大功率柴油机相继增压技术研究综述

李京， 白洪林， 李耀宗， 王子玉

(1. 海军驻兴平地区军事代表室， 陕西 兴平 713105； 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

大功率柴油机相继增压技术研究综述

李京1， 白洪林2， 李耀宗2， 王子玉2

(1. 海军驻兴平地区军事代表室， 陕西 兴平 713105； 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

随着大功率柴油机不断向高增压、高功率密度、宽转速范围以及低排放的方向发展，发动机与增压系统的匹配矛盾愈发突出，特别是在低速低负荷的工况范围内。而相继增压技术可使增压系统与发动机在较宽泛的运行范围内达到良好的匹配，被认为是改善高增压柴油机性能的最成熟的技术措施。因此，重点阐述了相继增压技术的工作原理、国内外的应用情况以及研究现状与发展趋势。

柴油机； 相继增压； 综合评述

大功率柴油机因其优越的燃油经济性和动力性而被广泛应用于舰艇、特种车辆、机车、工程机械、发电机组等领域。近年来，在高压共轨、电控燃油喷射和新型增压等先进技术的推动下，大功率柴油机正向着高功率密度、宽转速范围、低排放和高可靠性方向迅速发展，发动机的性能指标不断提升[1]。目前，大功率柴油机的平均有效压力最高可达3 MPa，活塞平均速度最高可达13 m/s，最高燃烧压力可达24 MPa，燃油喷射压力可达180 MPa左右，油耗可低至200 g/(kW·h)以下[2]。

通过高压比的增压器来提高进气压力是提升发动机性能指标的重要途径之一。而随着增压器压比的不断提高,其与发动机匹配的难度也逐渐增大。通过单一增压器的匹配已经难以满足发动机在全工况范围内对于进气量的要求，导致发动机在中低负荷工况下会出现热负荷增加、扭矩不足等问题。为此国内外的研发机构开发出了进排气旁通增压技术、可变几何涡轮增压技术、相继增压技术等多种新型的增压技术，用以提升高增压柴油机在部分负荷工况时的性能指标[3]。其中，采用相继增压技术可使增压系统与发动机在较宽泛的运行范围内达到良好的匹配，被认为是改善高增压柴油机性能的最成熟、可行的有效手段。本研究将对相继增压技术(Sequential Turbo-Charging，STC)的工作原理、国内外的应用情况、研究现状以及发展趋势作简单介绍。

1 相继增压技术的工作原理

相继增压技术的工作原理是在由2台以上增压器并联组成的增压系统中，依据发动机运行工况对于进气量的需求，确定投入使用的增压器数量(见图1)。在大负荷工况运行时，需要确保发动机的功率输出，所以全部增压器均会投入使用，且都在高效率区内运行；而在部分负荷工况运行时，则可适时地减少所使用增压器的数量，使排气管中的废气能更集中地流过工作中的涡轮增压器，以便保证工作中的涡轮增压器仍然能在高效率区内运行，从而能更充分地利用废气能量来提高进气压力，进而改善柴油机部分负荷工况时的动力性与燃油经济性。可见，通过相继增压可以保证发动机在较宽的运行工况范围内实现对增压压比(即进气压力)的调节，是解决发动机增压系统匹配矛盾的有效方法之一，可以显著改善柴油机中低负荷工况时的燃油经济性与排放特性。

图1 相继增压的工作过程示意

2 相继增压技术的应用

相继增压技术最早的应用案例可追溯到20世纪70年代，德国MTU公司在其生产的1163-03系列柴油机的12缸、16缸以及20缸机上首先采用了此技术。以该系列的20缸机为例，发动机上共装有5台增压器，投入运行的增压器数量会随发动机负荷的降低而逐渐减少。100%～65%负荷时5台增压器全部投入使用，64%～53%负荷时使用4台增压器，52%～24%负荷时使用3台增压器，23%～4%负荷时使用2台增压器，而在4%负荷以下时仅有1台增压器投入运行。通过采用相继增压技术该款柴油机的平均有效压力提升约40%，单位功率质量降低了约20%，发动机性能得到了显著改善[4-5]。随后MTU公司采用相继增压技术研发出了MTU956系列、MTU396系列和MTU595系列柴油机，并成功应用于快艇、巡逻艇、潜艇以及舰艇等领域[6-8]。此外，MTU公司还陆续推出了多款采用相继增压技术的高速大功率柴油机，如MTU2000系列、MTU4000系列和MTU8000系列柴油机[9-12]。其中，20VMTU8000柴油机采用了由4台增压器组成的相继增压系统(见图2)。发动机运行时其中的2台增压器始终处于工作状态，当发动机转速提升至750 r/min，有3台增压器处于工作状态，而发动机转速继续增大至950 r/min，4台增压器都投入运行。该增压系统的工作方式大大提升了此款发动机全工况范围内的性能指标，发动机的标定功率提升到了8 200 kW，而用于军舰的机型，其最大功率甚至可以达到9 000 kW[13]。

用于“La Fayette”级护卫舰上的12VPA6-280STC柴油机同样采用了相继增压技术[14-15]，该款发动机由法国SEMT Pielstick公司研发，其增压系统中共安装了2台增压器，当输出功率低于标定功率的50%时，通过关闭其中1台增压器压气机出口和涡轮进口处的2个止回阀来减少投入运行的增压器数量，进而实现相继增压功能[16]。采用相继增压后，柴油机在低转速时能输出更高的扭矩，并且燃油消耗率也可降低约12%，另外在烟度、积碳、排气温度等方面的性能也有所改善。之后，该公司在此发动机的基础上又推出了PA6B-STC系列柴油机，主要包括12缸、16缸、18缸和20缸4个不同型号，功率覆盖范围为5 350～8 910 kW，能够满足不同类型军舰的航行需求[17]。

图2 MTU20V8000柴油机增压系统示意

美军的LPD-17两栖船坞运输舰上的主机(16VPC2-5柴油机)采用相继增压技术后，标定功率提高了约22%，油耗下降了约9%，并且低负荷工况时的性能指标也得到了显著改善[18-19]。此外，意大利Isotta Fraschini公司的V1312HPCR-4V柴油机、德国MAN公司的V28/33D STC 柴油机、日本Niigata公司的16V20FX柴油机以及芬兰Wartsila公司的18V26X柴油机，也都通过采用相继增压技术达到了提升发动机性能指标的目的[20]。

国内对相继增压系统的研发起步较晚，20世纪90年代末期，哈尔滨工程大学与中船重工408厂联合研制了相继增压系统，并通过重新进行优化匹配，将其成功地应用于16PA6-280STC柴油机上，使得该发动机的标定功率提高了约10%，油耗降低了约14%，烟度降低了约55%，废气温度降低了约30%[21]。此后，该校又与河南柴油机厂合作，对 620V12柴油机的增压系统进行了优化改造，实现了相继增压的功能，使得该款柴油机的扭矩提高了约87%，燃油消耗率降低了约15%，中低负荷工况时的发动机性能得到了大幅改善[22]。

3 相继增压技术的研究进展

相继增压技术是通过控制投入使用的增压器数量，来保证每台工作中的增压器都能在高效率区内运行，最大程度地增加新鲜空气的进气量，能有效地改善缸内的燃烧过程，进而提升大功率发动机的各项性能指标。近年来，为了进一步提升相继增压技术的效能，国内外的科研人员在相继增压阶段选取、增压器匹配技术以及瞬态控制技术等方面开展了大量的研究工作。

相继增压系统的匹配需要同时考虑相继增压的阶段选取与涡轮增压器的选型。在综合考虑柴油机的负荷范围、转速范围、增压器流量范围以及整个系统的复杂程度等因素的前提下，通过采用匹配仿真计算与试验测试相结合的方式，最终确定相继增压阶段以及增压器的大小与数量。对于转速范围宽且输出功率大的柴油机而言，更多的增压器数目和增压阶段有利于保证发动机在低负荷工况时增压系统的高效运行，但会增加增压系统的复杂程度与匹配难度，同时发动机的可靠性也会有所降低。

在相继增压系统的匹配过程中，选择相同尺寸的涡轮增压器可使运行中的增压器处于相同的工作状态，避免出现增压器之间的压比、流量矛盾以及涡轮机能量分配的问题，如20VMTU8000柴油机和12VPA6-280STC柴油机就采用了相同尺寸的增压器；也可选择不同尺寸的涡轮增压器，以便更好地优化柴油机全公况范围内的性能指标，如德国MTU396TB94增压柴油机使用了2台ZRl70大型涡轮增压器和1台ZRl40小型涡轮增压器，在转速为600～2 100 r/min的范围内，实现了五阶段的相继增压，使该柴油机在每种工况下都能获得较好的进气量[23]。国外的Galindo，Climent和Guardioh等人针对柴油机开展过大小涡轮增压器两阶段相继增压系统的研究工作[24-25]。

上海交通大学的张哲博士针对由不同尺寸的2台涡轮增压器组成的相继增压系统，开展了三阶段相继增压的发动机性能试验研究。大小涡轮相继增压系统的结构见图3，2个增压器并联布置，在2个涡轮前分别安装了大涡轮前切换阀(Valve before Big Turbine ,VBT) 和 小涡轮前切换阀(Valve before Small Turbine, VST)，而在2个压气机后分别安装了大压气机后切换阀(Valve after Big Compressor,VBC)和小压气机后切换阀(Valve after Small Compressor, VSC)。试验过程中，当发动机运行在低速工况时只有小增压器单独工作；中速工况时在大增压器切入的同时小增压器切出，以便大增压器能单独工作；而在高转速工况时2台增压器同时工作[26]。通过优化三阶段相继增压系统的匹配方案，发动机的性能指标大幅改善，尤其是在低速大负荷工况时，油耗降低了约7%，炭烟排放降低了约70%，涡轮前端的排气温度降低了约13%[27]。哈尔滨工程大学的高占斌在TBD234V12船用柴油机原机常规增压系统的基础上，完成了大小涡轮增压器三阶段相继增压的匹配设计，并对采用大小增压器三阶段相继增压柴油机推进特性工况下的性能进行了数值模拟研究，结果表明：与常规增压模式相比，采用相继增压技术后NOx和炭烟的排放量都有明显降低，且燃油消耗率也有所下降[28]。

图3 大小涡轮相继增压系统示意

相继增压系统在稳定工况运行时，可以有效地改善发动机的动力性、经济性以及排放特性，但增压系统工作模式的切换会引起发动机性能的突变。由图4可以看出，PA6B柴油机采用相继增压系统时发动机的性能在全工况范围内存在明显的突变过程[29]。而切换过程中不合理的控制策略会导致增压器喘振、空气倒流、柴油机转速波动以及排放恶化等现象[30-32]。因此，相继增压系统的瞬态控制技术是一个重要的研究方向。瞬态控制技术需要完成切换过程的平稳过渡，保证切换过程能够快速且顺利地完成，使发动机的转速、增压压力、污染物排放等性能参数的突变幅度尽量减少。通过对切换延迟时间的优化匹配，可以有效地改善切换过程的平稳性。切换延迟时间指的是排气控制阀开关时刻与进气控制阀开关时刻之间的时间间隔。根据增压系统中增压器的响应特点，通过合理匹配进气控制阀的延迟开启或者关闭时刻，能够有效保证瞬态切换过程的平稳过渡，而切换延迟时间设置过大或过小时，都容易导致增压器出现喘振现象。

图4 PA6B柴油机相继增压系统与常规增压系统的性能比较

Chesse和 Benvenuto等针对大功率柴油机两阶段相继增压系统，分别开展了切换过程中瞬态控制参数的数值模拟研究，分析了增压器切换过程中进气控制阀与排气控制阀的开启间隔对发动机性能的影响规律[33-34]。Mazuran等对船用柴油机采用大小涡轮增压器的两阶段相继增压系统进行了试验测试与分析。结果表明，在增压器切入过程中，受控压气机容易出现喘振现象，而排气控制阀容易出现短时频繁开关的现象[35]。

哈尔滨工程大学的王银燕教授针对TBD234V12柴油机的相继增压系统，采用多目标进化算法对瞬态切换过程中的发动机控制策略进行了优化匹配研究[36]。以切换延迟时间内的燃油喷射量为设计变量，并将发动机输出功率及缸内最高燃烧压力作为限制性条件，通过Sobol序列生成初始均匀种群，而后利用Pareto的非支配排序方法对柴油机相继增压系统瞬态切换过程中的喷油控制策略进行了优化设计，优化后相继增压系统切换过程中的发动机炭烟排放量与转速波动量分别降低了79%和88%。

何清林等针对由不同尺寸涡轮增压器组成的相继增压系统，按照螺旋桨推进特性进行了柴油机的稳态试验研究[37]，确定了三阶段相继增压的切换转速以及最佳的切换延迟时间。试验结果表明，在相继增压系统的切换过程中, 切换延迟时间不当会导致增压器运转不稳定。延迟时间太短，受控增压器会发生倒流现象，而延迟时间过长，受控增压器则会发生喘振现象。

清华大学的陈华清在建立船用相继增压柴油机准稳态数学模型的基础上，针对16PA6STC柴油机的增压系统，开展了切换过程中动态性能的模拟仿真研究，确定了切换时机以及切换延迟时间[38]。较为理想的切换时机应该是在打开受控增压器的排气控制阀后, 当受控增压器的转速略高于主增压器时，立刻打开受控增压器的进气控制阀，完成增压器的切入过程。

4 总结与展望

相继增压技术能拓展大功率柴油机的运行范围，并能显著改善低负荷工况时的发动机性能。该技术在国外大功率柴油机上的应用相对更成熟，而国内对相继增压技术的应用与研发起步均较晚，仍需加大科研投入力度以便尽快赶超国际先进水平，而研究内容应重点集中在相继增压的阶段选取、增压器匹配以及瞬态控制等方面。

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[编辑： 潘丽丽]

Review of Sequential Turbocharging Technology for High Power Diesel Engine

LI Jing1, BAI Honglin2, LI Yaozong2, WANG Ziyu2

(1. Naval Deputy Office of Xingping District， Xingping 713105, China； 2. China North Engine Research Institute， Tianjin 300400， China)

With the continuous development of high power diesel engines toward the trend of high turbocharging, high power density, wide speed range and low emission, the matching problems between turbocharging system and diesel engine became more obvious, especially at low load and low speed. Sequential turbocharging system could match well with diesel engine in a wide operating range, which was thought to be the most mature technical measures to improve the performance of high turbocharged diesel engine. Therefore, the working principle of the sequential turbocharging system, the application, the research status and development trend at home and abroad were mainly introduced.

diesel engine； sequential turbocharging； comprehensive review

2017-04-06；

2017-08-07

李京(1979—)，男，工程师，主要从事舰船柴油机的质量监督和检验验收；li_jing020@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.015

TK421.8

A

1001-2222(2017)04-0073-05