可变喷嘴环增压器在低速柴油机上的应用

2014-01-31顾骏

机电信息 2014年15期

顾骏

（曼恩动力设备上海有限公司，上海201206）

0 引言

现代大缸径柴油机在全负荷范围内为满足排放法规以及燃油消耗率的要求，需要更加柔性地控制进入气缸的空气量和燃料量，这已成为完成上述要求的关键因素。可变喷嘴截面涡轮的使用，使空气量与燃料量的精确匹配成为可能，从而使柴油机在全负荷范围内降低燃油消耗率的同时，HC和CO排放也大幅度降低，并且对负荷变化的响应速度也有了很大的改善。

当柴油机工作在部分负荷时，适当减小增压器喷嘴环流通面积，可以提高流经喷嘴环叶片的气体流速，从而使气流冲击涡轮叶片的力量加大，增压器涡轮转子获得更高的转速，压气叶轮获得更高的圆周速度，进而柴油机获得更高的扫气压力，使得更多的新鲜空气进入气缸，带来燃烧品质的改善［1］。

涡轮增压器上采用可变喷嘴环技术已有很多年，主要是为了改善发动机在中低负荷的性能，但受以往可变喷嘴环技术条件的限制，该技术的应用范围以往仅局限于以轻质燃油或可燃气体为燃料的发动机，因为船舶发动机一般使用劣质重油为主要燃料，使得该技术一直未在船舶动力行业推广。但随着2008年全球金融危机爆发给航运业带来的持续不景气，各船公司为降低运营成本，纷纷要求船舶降低航速、主机低负荷运行，这就为向船舶动力行业引入可变喷嘴环技术创造了条件。近年来，数家涡轮增压器厂家纷纷涉足这个过去的“技术禁区”，研发并向船舶发动机市场推出了可适用于劣质燃油的可变喷嘴环涡轮增压器。

1 可变喷嘴环增压系统的基本结构和原理

可变喷嘴环增压系统主要由2部分构成：喷嘴环流通截面积可调的涡轮增压器、扫气压力控制单元（SCU）。

（1）喷嘴环流通截面积可调的涡轮增压器主要包括可变喷嘴环本体、伺服马达、执行机构、VT控制系统，如图1所示。VT控制系统接收到由柴油机扫气压力控制单元发出的位置信号后，将自主控制可变喷嘴环的动作，并在动作结束后将喷嘴环位置信号发回柴油机扫气压力控制单元。

图1 可变喷嘴环涡轮增压器

（2）扫气压力控制单元主要包括中央控制器（MPC）、油门齿条传感器、扫气压力传感器、柴油机转速传感器、操控面板、控制软件，如图2所示。

图2 柴油机扫气压力控制单元

柴油机扫气压力控制单元负责对扫气压力进行调整，向VT控制系统发出喷嘴环开合的位置信号。各负荷点的扫气压力期望值已被预先写入中央控制器。当柴油机工作时，中央控制器对扫气压力、油门齿条位置以及柴油机转速等信号进行实时采样，计算出该时刻的柴油机功率，并与预设的在该功率点下的期望扫气压力值进行比较，根据比较结果向VT控制系统发出相应的动作指令。假设实际的扫气压力低于设定值，中央控制器就向VT控制系统发出小电流信号，VT控制系统根据小电流信号值，向VT伺服马达发出指令，使执行机构向减小喷嘴环流通面积的方向动作，并将动作后最终的位置信号反馈回中央控制器。这种采样、比对以及调整周而复始地不间断进行，直至实际扫气压力与设定值相一致。

2 柴油机实际运行参数比较

对相同的柴油机在分别配置可变喷嘴环增压器与固定喷嘴环增压器的情况下进行了对比试验。可变喷嘴环增压器安装于柴油机，如图3所示。

通过试验结果对比可以看出，柴油机在使用了可变喷嘴环增压器后，在中低负荷段，柴油机的运行参数与使用固定喷嘴环增压器时相比有了显著的变化，主要有以下几方面：

（1）当负荷低于90%时，柴油机各参数变化明显；当负荷高于90%时，性能参数变化不大。

（2）涡轮前后废气温度在中低负荷时有大幅度的降低，特别在低于50%负荷时，废气温度降低30～40℃。

图3 可变喷嘴环增压器安装于6S50MEC柴油机

（3）空气消耗率在中低负荷提高2%～3%，改善了柴油机缸内换气过程和燃烧质量。

（4）扫气压力在中低负荷提高约0.03 MPa。

（5）增压器效率在中低负荷提高约2%。

（6）燃油消耗率在中低负荷降低约3 g/k W·h，在100%负荷时有1 g/k W·h的增加。

（7）HC以及CO排放在中低负荷有大幅度下降；NOx排放略有升高，但还是在排放法规所允许的范围内。

具体参数变化如表1所示。

表1 柴油机各负荷点参数比较

试验结果很好地证明了通过可变喷嘴环的使用可以使柴油机性能提高的预期。

3 运行参数评估以及排放文件上的新问题

可变喷嘴环增压器应用的初衷是改善柴油机在中低负荷段的运行性能，特别是以降低燃油消耗率为目的。而实际使用后，又获得事实上的另外一个益处，就是补偿了外部条件变化对柴油机运行参数的影响，也就是说，对于一般大气环境的变化，柴油机都可以通过对可变喷嘴环面积的适当调整，而使柴油机的关键运行参数基本保持不变。这个益处也是发动机行业数十年来一直苦苦追求的目标，现在通过可变喷嘴环增压器的使用，这个目标得到了部分实现。这里举一个例子进行说明：柴油机如果在夏天运行，由于环境温度高，吸入的新鲜空气温度也会较高，从而导致扫气压力低、缸内压缩压力低、缸内爆发压力低、涡轮前后废气温度高等一系列问题。但如果使用可变喷嘴环增压器，柴油机控制系统就会实时对扫气压力进行采样，并与预设值进行比对，当发现扫气压力低于预设值时，就会减小喷嘴环流通面积来提高扫气压力，并调整到最终与预设值一致。由于扫气压力值保持不变，从而缸内压缩压力、缸内爆发压力也保持不变，涡轮前后的废气温度也将部分得到补偿，虽然会比设计值高些，但也终将比使用常规固定喷嘴环增压器要来的低些。

对柴油机性能的评估，目前行业内的通行规则是先将实际运行参数在ISO条件下进行修正，然后对修正值进行评估比较，以判断柴油机性能的好坏。之所以要修正，是为了消除外部因素对柴油机性能参数造成的影响，建立一个性能评估的公共基础［2］。这种按修正值进行性能评估的办法，对零部件以及设定参数不能自动调整的柴油机是合理的，也是必要的。然而可变喷嘴环增压器技术的引入却对这个规则造成了冲击，因为通过喷嘴环流通截面的实时调整，可以使得柴油机关键运行参数保持不变。但目前的ISO修正规则要求首先必须将柴油机零部件尺寸、参数以及设定值固定，然后才可以对运行参数进行修正并分析比较，这显然和可变喷嘴环技术是相矛盾的，这样就引出了新的问题：柴油机实际运行参数ISO条件下的修正对于零部件可以实时调整的柴油机是否还有必要？老的技术标准是否适用于最新出现的柴油机技术？作者的观点是否定的，新的技术不应该被老标准束缚住，但改变行业标准和被行业接受需要时间。

柴油机NOx排放证书获得也遇到了相类似的问题。根据排放法规的要求，NOx排放值要求在系列柴油机的母型机上实际测量，并要求在NOx排放测量后对柴油机技术状态进行固定，即与排放相关的零部件尺寸以及柴油机设置参数不能再有变化，作为今后该系列柴油机的标准设置。因此，这个规则也与可变喷嘴环增压器的特性存在矛盾。作为折中方案，排放认证组织要求对可变喷嘴环的“可用最大面积”进行设定，即将100%柴油机负荷时，获得相同柴油机运行参数的固定喷嘴环面积作为可变喷嘴环的“可用最大面积”。因此可以看出，这种折中办法会很大地限制可变喷嘴环的调整范围，束缚其调整能力，使船舶在低气温区域航行时柴油机原本可以发挥的优良表现被人为限制住。这又是一个老标准束缚新技术的例子。相关的海事管理机构、柴油机设计公司、船舶检验公司以及排放认证组织必须要有所作为，协力为零部件参数可调整的智能型柴油机制定新的技术标准。