船用柴油机涡轮增压技术探究

赵云鹏

摘要：涡轮增压技术是实现高功率和低油耗目标的主要措施，且涡轮增压技术与柴油机的性能优化可以为船舶的设计和制造提供关键的技术支持，保障船用柴油机的工作效率和使用周期。考虑到很多船舶在恶劣的环境下进行工作，船舶柴油机作为船舶机械当中故障频率最多的系统之一，需要重点解决功率问题、结构问题，从涡轮增压技术的角度实现模块化、智能化和节能环保运作。

关键词：船用;柴油机;涡轮增压技术

中图分类号：U664.121                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0043-02

0  引言

我国国际航运与航海事业发展速度较快，而柴油机一直以来都是船舶的主要动力来源，从这一角度来看，柴油机的工作性能和安全使用寿命和船舶质量之间密切相关。由于柴油机结构相对复杂，在船舶长期运行的状态下，柴油机的热负荷处于较高水准。

热变形量增加以加剧了磨损问题。如何在保障工作性能的前提下有效地让柴油机有着良好的使用寿命，也是必须解决的技术问题。

1  柴油机的工作过程与理论基础

1.1 物理模型

船用柴油机热效率较高，对于各类船舶的适应性良好，从出现后就被作为船舶的主要推进动力，且在20世纪50年代之后的船舶当中，柴油机几乎已经完全取代蒸汽机提供动力支持。时至今日已经成为民用船舶甚至是某些舰艇的主要动力来源，包括低速柴油机、中速柴油机和高速柴油机。一个完整的柴油机包含几个不同的部分，包括进气管、涡轮增压器、空冷器、气缸和排气管，且很多柴油机在低负荷的工作状态下还会设置辅助风机以提供足够的空气量。通常情况下进气管的容积比较大，内部的气体压力和温度保持固定，不过增压器处于不稳定的状态下时进气管内的压力和温度会因此产生波动，甚至会因此而导致进气谐振问题，此时要对管内的气动过程以及气缸的充气过程进行综合分析。在正常的循环之内，涡轮带吸收的功和压气机消耗的功属于同一水平线，在同一个循环之内相对稳定。在处理气缸的过程当中，如果内部的气体压力温度等参数保持均匀，那么柴油机本身处于瞬时热力平衡状态，气体的状态参数可以被认为是时间函数。

对于涡轮增压器的性能分析，结合能量守恒定律的核心理论，我们在展开性能模拟过程中要考虑几个方面的影响因素，例如考虑到涡轮机输出功率和压气机吸收功率的差异数值问题，并且处于恒定状态下才可以进行建模处理。

1.2 柴油机系统模型

按照柴油机的工作特征，可以将其划分为不同类型的“子系统”，然后在建立数学模型的过程当中，综合考虑热力学学科知识和物理模型等定量内容，展开描述获取模型内部包含的物理参量，为实际的生产环节提供技术支持。在额定工况状态下，可以将柴油机废气作为涡轮增压剂的主要动力来源，并且在相同的气缸容积条件下，充入的空气量越多，柴油机的进气压力和进气密度越大，因此柴油机的功更大[1]。而增压压力与柴油机气缸平均压力、废气排温等参数之间也存在着联系，因此需要采用较高的增压压力来达到所规定的技术指标。

2  涡轮增压技术的分析与系统优化

2.1 涡轮增压系统结构与柴油机工作问题

船用柴油机一般为两冲程并非自然吸气，冷却器在进气管路一端。涡轮增压的柴油机在工作状态下会通过涡轮带动压气机等设备的工作，以确保柴油机的增压效果，此时除去涡轮增压机的能量支持之外，还会利用到排气能量，很大程度上与涡轮增压系统的设计方案有关，并且影响到柴油机的燃油消耗问题、增压压力、排气压力等参数。在排气量能够得到有效应用时，应该在排气过程当中的排气管压力迅速下降以减少排气环节的泵气损失，并且排气压力波产生的波谷对扫气过程的影响非常明显，表现在对进气和排气压力差的合理控制。在很多研究当中也提到，增压柴油机为了能有效地应用排气脉冲能量需要控制排气管溶剂，选择管径更小的排气管，在到达涡轮区域之后，一部分压力波可以让涡轮保持做功狀态，另一部分的压力锅则从涡轮端反射。如果要对涡轮增压技术进行调节，那么需要基于系统结构要求对某些参数进行控制，包括排气管长度、直径和管截面面积的调整。

以比较常见的乌轮增压系统为例，在常规增加方式下的空气流量和增加压力与战术之间密切相关，同时也和柴油机的负荷情况相关。这说明如果柴油机处于低负荷的工作状态之下，那么增压器处于低效工作模式，导致增压器和柴油匹配问题更加明显。为了改善此类情况，可以通过相继涡轮增压系统来确保柴油机在低功耗时仍然具有稳定的增加压力，防止空气流量和增加压力大幅降低导致的性能缺陷，使柴油机的燃油消耗率、热负荷在运行区域内比较低，不过要考虑到系统的复杂性。

通常来说在额定的工况之下排气管的长度与柴油机性能之间的关系和最大转矩工况时比较接近，排气支管长度不发生改变的前提之下，燃油消耗率会随着排气管长度的增加而增加;在排气总管长度不变时，则柴油机的功率会随着排气支管的长度增加而减少。为了能够保障排气压力波以增加排气能量，可以在后续的技术调整环节选择一些更短的排气管保障柴油机的低速转矩性能。

此外排气管直径与气体流动速度之间同样存在关联，在排气管长度不变时排气管直径减少会让容积减小，排气管的压力建立速度加快，内外压力差缩小后节流损失能够降到最低，从而提升脉冲能量的利用效率。反之排气管直径过小也会让排气管内的流速增加，引起流动损失。转速的变化会直接引起柴油机的性能变化，某些低速工况下的技术要求也需要进行排气总管的直径优化措施。

从截面面积的角度来看，排气支管的三种形式包括收缩管、扩张管和等截面管，而排气支管从收缩到扩张的全过程当中，会让柴油机的功率始终处于一个比较稳定的上升状态，此时燃油消耗率下降后，扩张排气支管也会降低强制性的气功损失，让泵气的有效压力维持平稳。气缸当中的气流扩压后，也会转化为流速更低的气流进入总管区域内，涡轮始终在平稳区域内运行，整体的性能良好[2]。

2.2 涡轮增加系统结构优化设计

优化设计一方面包括优化任务的分析，另一方面则包括合适的优化算法寻找最优解，并且定位于某个能够满足计算精度的发动机模拟程序设计。以当前的涡轮增压系统来看良好的涡轮增压系统在排气能量的传递效率上会比较高，此时气缸的废气能量有很大一部分可以直接被转换为可靠的涡轮动能，如果我们使用涡轮有关的函数进行评价时，可以基于柴油机的性能要求来确定燃油消耗率。在确定设计变量和优化目标之后就应该建立优化问题的数学模型对柴油机的过程进行计算。由于前文提到合理地利用排气管当中的压力波可以让进气更加充分，因此在评估涡轮增压系统的结构参数前提之下，可以对某些结构参数进行改进确保柴油机的燃油消耗率处于较低的水平。

在工作实践当中，我们要确定排气总管长度直径，同时也要规划好排气支管长度直径，使各项参数始终处于正常标准状态。

2.3 系统方案确定

以当前的船用柴油机涡轮增压系统为例，结构设计当中会考虑到涡轮增压系统的不同类型，如常见的电压系统和脉冲系统，以及部分特殊船只所使用的MPC系统[3]。系统运行时各个缸的工作状态受到涡轮效率和扫气干扰的影响。

定压系统的特征是涡轮前排气管内的压力恒定，特别是加速状态时会有较大的黑烟，原因在于燃烧过量空气不足。脉冲系统在高增压时系统的流动损失比较明显，排气管当中的压力会造成不同的压力变动。MPC系统结构比较简单，压力波动和定压系统比较接近，不需要采用脉冲系统所必须的叶片防振措施，如果在加速运行的状态下，定压系统和脉冲系统的优势能够同步体现，这说明排气能量的价值更高。

从结构设计的角度而言，我们根据气体的正常流动规律，因防止气体在流动状态下产生过度碰撞，从而带来严重的能量损失。所以涡轮增压系统应确定各个缸的扫气工作状态和气流流动方向，使得气流在进入弯管之前就保持比较均匀的管截面压力。另外需要注意的是，气流流动会直接导致能量改变，进入弯管段之后的气流也会在离心惯性力的影响下，让气体脱离壁面然后在壁面附近形成涡流区。对于排气管的布置，可以将原弯曲半径加大后再缩小缩口率，让扫气系数增加，低工况下的泵气功损失最小。

系统上游区域的气流压力波峰会将部分压力直接转换为速度能，出口区域形成低压区，在低压区的影响下，排气管当中的部分气体排出速度非常快，整个扫气过程相对稳定。由于上游气缸排气状态下气流处于向上倾斜状态，所以改进后的结构也不会对截面产生严重影响，甚至在某些情况下可以阻止回流[4]。综合来看，定压系统、脉冲系统和MPC系统有着各自的优势和应用范围，且按照气体流动理念和流动损失分析可以设计一种新的排气管，满足船用柴油机的经济特性、加速特性，充分体現出涡轮增压技术的优势。

2.4 柴油机工作数值选择和燃油喷射系统优化

前位提到按照柴油机的工作特征可以分解为不同的子系统，包括涡轮增压器、进气管、排气管等，在柴油机的工作数值选择方面同样可以进行调节。例如在增压压力方面通过柴油机的废气驱动涡轮增压器能够让柴油机功更大，而压缩比变动也会让燃油消耗率和废气温度处于合理的范围当中，以不同的压缩比来控制柴油机性能参数变化。

在燃油喷射系统方面，了解喷油器的喷油率、喷油量、加速度等工作性能指标之后以及喷射过程当中的变化规律，就能对喷射系统当中的主要部件设计参数进行优化。如输入各个单元的尺寸之后选择适当的弹簧刚度、燃油喷射系统容积计算、燃油贯穿距离等。

3  结语

船用柴油机的涡轮增加技术与系统应用可以给交通运输、工业发展提供动力支持，而为了满足燃油经济性和动力性的要求，让柴油机系统更加复杂，从柴油机的系统角度进行优化也是今后工作的主要任务。涡轮增压系统的核心在于有效利用排气能量确保各缸顺利换气，因此设计符合要求的涡轮增压系统能够让柴油机的加速特性、扫气效率得到提升，降低燃油消耗率。

参考文献：

[1]黄粉莲，纪威，周炜.涡轮增压柴油机进气流量的计算与仿真[J].农业工程学报，2013（03）：62-68.

[2]黄加亮，乔英志，王丹，等.船用柴油机与涡轮增压系统匹配及性能研究[J].中国航海，2012，35（04）：26-32.

[3]林新通，詹玉龙，周薛毅，等.支持向量机在船舶柴油机废气涡轮增压器故障诊断中的应用[J].上海海事大学学报，2012（02）：22-25.

[4]孙丽娜，黄永红，刘涵茜.基于FOA优化GRNN的船用柴油机涡轮增压系统故障诊断[J].计算机测量与控制，2018，26（11）：39-42.

[5]黄立，陈晓轩，李先南，等.船用柴油机涡轮增压技术发展现状[J].推进技术，2020，41（11）：2438-2449.

[6]黄凯宇，简源驹.试验探讨舰船用冷柴油机的涡轮增压器匹配选型[J].内燃机与配件，2017（20）：4-5.