最大误差点为 1.44倍常规背压下的涡前排温值误差仅为 4.48%，其余工况下的各参数误差均小于此值。由以上对比分析可知，仿真结果能较好地与试验结果保持一致，仿真模型可用于进一步的研究分析。2增压器初步选型分析柴油机与增压器之间存在气动关系。柴油机是一种往复式机械，而涡轮增压器是叶片机械，二者因工作特性的差异导致匹配较为复杂。增压器匹配通过合理选择涡轮和压气机，使柴油机在标定工况下达到预期的增压压力及空气流量，同时具有足够的过量空气系数，满足涡轮前排气温度不超过限定值，保证气缸热负荷不超标，且在整个工作范围内增压器不发生喘振与阻塞。在标定模型的基础上，利用软件中的简易涡轮与压气机模块替换模型中对应的模块，初步确定涡轮和压气机的关键参数，利用这些参数进行初步选型。在简易涡轮模块中须设定的参数主要是涡轮喷嘴环直径和涡轮效率等。将涡轮喷嘴环直径设为变量，在预估阶段将涡轮效率设置为0.8。在稳态计算时，简易压气机模块须设置的主要参数包括压气机效率和输入功率，在初步选型中设置压气机效率为0.73，压气机功率由涡轮端输出功率给定。经过对相关参数预估简化后，须确定的参数只剩下涡轮喷嘴环的直径。该柴油机在排气背压为1090 kPa的工况条件下工作，排气背压值为相对压力。在上述范围内顺序选择15、35、65、85 kPa等4种背压工况，分别称为工况1、工况2、工况3和工况4。将功率恢复至不低于1 500 kW进行增压器初步选型。不同喷嘴环直径对应的柴油机主要性能参数如图3图5所示。涡轮喷嘴环直径增大后，流通截面积增大，废气流经喷嘴时的压能转换为动能的部分减少，增压器转速下降，增压压比降低。如图3和图4所示，增压压比的降低会导致过量空气系数下降，燃烧恶化，缸内最高燃烧压力下降，同时燃烧不完全的混合气进入排气管中，导致涡轮前排气温度升高。如图 5所示，随着涡轮喷嘴环直径的增加，各典型背压工况下的有效燃油消耗率均呈现先减小后增大的趋势，其最低值随着排气背压的增大而上升。图2不同背压的试验值与仿真值对比图3最高燃烧压力随喷嘴环直径的变化规律图4涡轮前排气温度随喷嘴环直径的变化规律图5有效燃油消耗率随喷嘴环直径的变化规律第 45 卷第 3 期 52 柴 油 机初选涡轮增压器的方案时，考虑柴油机的主要运行工况（工况3），同时兼顾其他工况。由图5可知，工况3在涡轮喷嘴环直径为6065 mm时对应的有效燃油消耗率最低，此时工况2、工况4的有效燃油消耗率也较低。对比图3和图4中工况1和工况4可知，当涡轮喷嘴环直径为61 mm时工况1对应的最高燃烧压力为17.58 MPa，当涡轮喷嘴环直径为57 mm时工况4对应的涡轮前排气温度为619.2，均接近限值。为了兼顾机械强度指标与热负荷指标的要求，选择直径为60 mm的喷嘴环作为初选方案，结合涡轮产品型谱选择3种不同型号的涡轮，此时工况2、工况3的增压器压比分别为3.58、3.16，流量分别为1.72 kg/s和1.52 kg/s。依据以上参数对涡轮和压气机进行初选，涡轮和压气机的初选结果如表2所示。3增压器初步选型分析研究在初步确定合适的涡轮和压气机后，对两者的组合开展增压器的匹配设计试验。以典型工况的性能为主要优化目标提升柴油机功率恢复的能力。3.1最大功率试验针对不同的匹配方案，以最高燃烧压力、涡轮前排气温度及增压器转速为限制，试验得到在不同排气背压下柴油机的最大可持续功率。首先分析涡轮喷嘴环直径对柴油机最大可持续功率的影响。图6为7号压气机在满足表1要求的情况下匹配不同喷嘴直径涡轮的试验结果。在 1070 kPa 背压范围内，除原机涡轮外，各涡轮所能达到的最大功率均持续上升。与原机的做功能力相比，当背压超过30 kPa后，在各匹配方案中柴油机的做功能力明显优于原机。随着喷嘴环流通面积的增大，柴油机在低背压下做功能力上升且最大可持续功率的峰值增加，但在高背压下功率的恢复能力显著下降。通过试验得到有效燃油消耗率及增压器效率随排气背压的影响规律，如图7和图8所示。表2涡轮和压气机的初选方案设备名称涡轮压气机项目喷嘴环直径/mm叶片数量/个叶轮直径/mm扩压器喉口角度/（）扩压器喉口直径/mm型号EF05EF06EF07HF07HF11HF12HF07HF11HF12HF07HF11HF12HF07HF11HF12参数56.559.762.8118821020020022.7022.7024.9531.8031.8034.08图6不同涡轮喷嘴环直径的最大可持续功率（7号压气机）图7不同涡轮喷嘴环直径下的有效燃油消耗率图8不同涡轮喷嘴环直径下的增压器效率2023 年 5 月 53 戎志祥等：高背压柴油机涡轮增压器匹配设计试验由图7可知：6号、7号涡轮在背压小于70 kPa的工况下所对应的有效燃油消耗率差异很小，但在高背压下6号涡轮的经济性优于7号涡轮；5号涡轮虽然能推迟有效燃油消耗率随排气背压增大而显著上升的拐点，但在1070 kPa背压工况下，燃油经济性较差。综上，兼顾在高低背压下柴油机的动力性与燃油经济性，匹配6号涡轮最佳。图9和图10分别为11号、12号压气机在满足表 1要求的情况下匹配不同喷嘴直径涡轮的试验结果。如图9所示：11号压气机在070 kPa排气背压工况下，涡轮喷嘴环直径越大，柴油机能达到的最大可持续功率越大，但排气背压大于 70 kPa的工况则呈现相反的规律；5 号与 7 号涡轮难以兼顾在背压偏低和偏高的工况下柴油机的功率均大于1 500 kW的要求。由图10可知，11号、12号压气机扩压器喉口角度与直径的不同对最大可持续功率的影响较小，不同压气机对应的柴油机最大可持续功率随排气背压的变化规律一致。图 11为 6号涡轮匹配不同压气机型号时柴油机的最大可持续功率随排气背压变化的试验结果。由图11可知：当背压小于70 kPa时，叶轮直径的增大使进气流量增加，燃烧状况改善，柴油机最大可持续功率增大。7号压气机的性能略优于11号、12号压气机。当背压大于70 kPa时，因背压增加会导致涡轮膨胀比减小、做功能力降低、增压压比降低等，此时压气机特性曲线会随着叶轮直径的增大向大流量方向移动，增压器效率下降，最大可持续功率也随之减小。7号压气机对应的功率显著下降，而11号、12号压气机对应的结果几乎一致。通过涡轮增压器的优化匹配，相较于7号压气机，11号、12号压气机在较高背压工况下性能明显提升，在较低背压工况下性能略有降低，与涡轮增压器的匹配目标相一致，即在保证排气背压为3070 kPa时柴油机的可持续功率均超过1 500 kW的基础上，允许在略损失低背压性能的基础上较大程度提高高背压工况下的柴油机性能。3.2定功率试验最大功率试验结果表明6号涡轮能够同时兼顾特殊柴油机在整个典型背压工况下的动力性能，而11号、12号压气机对柴油机最大可持续功率的影响差异很小，须通过定功率试验进一步分析，以匹配最佳的压气机。在功率为1 500 kW条件下开展不同排气背压的涡轮增压器定功率试验，对柴油机匹配不同压气机的性能进行对比。图12和图13分别为在不同压气机型号下柴油机的有效燃油消耗率与涡轮前排气温度随排气背压变化的试验结果。图9不同涡轮喷嘴环直径的最大可持续功率（11号压气机）图10不同涡轮喷嘴环直径的最大可持续功率（12号压气机）图11不同压气机型号的最大可持续功率第 45 卷第 3 期 54 柴 油 机由图12可知，在各背压下11号压气机的有效燃油消耗率均最高。这是因为随着压气机叶轮直径与扩压器喉口直径的减小，流通面积减少，柴油机的热效率下降，在相同条件下有效燃油消耗率上升。如图13所示，对于7号压气机而言，虽然在低背压下燃油经济性得到一定改善，但由于进气量的增加导致每循环的可燃混合气质量增加，排气阶段废气的焓值增加，在高背压条件下排气不畅会导致涡轮前排气温度超过限值。图 14（a）、图 14（b）分别为 11号、12号压气机的工况点在工作特性曲线上的分布，并由此计算出喘振裕度。由图14可知，在相同增压压比下，由各背压下的压气机体积流量与工作边界的比值计算可知，11 号压气机各背压下的喘振裕度均不低于 15%，而12号压气机的喘振裕度为10%左右。前者虽然损失一部分压能，但对于该高背压柴油机而言，须在满足动力性能指标要求的前提下兼顾运行的稳定性，因此选择6号涡轮与11号压气机匹配效果最佳。在排气背压为工况 3（背压为 65 kPa）时，重新匹配增压器后，最大可持续功率可提升至 1 665 kW，在高背压下动力性能有明显改善，达到预期的优化目标。4结论（1）一维仿真结果表明特殊柴油机在典型背压工况下对应的最高燃烧压力随涡轮喷嘴环直径的增加而下降，涡轮前排气温度则呈现相反的趋势。有效燃油消耗率的极小值对应的涡轮喷嘴环直径随排气背压的增加而逐渐减小。（2）在初选方案中6号涡轮兼顾柴油机在典型背压工况下的动力性与燃油经济性，在排气背压为工况3（背压为65 kPa）时，匹配11号压气机与6号涡轮后的最大可持续功率可提升至1 665 kW，所对应的喘振裕度不低于 15%，增压器匹配仿真及试验方法的正确性和有效性得到验证。图12不同压气机、相同功率下柴油机的有效燃油消耗率图13不同压气机、相同功率下柴油机的涡轮前排气温度图14不同压气机相同功率下柴油机的有效燃油消耗率2023 年 5 月 55 戎志祥等：高背压柴油机涡轮增压器匹配设计试验参考文献1 苏美传.K48E柴油机与涡轮增压器的匹配计算、试验与分析 J.舰船科学技术，1983（6）：27-36.2 景国辉.提升大背压柴油机功率的增压系统研究J.柴油机，2010，32（2）：34-37.3 班效金.某发动机涡轮增压器的匹配研究 D.长沙：湖南大学，2014.4 戎志祥，江嘉堃，陆鹏，等.废气旁通式涡轮增压系统在特殊柴油机中的应用分析J.舰船科学技术，2022，44（1）：114-118.5 张弛，钱程，董飞莹，等.基于 AVL-BOOST某型高背压增压器匹配研究 J.机电设备，2019，36（6）：12-18.6 黄伟，李静芬，朱奎，等.特殊背压下高增压柴油机增压器匹配性能研究J.柴油机，2016，38（2）：5-10.7 梁辰.高背压环境下涡轮增压柴油机的性能模拟D.上海：上海交通大学，2013.8 SHINGNE P，ASSAINS D N，BABAJIMOPOULOS A，et al.Turbocharger matching for a 4-cylinder gasoline HCCI engine using a 1D engine simulationC/SAE Technical Papers，2010：2010-01-2143.DOI：10.4271/2010-01-2143.9 RAKOPOULOS C D，MICHOS C 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