王銀燕，楊傳雷，張鵬奇，崔欣潔

(1.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司技術(shù)開發(fā)部，黑龍江哈爾濱150060)

相繼增壓技術(shù)是改善增壓柴油機(jī)低工況性能的有效措施［1-2］.它的基本原理是采用多個小型渦輪增壓器，隨柴油機(jī)工況的提高，相繼按次序地投入運行，改變了常規(guī)串聯(lián)增壓系統(tǒng)在低工況時由于排氣量減少使渦輪轉(zhuǎn)速下降，增壓壓力不足，柴油機(jī)得不到要求扭矩所需要的空氣量，從而出現(xiàn)燃燒惡化、功率下降的現(xiàn)象［3-4］.在標(biāo)定工況下，柴油機(jī)的每臺增壓器都在高效率區(qū)工作，在低工況時，減少投入使用的渦輪增壓器數(shù)量，使得投入使用的增壓器仍然工作在高效率區(qū)，增加了氣缸的進(jìn)氣量，從而改善了柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性［5］.增加或減少投入使用的增壓器數(shù)量的過程，即切換過程，是通過控制相應(yīng)的燃?xì)忾y和空氣閥來實現(xiàn)的［6］.在切換過程中，由于增壓器轉(zhuǎn)動慣量以及氣體流動慣性等因素的影響，空氣閥必須遲于燃?xì)忾y打開，以防止該瞬態(tài)過程中壓氣機(jī)喘振現(xiàn)象的發(fā)生［7］.因此，在相繼增壓控制系統(tǒng)中，切換延遲時間是重要的控制參數(shù)［8］.為了確定RR151型和J120型增壓器構(gòu)成的大小渦輪相繼增壓控制系統(tǒng)的切換延遲參數(shù)，本文利用相繼增壓熱動力試驗臺進(jìn)行了相繼增壓動態(tài)切換試驗.

1 試驗臺和試驗方案

試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由2臺燃燒器、3臺渦輪增壓器、穩(wěn)壓箱、大功率壓縮機(jī)組、空氣壓縮機(jī)、相關(guān)管路以及各種控制閥構(gòu)成［9］.試驗臺可以在外循環(huán)或自循環(huán)狀態(tài)下工作，外循環(huán)時，燃燒器壓縮空氣由大功率壓縮機(jī)組SB2提供，自循環(huán)時，由鼓風(fēng)機(jī)SB1提供啟動壓縮空氣.其中增壓器TC1和TC3為J120型，TC2為RR151型，燃燒器和增壓器相關(guān)性能參數(shù)如表1、2所示.

圖1 相繼增壓熱動力試驗臺結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic chart of sequential turbocharging thermal power test bench

試驗過程中，由鼓風(fēng)機(jī)SB1為燃燒器提供壓縮空氣，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馐箿u輪增壓器TC3處于工作狀態(tài).設(shè)定燃燒器噴油壓力在1.2 MPa(噴油量為50 g/s)，進(jìn)氣閥開度為65%，控制自循環(huán)閥V9、進(jìn)氣閥V8、旁通閥V1和節(jié)流閥V3使熱動力系統(tǒng)進(jìn)入自循環(huán)狀態(tài).待系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定后，調(diào)整噴油壓力為1.45 MPa，進(jìn)氣閥開度為85%，使系統(tǒng)達(dá)到相繼增壓切換點.在不同的切換延遲時間下，進(jìn)行增壓器TC2的切入操作，并利用高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備對切換過程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行紀(jì)錄.增壓器TC2的切入切出操作是通過控制氣動閥V16和V17實現(xiàn)的，其中燃?xì)忾yV17為高溫閥.本文定義切換延遲時間參數(shù)為燃?xì)忾y與空氣閥完全開啟之間的時間差.

表1 燃燒器性能參數(shù)Table 1 Specifications of the combustor

表2 渦輪增壓器性能參數(shù)Table 2 Specifications of the turbocharger

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 RR151作為基本增壓器

相繼增壓系統(tǒng)在增壓器切入過程中，首先打開燃?xì)忾y使得渦輪具有一定轉(zhuǎn)速，然后再開啟空氣閥，然而，由于受控制閥體特性、控制空氣壓力不同的影響而導(dǎo)致控制閥的開啟動態(tài)過程和開啟總時間有所差異.經(jīng)閥體測試可知，控制閥工作在0.7 MPa時，燃?xì)忾y開啟總時間為1.5 s，空氣閥為1.0 s.當(dāng)控制空氣壓力在 0.4 MPa時，閥體開啟時間將增長 0.2 s.

圖2為RR151型增壓器作為基本增壓器，切換延遲為0.5 s時壓氣機(jī)出口壓力曲線.圖中曲線1表示基本增壓器壓氣機(jī)出口壓力曲線，曲線2表示受控增壓器壓氣機(jī)出口壓力曲線，T2為燃?xì)忾y完全開啟時刻，T4為空氣閥完全開啟時刻，“DT”表示延遲時間.從圖3可以看出，在燃?xì)忾y完全開啟之前，基本增壓器壓氣機(jī)出口壓力存在下降的趨勢，受控增壓器壓氣機(jī)出口壓力已經(jīng)開始上升，完全開啟后仍然繼續(xù)上升，但是仍然遠(yuǎn)低于穩(wěn)壓箱壓力.此時，空氣閥已經(jīng)接近完全開啟，由于上述壓力差使得穩(wěn)壓箱氣體倒流至受控壓氣機(jī)出口，使壓力出現(xiàn)驟然上升現(xiàn)象，如圖2中“s1”段所示.倒流現(xiàn)象將嚴(yán)重影響相繼增壓系統(tǒng)切換平穩(wěn)性，阻礙渦輪增壓器正常工作，應(yīng)嚴(yán)格禁止.

圖2 延遲時間為0.5 s的壓氣機(jī)出口壓力變化曲線Fig.1 Compressor outlet pressure curves at delay time 0.5 s

圖3 延遲時間為1.2 s的壓氣機(jī)出口壓力變化曲線Fig.3 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.2 s

為了避免受控增壓器的倒流現(xiàn)象，應(yīng)該適當(dāng)增加切換延遲時間，使受控壓氣機(jī)出口壓力接近穩(wěn)壓箱壓力(基本增壓器壓氣機(jī)出口壓力)時打開空氣閥，將提高相繼增壓切入過程的平穩(wěn)性.圖3、4分別為切換延遲在1.2 s和1.9 s時的切換過程動態(tài)變化曲線.從圖中可以看出，在燃?xì)忾y未完全開啟時，基本增壓器壓氣機(jī)出口壓力也存在下降趨勢，并且受控增壓器壓氣機(jī)出口壓力隨著燃?xì)忾y開度的增加，壓力平穩(wěn)上升，沒有出現(xiàn)急劇上升現(xiàn)象，壓力接近穩(wěn)壓箱壓力時，空氣閥完全打開，穩(wěn)壓箱壓力平穩(wěn)上升至新的平衡點，切換過程平穩(wěn)過渡.

圖4 延遲時間為1.9 s的壓氣機(jī)出口壓力變化曲線Fig.4 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.9 s

當(dāng)DT=2.2 s時，隨著燃?xì)忾y的打開，基本增壓器壓氣機(jī)出口壓力下降，受控增壓器壓氣機(jī)出口壓力上升，當(dāng)壓力接近甚至超過穩(wěn)壓箱壓力時，空氣閥仍未打開，壓氣機(jī)開始出現(xiàn)喘振跡象并發(fā)生嚴(yán)重喘振，如圖5所示.切換延遲時間設(shè)置過長，將會使受控增壓器在高速狀態(tài)下出現(xiàn)零流量，導(dǎo)致壓氣機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重喘振，隨著空氣閥的完全打開，喘振現(xiàn)象消失，切換過程不平穩(wěn).

圖5 延遲時間為2.2 s的壓氣機(jī)出口壓力變化曲線Fig.5 Compressor outlet pressure curves at delay time 2.2 s

由上述分析可知，以RR151增壓器作為基本增壓器時，在切入J120增壓器時，切換延遲時間設(shè)置在1.2 ～1.9 s較為合適.

2.2 J120作為基本增壓器

將J120渦輪增壓器作為基本增壓器，RR151增壓器作為受控增壓器，在不同的延遲時間下進(jìn)行了切換試驗，圖6所示為延遲時間為0.1 s時的參數(shù)變化曲線.從圖中可以看出，燃?xì)忾y和空氣閥幾乎同時打開，受控增壓器壓氣機(jī)出口尚未建立壓力，而基本增壓器壓氣機(jī)出口壓力幾乎未下降，兩者之間有較大的壓力差，造成了受控增壓器的嚴(yán)重倒流，延遲時間設(shè)置太短，切換過程不平穩(wěn).

圖6 延遲時間為0.1 s時的切換過程變化曲線Fig.5 Compressor outlet pressure curves at delay time 0.1 s

圖7 延遲時間為1.5 s時的切換過程變化曲線Fig.7 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.5 s

圖7為延遲時間為1.5 s的參數(shù)變化曲線.從圖中可以看出，隨著燃?xì)忾y的開啟，基本增壓器壓氣機(jī)出口壓力同樣存在下降趨勢，受控增壓器壓氣機(jī)出口壓力在燃?xì)忾y完全打開之前也開始上升，但是開始上升的時刻較RR151為基本增壓器時要遲一些，這是因為受控增壓器RR151的轉(zhuǎn)動慣量較J120要大，轉(zhuǎn)速和壓力上升都較慢造成的.空氣閥完全開啟時，基本增壓器壓氣機(jī)出口壓力仍然比受控壓氣機(jī)出口壓力大，該壓力差將造成空氣閥附近小區(qū)域范圍內(nèi)的氣體倒流，但不會影響到壓氣機(jī)內(nèi)部的流動，待受控增壓器壓氣機(jī)中氣體流動方向穩(wěn)定后，壓力穩(wěn)定上升至新平衡點，切換過程比較平穩(wěn).

圖8 延遲時間為1.8 s時的切換過程變化曲線Fig.8 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.8 s

圖9 延遲時間為2.1 s時的切換過程變化曲線Fig.9 Compressor outlet pressure curves at delay time 2.1 s

將延遲時間增加至1.8 s，參數(shù)變化如圖8所示.從圖中可以看出，隨著燃?xì)忾y的打開，基本增壓器壓氣機(jī)出口壓力線性下降，受控增壓器壓氣機(jī)出口壓力線性上升，在T4時刻前，受控增壓器壓氣機(jī)出現(xiàn)輕微的喘振跡象，但是，在到達(dá)T4時刻時，兩者壓力恰好相等，2股氣流平穩(wěn)地流向穩(wěn)壓箱，切換過程非常平穩(wěn).同樣，延遲時間過長，也將引起受控增壓器壓氣機(jī)發(fā)生喘振，如圖9所示.當(dāng)DT=2.1 s時，由于空氣閥未及時打開，在兩者壓力相等時，導(dǎo)致受控增壓器壓氣機(jī)經(jīng)歷了2個喘振周期，切換過程不平穩(wěn).

綜上分析，在RR151增壓器和J120增壓器構(gòu)成的大小渦輪相繼增壓系統(tǒng)中，將J120增壓器作為基本增壓器時，切入RR151增壓器時，合理的切換延遲應(yīng)設(shè)置在 1.5～1.8s.

3 結(jié)論

通過對RR151和J120增壓器構(gòu)成的大小渦輪相繼增壓系統(tǒng)的切換試驗數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論:

1)利用燃燒器代替柴油機(jī)作為動力源可以較好地完成相繼增壓系統(tǒng)的切換試驗，具有可靠性高，成本低等優(yōu)點，給相繼增壓技術(shù)的深入研究提供了新思路.

2)在相繼增壓系統(tǒng)的切換過程中，切換延遲參數(shù)對切換過程的平穩(wěn)性影響較大，是其控制系統(tǒng)的重要參數(shù).切換延遲過小將引起受控增壓器倒流，影響增壓系統(tǒng)性能，阻礙渦輪增壓器正常工作;切換延遲過大將導(dǎo)致受控增壓器壓氣機(jī)發(fā)生嚴(yán)重喘振.

3)控制閥的動態(tài)特性是影響系統(tǒng)瞬態(tài)特性的重要因素，合理解釋了控制閥未完全開啟時壓氣機(jī)出口壓力的變化情況，為控制參數(shù)的確定提供了理論支持.

4)在大小渦輪相繼增壓系統(tǒng)中，大增壓器作為基本增壓器時，切換延遲參數(shù)的設(shè)置裕度較大.初步確定了該型相繼增壓系統(tǒng)的切換延遲時間范圍，為同類型相繼增壓系統(tǒng)在其它柴油機(jī)型上的應(yīng)用提供了參考.

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