Z12V190B柴油发动机涡轮增压系统改进分析

王爱民++++左华勇

摘 要：本文针对现钻井用柴油发动机废气涡轮增压不能使涡轮增压器和柴油机在最佳位置匹配的问题，提出用热力学方法计算发动机理论的空气进气量和进气压力的方法。根据计算的理论值，将现有涡轮增压器改进为喷嘴式涡轮增压器，將喷嘴角度设置为三档，即怠速档、低速档和高速档，与发动机的3种工作状态匹配。通过对涡轮增压器的改进，使发动机经济性、加速性能、动力性能都有一定的提高。

关键词：石油钻井；柴油发动机；涡轮增压器

中图分类号：TK421 文献标识码：A

国务院在《“十二五”节能减排综合性工作方案》中明确指出，重点推进石油石化行业节能减排。中石油集团公司对石油钻井用柴油发动机的经济性、环保性要求越来越高。使用涡轮增压技术可以从动力性、经济性、排放性等方面满足人们的要求，从而使得涡轮增压技术的研究成为目前的主要方向。

目前钻井用柴油发动机废气涡轮增压不具有宽泛的工作范围，不能依据发动机工况的改变来调整增压后的流量和压力。当柴油发动机处于低转速工况时，排放尾气量少、流速低，从而推动涡轮机的涡轮转速低，从而输送进入气缸的空气量少、压力低，出现柴油机动力不足的情况；当柴油发动机处于高转速工况时，排放尾气量大、流速高，从而推动涡轮端的涡轮转速加大，容易导致涡轮增压器超速，产生故障；当柴油机处于加速工况时，进气供给的响应时间明显滞后于燃油供给增加的响应时间，出现涡轮迟滞现象。

因此，现用柴油发动机不能使涡轮增压器和发动机匹配在最佳的位置。以Z12V190B柴油发动机的动力特性作为目标，选用合适的柴油机数学模型，对柴油机所需的相关参数进行计算，改进合适的柴油发动机涡轮增压系统。

1.涡轮增压器工作原理

涡轮增压器的工作原理为：发动机排出的废气进入涡轮，推动涡轮排气端的涡轮叶轮，并使之旋转，由此带动与之相连的另一侧的压缩机轮一同转动；压缩机轮把空气从进气口强制吸进，并经压缩机轮旋转压缩后，再注入发动机气缸内燃烧；燃烧后的废气从排气管排出，进入涡轮，重复以上的动作。通过涡轮增压器的作用，提升进入发动机进气管中空气的压力和流量，从而达到提升发动机性能的目的。

由涡轮增压器工作原理可知，传统的涡轮增压器属于定截面通道涡轮增压器，即涡轮输出压力和流量大小只能由发动机废气流量控制，主要缺点就是无法兼顾发动机的全工况的高效运行，存在功率提升迟滞等现象。

2.发动机进气流量计算

济柴Z12V190B柴油机相关参数见表1。

根据涡轮前废气平均温度TT来估算发动机空气流量GS。必须先建立TT与GS之间的关系，比较简单的方法是根据流进流出柴油机气缸的气体参数建立能量平衡式，其能量平衡式为：

式中：

ξT为涡轮前热能利用系数。

Hu为燃料低发热量，kJ/kg。

ge为有效燃油耗率，kg/（kW·h）。

α为燃烧过量空气系数。

φs为扫气系数。

L0为理论上燃烧1kg柴油所需要空气量，kmol/kg；

Ts为柴油机进气管中空气温度，K。

（μcp）s为在Ts时空气平均定压摩尔比热容，kJ/（mol·K）（ （μcp）s=27.59+0.0025Ts）。

β0为燃烧后的理论摩尔变化系数。

TT为涡轮前废气平均温度，K（对于四冲程高速柴油机：TT=580℃～650℃）。

（μcp）T为在TT时废气平均摩尔比热容。

将表1中，数据代入式（1）中可得φs，再将φs代入式（2），可得GS=1.68kg/s。

3.增压压力的计算

根据顾宏中提出的理论可知：气体进入柴油机气缸的流通能力是通过充气系数ηv和扫气系数φs的乘积表示的，即流通能力系数ηv·φs。流通系数与进气压力ps的关系式为：

式中，C为冲程系数；RC为气体常数，J/（kg·K）；VS为气缸工作容积，m3；i为气缸数。

柴油机有效功率计算式为：

联立式（2）、式（3）和式（4）可得进气管路中气体压力ps：

将表1中各值代入式（5）中，代入计算求得进气管路中的气体压力为0.179MPa。同样，可以计算在不同转速下（800r/min、1200r/min和1500r/min），各个参数的计算理论值。

4.发动机涡轮增压器的改进

石油钻井用柴油发动机工作时基本可以有3种状态：怠速运转、低速运转和高速运转，其相对应运转速度基本为800r/min、1200r/min和1500r/min。发动机在此3种工作状态下与涡轮增压器很好的匹配，就必须调节涡轮增压器叶轮的转速，即可在涡轮增压器叶轮入口处布置环状的喷嘴叶片，可以调整叶片角度控制废气进入涡轮的流通面积，从而可以控制进入涡轮增压器叶轮的流速，如图1所示。

将涡轮增压器喷嘴调节设为3档，怠速档、低速档和高速档，其调节方式如图1所示。

结论

应用热力学方法，根据济柴Z12V190B柴油机初始参数得到发动机在不同工况下（怠速、低速和高速）所需的进气流量、进气管路压力等参数的理论值。根据理论值提出将现有涡轮增压器改进为喷嘴式涡轮增压器。通过对喷嘴角度的调整达到进入涡轮增压器的气体流速，从而控制涡轮叶片的转速。将喷嘴角度设置为3档，即怠速档、低速档和高速档，与发动机的3种工作状态匹配。通过对涡轮增压器的改进，使发动机经济性、加速性能、动力性能都有一定的提高。

参考文献

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