天然气发动机的涡轮增压器喘振研究

李朝阳，陆静安

（1.上海交通大学，上海200240；2.上海柴油机股份有限公司，上海200438）

天然气发动机的涡轮增压器喘振研究

李朝阳1，陆静安2

（1.上海交通大学，上海200240；2.上海柴油机股份有限公司，上海200438）

介绍了天然气发动机的进气特点及工况，分析了增压器与发动机的匹配特点及发生喘振的原因。并对不同的增压器喘振控制调节措施进行分析比较。

天然气发动机增压器喘振压气机

1 前言

对于电控天然气发动机，燃料与进气量成一定比例；先通过计算空气的进气量，然后按照标定比例决定燃料的供给量。为提升发动机功率，需增加进空气量，从而增加燃料供给量。涡轮增压是利用发动机排出的废气能量驱动涡轮，再由涡轮带动离心式压气机对空气进行增压，回收利用了发动机一部分废气能量，来实现发动机气缸内进气密度的提升。因此对天然气发动机增压器的适当匹配可以使发动机的功率、经济性等各项性能指标得到明显的提高。

为实现上述控制，天然气发动机采用电控技术，利用传感器采集发动机转速、相位、进气压力（负荷）、燃气压力等数据，通过控制单元分析处理，实现对天然气发动机空燃比控制、点火控制、调速控制、增压控制等功能。

2 增压器与发动机匹配

2.1 天然气发动机的进排气特点

天然气发动机的负荷调节通过调节进入发动机的空气量进行，而进气量的控制靠调整节气门开度和增压压力。节气门可以迅速打开和关闭，但增压压力因为取决于增压器涡轮的转速，故反应相对滞后。

对于匹配天然气发动机的工作机械，瞬态情况下：发动机工况从高负荷向低负荷过渡时，依靠节气门的强制关闭来减少进入发动机的空气流量。发动机突加负荷时，不仅需要打开节气门，还需要足够的废气能量来提升增压压力。以上2种情况均会造成空气流量在短时间内急剧变化。所以天然气发动机空气消耗量的变化范围大于同等排量的柴油机。

2.2 增压器选型

目前，涡轮增压器已经形成系列化和通用化，且相邻系列的流量范围有一定程度的重叠。因此在天然气发动机的增压器匹配中，通过确定发动机压比，流量，排温等即可以确定增压器的大致型号。

2.2.1 增压器试验对比

在满足基本性能要求的情况下，采取对多个增

压器试验对比的方式，得出匹配不同增压器的发动机性能，从而优选出合适的增压器。通过试验结果，也能提出进一步的改进方向。

来稿日期：2012-07-28

在图1中，通过对同一台发动机匹配2种不同增压器的万有特性比较发现：匹配B增压器的发动机有着较好的低速扭矩，且低燃料消耗区令人满意，是比较理想的优选方案。在发动机与车辆的匹配中，还可以将根据实际路况或排放法规中的ETC循环工况点进一步叠加到该图上，从而选出适应于不同需求的天然气发动机增压器匹配方案。

图1 不同增压器的万有特性比较

2.2.2 匹配的调整与优化

如果发动机和增压器的匹配情况不佳，就要对发动机与增压器的匹配进行调整。根据实际经验，问题一般集中于低速和瞬态性能。

如前所述，天然气发动机功率决定于进气量。为了保证发动机的低速扭矩，需提升发动机低速压比，倾向于选配较小的涡轮，增加涡轮调节装置，并由发动机控制单元调节控制。

涡轮增压时，发动机和增压器之间仅存在气动联系。发动机接收到加速指令后，并不能马上大量增加燃料供给，而是必须依靠废气能量提升增压器转速，建立增压压力后才能实现动力的提升，这就存在一定的加速延迟。当匹配中冷器的时候更是如此。对于加速性要求比较高的车用天然气发动机或者负荷突变的电站用天然气发动机，一般在低负荷运行时会储备一定的增压压力，维持涡轮的高转速并通过节气门限制空气的供给，以备需要时可以迅速供给发动机。这将使压气机长时间在小流量高压比区工作，增加了喘振的可能。

图2为一款电站用天然气发动机突加负荷时增压器的压气机曲线：原始匹配中从C点到A点，增压器涡轮转速需要大幅提升，耗时较长；调整后由B点到A点所需时间较短，从而提高了天然气发动机的瞬态响应性能。

图2 电站天然气发动机突加负荷

3 喘振原因分析

离心式压气机在一定转速下，当流量减小到一定程度时压气机工作出现了不稳定动情况，进入所谓喘振边界。压气机的喘振不仅影响增压器本身的可靠性，也对发动机性能产生不利影响。产生压气机喘振的原因有多种，本文仅从天然气发动机和增压器的匹配方面出发，结合天然气发动机自身特性，对喘振原因进行初步分析。

3.1 发动机耗气特性与压气机不匹配

在发动机与增压器的匹配中，发动机的工作特性线应穿过压气机的高效率区。通过第2节中介绍的增压器选型或其他匹配方法，一般能够保证压气机高效率区得到有效利用。但在现实中，天然气发动机为了追求更大的低速扭矩及瞬态加速性，往往容易使发动机的耗气特性线离压气机喘振线太近，甚至相交（如图2），致使发动机和增压器在联合工作时就很容易出现喘振。对于天然气发动机，因为自身空气流量范围较柴油机宽，更需关注其小流量高压比区的工作情况。

一般而言，发动机的耗气特性线需离开压气机喘振线一定的距离，保持所谓的喘振裕度（如图3

所示）。

图3 天然气发动机耗气特性

3.2 发动机工作环境变化

如前所述：为了使发动机在低速时能满足增压压力的要求，需要选择较小的增压器，而在高速时，需要较大的排气旁通量。为了发动机的适应性，发动机通过电子调节装置保证不同环境条件下输出相同的功率，与柴油发动机增加燃料供给不同，天然气发动机一般通过调节节气门开度和涡轮能量进行，这也使发动机的耗气特性有所变化。

如图4所示，在高海拔地区，天然气发动机为保持与平原同等功率，通过提高增压器压比来保持足够的空气量，造成工作曲线向上平移。如果原始匹配中增压器的压气机喘振裕量较小，在高原联合工作时就很可能发生压气机喘振现象。

与之类似，空滤器阻力变大，进气或中冷后温度过高也有相似的影响：发动机工况点在压气机的特性曲线上向上或向左平移。这都会使发动机发生喘振的可能性增加。

3.3 发动机工况突变

通过大量的匹配试验和整车标定，可以保证稳态工况时发动机耗气特性和压气机特性匹配良好。但瞬态情况下当发动机工况从高负荷向低负荷过渡时，如制动、换档、急减速等，节气门会瞬间关闭，引起压气机出口压力瞬时增加，同时空气流量急剧下降，喘振极有可能发生。对于其他发动机而言，由于喘振时间短，不会产生严重后果。但对于工况经常突变的天然气发动机（如匹配工程机械的全程调速天然气发动机），此种喘振会有较大影响。这种情况在城市公交中表现也比较明显。

图4 发动机典型特性曲线的不同海拔比较

图5 天然气发动机瞬态工况下压气机运行曲线

图5 所示为车辆运行中的典型减速曲线。在驾驶人员松开油门的情况下，增压器转速缓慢下降，

但由于节气门关闭导致进气流量急剧减小，使增压器运行点越过喘振边界。事实上由于节气门关闭，部分气体动能转化为压力能后还会造成压力瞬间升高。

4 喘振预防措施比较

4.1 压气机流量范围拓宽

为保持较高的压气机效率，同时拓宽其流量范围，人们提出了各种技术措施。目前广泛应用的MWE装置，如导风轮再循环旁通等，已经证明可以有效拓宽压气机的流量范围，尤其可增加发动机增压器联合工作的喘振裕量，见图6。

图6 MWE装置对压气机流量的影响

实践证明，以上方式可以有效扩大压气机的流量范围，使发动机和增压器联合工作时保持较大的喘振裕度，也使增压器和发动机匹配时的适用范围有所增加。但以上措施并不能解决天然气发动机工况突变引起的喘振问题。

4.2 优化标定避开喘振点

对于电控天然气发动机，可以充分发挥电子控制的优势：根据实际运行需要，在特定的时刻改变燃料供应、节气门、点火提前角等，避开一些不稳定和低效运行区域，提高发动机可靠性和瞬态性能。

如图5所示，在发动机负荷急速减小时，空气流量急剧下降，喘振极有可能发生。但通过优化发动机控制程序，在一定转速范围内停止向发动机燃气供应并打开节气门，可以有效维持压气机的流量，降低废气能量，从而避开压气机喘振区。对于控制涡轮废气旁通量或配置可变截面涡轮的天然气发动机，还可以通过降低涡轮能量的方式减小压气机压比，从而减小喘振发生的可能。

对于那些受发动机控制模块调节的增压器来说，采取一定的控制模式来应对如前所述的喘振状况显然是有必要的，且具有相当的成本优势。

4.3 防喘振阀

如图5所示，在车辆刹车换档瞬间，有相当一部分增压压力是发动机不需要的。通过增加一个阀门，将发动机不需要的高压空气消耗掉。这样既可以使压气机远离喘振线，也可以使涡轮处于高速运转状态。

图7为一款天然气发动机在负荷突减工况时，带防喘振阀和不带防喘振阀情况下，压气机进出口压力比较：带有防喘振阀的情况下，压气机进出口压力变化平稳。实际跟车发现，天然气车辆换档后，带有防喘振阀的车辆能够更快建立增压压力，车辆的整体性能有所提高。当然这样也增加了成本，还将进气管路复杂化，降低了整个系统的可靠性。

图7 发动机突卸负荷时压气机进出口压力比较

目前很多增压器厂家将防喘振阀与压气机壳体集成，这样很大程度上简化了安装要求，见图8。

但对于防喘振阀流量能否满足天然气发动机的需求，显然是个需要综合考虑到问题。

Study on the Surge of Natural Gas Engine Turbocharger

Li Chaoyang1,Lu Jing'an2
（1.Shanghai Jaotong University,Shanghai 200240,China; 2.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

The air intake regulation and working conditions of turbocharged natural gas engine was studied.Turbocharger matching characteristics of natural gas engine and the reasons of the surge were introduced.And different turbocharger surge control measures were analyzed and compared.

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李朝阳（1985），男，工程师，主要研究方向为气体发动机设计。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.008