波动高背压环境增压柴油机性能响应特性

向翰淳，马泽泰，杨名洋，邓康耀，黄 敏，刘 莹

(1.上海交通大学 动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240；2.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108；3.康跃科技(山东)有限公司，山东 寿光 262718)

增压柴油机广泛应用于民用船舶和军用舰艇的推进装置[1-3].民用船舶为减小进入大气的直接排放，其中一种趋势便是采用水下排气[4]；军用舰艇大多会采取水下排气降低排气出口热辐射以及噪声[5]，从而减小其红外特征和噪声特征.因此，船用柴油机常面临水下排气的运行工况.

与水面排气工况不同，柴油机水下排气时会因水压对排气过程产生额外阻力，此时，除管道及后处理装置造成的压力损失外[6]，排气背压与排气管至海平面的深度呈正比，在特殊工况下，排气背压高达185kPa[7].另一方面，由于海浪波动，海平面不断变化，以中国福建省附近某海域为例，海浪有效平均波高为0.73m，其平均波动周期为4.5s[8]，因而排气管距海面深度也发生变化，排气背压也不再是一个稳态值，而是随海浪高度及其周期不同而不断波动变化.

由于水下排气应用背景具有特殊性，现有针对波动高背压环境的发动机性能影响研究不多.已有研究[9-11]表明，随着背压上升，进气流量下降、缸内燃烧恶化并且泵气损失增加，导致动力性和经济性下降；同时，涡轮前排气温度随背压增加显著上升[4,11]，最终因为排气温度限制，在高背压环境下发动机功率大幅下降[12].因此，高背压环境下涡轮前排气温度是制约发动机功率恢复的关键因素，针对此问题研究者提出了诸如匹配可变截面涡轮增压系统(VGT)或者废气旁通增压系统等方法[13]，但上述手段局限于稳态背压工况.对于波动背压工况，各参数不再呈现稳态变化.Tauzia等[14]通过仿真模型研究了背压波动对发动机性能参数的影响表明，在背压波动变化时，进气流量、涡轮前排气压力以及增压压力等均呈现周期性波动.Sapra等[15]发现，排气温度上升幅度随背压波动周期和幅值升高而明显增加，并提出快速连续变化的喷油量调节手段有助于削弱背压波动带来的排温上升问题，但当背压波动特征超过某一值时不再有效，且这一特征值尚不明晰.

综上所述，当前相关研究主要聚焦于稳态高背压，针对波动高背压条件下的研究鲜见报道.已有的研究表明：发动机各性能参数随背压变化明显波动，这对发动机的运行控制策略带来新的问题；背压波动特征对发动机性能参数波动幅值有着显著影响，同样需要在控制策略中考虑，但目前的研究中其影响机制尚不明晰.并且目前的研究中未见对各参数动态响应规律以及相互影响机制的深入探讨.此外，现有研究手段是以仿真为主，试验方面的研究鲜见报道，但仿真模型中将增压器视为准定常部件，因而无法准确考虑涡轮增压器对波动背压的动态响应特征乃至对发动机性能的影响.因此，笔者采用试验的方法，开展背压波动周期和背压时均值对柴油机以及增压系统性能响应规律研究，并基于试验结果对其影响机制进行深入探讨.

1 试验方法

1.1 试验装置

波动高背压柴油机性能试验平台基于潍柴动力公司生产的WP7型号增压柴油发动机改造而来，其基本参数如表1所示.

表1 柴油机基本参数Tab.1 Basic specifications of diesel engine

表275 %负荷增压压力、涡前压力与膨胀比非定常度对比Tab.2Comparison of the unsteady levels between boost pressure，exhaust pressure and pressure ratio of turbine at 75% load

试验台架的示意如图1所示，实物与细节如图2所示.图1为在原机基础上重新匹配了可调两级增压系统，高压级增压器型号为Holset HE400VG；低压级增压器型号为BorgWarner S300G，采用单级增压系统，此时阀1、阀2和旁通阀均保持关闭.在排气管路安装了两个电动蝶阀，其中一个为时均背压调节阀，位于低压级涡轮下游，通过阀门开度调节时均背压大小；一个为波动背压调节阀，位于高压级涡轮下游，两者细节如图2b所示.

图1 试验台架示意Fig.1 Schematic of the experiment bench

图2 试验台架实物与细节Fig.2 Figure of the experiment bench and detail

当时均背压阀门开度一定，波动背压阀以恒定转速旋转，此时阀片在管道截面上投影的面积随时间变化如图3所示.随着阀片投影面积的变化，背压也将周期性波动变化.对于不同波动周期，仅需调节电机转速与之相对应.

图3 阀门投影面积变化及波动背压产生示意Fig.3 Schematic of change of valve projected area and generation of fluctuating back pressure

为了实时采集和监测柴油机及增压系统性能参数变化，在管道以及增压器进/出口布置有若干温度传感器和压力传感器.其中，压力传感器采用水冷型HM90A瞬态压力传感器，测量范围为0～800kPa，固有采样频率高达20kHz以上，能够满足波动背压下进/排气管道压力对响应速度的要求；温度传感器则采用K型热电偶，测量范围为0～1200℃，响应时间约为0.5s.压力信号和温度信号通过NI模块进行采集，并与上位机计算机1相连接，在LabView程序中进行实时数据的采集和保存.柴油机转速、功率和燃油消耗率由湘仪动力FC2000工控机采集与调控.

1.2 试验方案

在进行波动背压试验前，首先进行了稳态背压工况试验.不同负荷及背压下，涡轮前排气温度如图4所示.可以看出，在90%和100%负荷工况，涡前排温在低背压时已达690℃，而排气温度安全限值为700℃，若在此工况进行波动背压试验，存在超排温限的问题，因此，波动背压试验选择在50%和75%负荷进行.试验时保持稳态工况下时均阀和油门开度，调节波动阀至目标周期.为研究波动背压特征对发动机性能的影响，最终选取了4个代表性波动周期(5、10、20和40s)及3个代表性时均背压(115、135和155kPa)，如图4中白点所示.

图4 不同负荷和稳态背压工况下涡前排温Fig.4Exhaust temperature before turbine under different load and steady back pressure condition

2 试验结果及分析

2.1 波动背压对发动机功率的影响

背压波动时，发动机功率具有显著的非定常响应特征.图5为不同波动周期下发动机功率随背压的变化.时均背压为115kPa时，发动机功率在各个周期均呈现明显的迟滞环形状，并且迟滞环随着周期变化而变化.在40s周期时，迟滞环呈现狭长状；随着周期减小，迟滞环逐渐饱满；至5s周期时，迟滞环形态与其他周期明显不同，呈现三段式的类三角形状.

图5 不同波动周期下发动机功率随背压的变化Fig.5 Change of engine power with back pressure under different fluctuating periods

为评估功率非定常效应强弱，引入非定常度ψ为

式中：Δpmax为迟滞环在同一瞬时背压时上、下差值的最大值；表示时均背压时的稳态值；ψ作为量纲为1系数，可以衡量迟滞环相对大小，ψ越大迟滞环越偏离稳态状态，表现出的非定常效应也就越强.

图6为不同波动周期发动机功率非定常度ψ.随着周期减小，功率迟滞环非定常度ψ显著增大，以50%负荷为例，5s周期时约为40s周期的5.27倍，这说明在较长波动周期时发动机功率非定常性较弱，响应特性近似准定常，随着波动周期的缩短，非定常效应显著增强，并导致迟滞环呈现出与稳态工况截然不同的形态.

图6 不同波动周期发动机功率非定常度ψFig.6Engine power unsteady levels ψ under different fluctuating periods

对比图5a和图5b，背压波动导致的功率迟滞环形状与变化趋势在两个负荷工况下大体一致，但是在幅值上明显不同.从图6中也可以看出，在相同周期下，75%负荷工况的非定常度ψ明显更高，最高约为50%负荷工况的2.15倍，这说明在高负荷工况表现出了更显著的非定常现象.这是由于高负荷时背压波动幅度更大所致，因为背压波动幅值是由发动机排气量和波动阀对排气的节流特性共同产生，发动机处于大负荷工况时排气量大，在相同的节流特性下将具有较强的充满-排空效应，因而波动阀产生的背压波动更为显著，进而导致发动机功率波动幅度更加明显.

另一方面，海水深度的不同，发动机所面临的排气背压时均值也将不同.为了比较不同时均背压的影响，将功率和背压处理为时均值的变化量.图7a所示不同时均背压下功率迟滞环形状类似，但随着时均背压值的减小，迟滞环膨胀，变化幅值增大.不同时均背压下非定常度变化如图7b所示，随时均背压减小，非定常度ψ增大，其增幅达1.55倍，因而低时均背压时功率非定常性响应更强烈.时均背压值的影响机制与前文所述发动机负荷类似.当时均背压值减小时，涡轮时均膨胀比相应地增加，涡轮增压器增压能力增强，进而排气量增加，气路系统充满-排空效应增强，致使背压波动幅度增加，最终引起发动机输出功率的波动幅度更为显著.

图7 75%负荷、20s周期时不同时均背压对发动机功率影响Fig.7Influence on engine power with back pressure fluctuating under different time-average back pressure in period 20s at 75% load

2.2 波动背压对增压器性能参数的影响

波动背压工况发动机性能响应特性的关键因素是进/排气系统运行参数的动态变化，增压器是进/排气系统运行参数的核心影响部件，因而需要对其性能进行深入探讨.

对不同波动周期增压压力的响应研究如图8所示，增压压力同样也随波动背压呈现迟滞环形状，并与功率类似，迟滞环形状受到周期影响.在长周期时，迟滞环为狭长状，随着周期减小，迟滞环形状逐渐膨胀饱满.进一步探讨增压压力的响应变化，将背压波动分为从A到B的上升阶段和从B到A的下降阶段.随着周期减小，在背压下降阶段增压压力不再随背压单调变化，5s周期时尤为明显.除此外，随着周期减小，增压压力迟滞环存在逆时针旋转趋势，波动幅值减小.对比增压压力非定常度ψ如图9所示，随周期减小，ψ显著增大，5s周期时与40s周期时非定常度相差达4倍以上，因而随周期减小，增压压力非定常效应同样加强.

图8 不同周期下增压压力随波动背压的变化Fig.8 Change of boost pressure with fluctuatingback pressure under different periods

图9 不同波动周期增压压力非定常度ψFig.9Boost pressure unsteady coefficients ψ under different fluctuating periods

由图8可知，不同负荷下，增压压力随背压波动产生的迟滞环形状与变化趋势也是类似的，但幅值有所不同.由图9可知，随周期减小，非定常度ψ变化趋势一致，但在相同周期下，75%负荷ψ约为50%负荷的4倍左右，因而75%负荷工况下增压压力非定常效应更强.这同样是因排气量不同而气路系统充满-排空效应变化造成的.因此，波动背压环境下，负荷对性能参数响应的影响主要是导致背压波动幅度变化，从而影响参数波动幅度，进而影响非定常效应强弱，而对迟滞环本身的形态变化没有明显影响.

压气机的动态响应与涡轮紧密相关.图10为不同周期下涡轮前排气压力随背压波动的变化.涡前压力迟滞环整体呈扁平状，其随周期变化趋势与增压压力一致，并且同样呈现逆时针旋转趋势，但与增压压力相反，涡前压力波动幅值随周期减小而略微增大.

图10 不同周期下涡前压力随波动背压的变化Fig.10Change of exhaust pressure before turbine with fluctuating back pressure under different periods

随着涡前压力的响应变化，涡轮膨胀比也将呈现相应的非定常特征.图11所示不同周期下膨胀比迟滞环变化趋势与涡前压力、增压压力一致，随周期减小而逐渐膨胀，并且迟滞环形状表现得更为扁平.除此外，膨胀比幅值变化趋势与增压压力相似，随周期减小，幅值略微减小.

图11 不同周期下膨胀比随波动背压的变化Fig.11 Change of pressure ratio of turbine with fluctuating back pressure under different periods

涡轮膨胀比决定了理论输出功率，即

式中：WT为涡轮理论输出功率；为排气质量流量；cPE为排气的定压比热容；Tex为涡轮进口总温；πT为涡轮膨胀比；κT为排气绝热指数.

由压气机和涡轮功率平衡可得增压压力pc为

式中：p0为压气机入口压力；为进气质量流量；cPC为进气的定压比热容；Tin为压气机入口温度；κC为进气绝热指数；ηTC为增压器效率，ηTC=ηTηCηm，ηT为涡轮效率，ηC为压气机效率，ηm为机械效率.

将式(2)与式(3)联立可得增压压力与涡轮膨胀比的关系式为

从式(4)中可得，在背压变化时，增压压力和膨胀比的变化趋势应是一致的，这也与两者在不同周期下波动幅值变化趋势一致相符合.但在相同周期下，增压压力与膨胀比的响应特性却是不同的，在各个周期下膨胀比随背压的变化趋势是近乎单调的，这与短周期时增压压力的变化明显不同.对比不同周期下增压压力、涡前压力与膨胀比非定常度，如表2所示.尽管涡前压力和膨胀比的非定常度ψ也随波动背压周期减小而显著增大，但在相同周期下，增压压力的非定常度ψ明显大于后两者，达1.9倍以上.这说明压气机端表现出的非定常性要显著强于涡轮端.

非定常效应本质上反映了响应的滞后性，非定常效应越弱，相较于背压波动的滞后性越小；反之，则越强.因此，压气机端参数对波动背压的响应明显滞后于涡轮端，可以推测此现象是增压器转动惯量造成的.在背压波动时，涡轮前排气压力将直接响应该环境条件变化，进而导致涡轮输出功变化，但压气机负载未及时变化，导致压气机和涡轮功不平衡，增压器将加减速至对应平衡状态，这一过程见式(5)[16].

式中：Pcop为压气机消耗功率；Ptur为涡轮输出功率；J为增压器转动惯量；ω为增压器转子角速度；dωdt为角加速度.由于增压器转动惯性相比管路内部的气动惯性高出数个数量级，因而背压波动变化时，受转动惯量影响，增压器转速无法快速响应涡轮功的变化，这造成压气机端气动参数对波动背压的响应显著滞后于涡轮端.

因此，增压压力迟滞特性受增压器转动惯量的直接影响，而增压压力与发动机功率密切相关，对比图5功率和图8增压压力非定常响应特性可知，两者对波动背压的响应方式是高度类似的.由此可知，发动机功率对波动背压的响应同样将受到增压器转动惯量的强烈影响，而后又将反过来影响下游排气，进而影响涡轮端的响应特性，增压器转动惯量是波动背压下发动机性能参数非定常响应特性产生的主要来源.

综上所述，各参数响应特性随周期变化表现出的高度一致变化规律，可推测这一现象也与增压器转动惯量相关.随着周期减小，涡轮功变化加快，增压器转速无法及时响应，因而其产生的迟滞效应逐渐强化，导致各参数非定常效应变强，且随着周期进一步缩短，增压器迟滞效应将使迟滞环形态显著变化，如同图5和图8中功率与增压压力迟滞环在短周期时出现截然不同的形状.

对不同时均排气背压下，增压器各性能参数的响应特性也进行了研究，如图12所示，包括增压压力、涡轮前排气压力和涡轮膨胀比.随着时均背压下降，迟滞环向两端膨胀，呈现顺时针旋转.增压压力、涡前压力和涡轮膨胀比在时均背压为117.7kPa时非定常度分别达时均背压为156.3kPa时的5.51倍、4.69倍和3.10倍，这表明在低时均背压时增压器各性能参数对背压响应的非定常性要显著高于高时均背压.这同样是由于低时均背压时充满-排空效应更强烈所致.

图12 20s周期增压器性能参数随不同时均背压波动的变化Fig.12 Change of pressure ratio of turbine with fluctuating back pressure under different time-average back pressure in 20s period

增压器性能参数影响发动机性能，而涡轮前排气温度则是关乎发动机安全运行的重要参数，是决定波动背压工况下发动机功率恢复能力的关键.图13为75%负荷时不同波动周期下涡前排温随波动背压的变化.随背压波动，涡前排温也呈明显的迟滞环.但与功率、增压压力和涡前压力截然相反，涡前排温迟滞环在短周期时呈扁平状，在长周期时迟滞环则较饱满.

图13 75%负荷时不同波动周期下涡前排温随波动背压的变化Fig.13Change of exhaust temperature before turbine with back pressure fluctuating under different periods at 75% load

这与发动机性能参数对不同波动周期背压响应规律显著不同，随周期减小，涡前排温迟滞环理应扩张.这是由于试验所测得的涡前排温迟滞现象不仅受上述所讨论的增压器转动惯量影响，还受到温度传感器响应速度的重要影响.试验所采用的K型热电偶响应时间约为0.5s，当波动周期较长时(如40s)，热电偶有足够的时间响应背压波动造成的排气温度波动，因而能够有效测量排温的非定常特性.然而当波动周期缩短至一定程度后，温度传感器由于热惯性无法及时响应背压波动，因而仅能获得接近时均的温度值.此时，温度迟滞环将逐渐坍缩成一条稳定在时均温度的直线(图13中5s周期情形).因而试验中测得的涡前排温迟滞环随背压波动周期变化而产生截然不同的响应趋势，是传感器测温的热惯性与增压器转动惯量共同造成的.总之，由图13中长周期时涡前排温响应特性可以推测，背压波动时涡轮前排气温度仍然存在十分显著的迟滞效应，该迟滞效应在高波动背压条件下的功率恢复手段中必须加以考虑.

3 结 论

基于WP7型号柴油发动机试验了波动背压环境下，性能参数的动态响应特性.重点探讨了背压波动周期和时均值变化时，柴油机输出功率、增压压力、涡轮前排气压力和涡轮膨胀比等性能参数响应机制及变化规律，主要结论如下：

(1) 在波动背压环境下，增压柴油机性能参数响应表现出明显的非定常特性，功率、增压压力和涡轮前排气压力等参数均随背压响应呈现典型的迟滞环形状；背压波动周期对非定常响应特性有显著影响；随周期减小，迟滞环由狭长状逐渐变得饱满；5s周期时，非定常度为40s周期的4倍以上，非定常效应大幅加强.

(2) 负荷和时均背压变化均导致增压柴油机性能参数的波动幅值变化，随着负荷增大或时均背压减小，性能参数变化幅值增加，迟滞环形状呈现扩张趋势，其非定常度分别增长1.15和1.55倍以上，表现出更为强烈的非定常效应；这是源于气路系统的充满-排空效应加强造成的背压波动幅值增长，进而强化了性能参数的非定常响应特性.

(3) 压气机端性能参数的非定常效应显著强于涡轮端，前者非定常度为后者的1.9倍以上；进气端参数对波动背压的响应明显滞后于排气端，该滞后性主要是由增压器转动惯量导致，而增压器转动惯量也是发动机和增压系统在波动背压环境迟滞响应特性的主要来源，并显著影响不同背压波动周期下非定常响应特性的变化规律.