VGT開度對(duì)某船用柴油機(jī)性能的試驗(yàn)研究

沈張勇

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廈門 361021)

0 引 言

廢氣渦輪增壓技術(shù)因其在提高船用柴油機(jī)柴油機(jī)功率和降低油耗率等方面均表現(xiàn)出較強(qiáng)優(yōu)勢，已優(yōu)化柴油機(jī)性能重要措施之一[1-2]。廢氣渦輪增壓技術(shù)其原理是利用柴油機(jī)排氣能量驅(qū)動(dòng)增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到提高進(jìn)氣壓力的目的[3]。隨著時(shí)代發(fā)展，船舶的種類多樣化，尤其在特種船舶領(lǐng)域更為突出，使得船用柴油機(jī)運(yùn)行工況也越復(fù)雜多變，這就要求船用柴油機(jī)在所有工況范圍都應(yīng)具有良好的運(yùn)行性能[4-6]，但傳統(tǒng)的渦輪增壓技術(shù)存一定的弊端，不能很好的滿足上述需求，主要原因：(1)隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的擴(kuò)大，低負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)運(yùn)行點(diǎn)易靠近增壓器喘振線，甚至穿過喘振線，造成壓氣機(jī)進(jìn)氣流從葉片或者擴(kuò)壓器上分離嚴(yán)重，導(dǎo)致增壓器運(yùn)行不穩(wěn)定。(2)船用柴油機(jī)匹配傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器時(shí)，主要考慮柴油機(jī)在最大扭矩的85%左右時(shí)的整機(jī)性能[7]，因此增壓器通流面積通常較大，當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)偏離最大扭矩時(shí)，尤其是當(dāng)柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行，排出廢氣能量不足，導(dǎo)致增壓壓力明顯下降，增壓器效率低下，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生惰轉(zhuǎn)，進(jìn)氣量嚴(yán)重不足，空燃比急劇降低，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒效果惡化，造成柴油機(jī)低工況運(yùn)行時(shí)動(dòng)力性能較差，且這種缺陷隨著增壓度提高越發(fā)明顯[8]。(3)高負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)廢氣能量高，極有可能導(dǎo)致增壓器超速，造成增壓器損壞。(4)柴油機(jī)和增壓器間采用氣動(dòng)連接，而壓氣機(jī)和渦輪機(jī)采用機(jī)械聯(lián)接，當(dāng)柴油機(jī)急加速或變工況運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣供給響應(yīng)滯后于燃油供給響應(yīng)，此時(shí)增壓壓力無法及時(shí)變化，導(dǎo)致柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能變差。

而采用VGT(可變截面渦輪增壓)是有效解決上述弊端的措施之一,隨著船用柴油機(jī)工況的改變，可變截面渦輪增壓器不斷改變渦輪噴嘴環(huán)開度，可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)更大流量范圍內(nèi)的良好匹配，改善柴油機(jī)低負(fù)荷性能[9-10]。因此為了深入研究VGT導(dǎo)流葉片開度對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響以及VGT對(duì)比于普通渦輪的優(yōu)越性，本文基于OED483Q小型船用柴油機(jī)行試驗(yàn)研究，為實(shí)船應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)的裝置與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本研究基于OED483Q小型船用柴油機(jī)，主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。該柴油機(jī)裝配GTB15可變截面渦輪增壓器(如圖1所示)，基本參數(shù)見表2。

表1 OED483Q 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

圖1 GTB15實(shí)物圖

表2 GTB15型增壓器主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)裝置由上述柴油機(jī)和增壓器、DW440電渦流測功器、NCK2000發(fā)動(dòng)機(jī)測控系統(tǒng)、HZB2000油耗測量儀、壓力傳感器及其顯示儀器和電動(dòng)執(zhí)行器、PID控制器等組成, 能夠?qū)崿F(xiàn)增壓器系統(tǒng) VGT 葉片開度精準(zhǔn)控制。圖2是試驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗(yàn)方法

本文主要研究推進(jìn)特性下VGT導(dǎo)流葉片開度對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等的影響，試驗(yàn)主要選取10%、25%、50%、75%、90%、100%這6個(gè)典型推進(jìn)特性負(fù)荷進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前將VGT增壓系統(tǒng)葉片開度調(diào)節(jié)到全開，以避免因排氣背壓過大而導(dǎo)致增壓器超溫、超速；然后確定試驗(yàn)工況，逐步減小VGT葉片開度，直至接近約束條件限定值(增壓器轉(zhuǎn)速不大于226 000 r/min ，增壓壓力不大于250 kPa)，VGT葉片開度由電動(dòng)執(zhí)行器控制，主要由控制器和三相直流無刷電機(jī)構(gòu)成，通過 ECU輸出CAN通訊命令到控制器，由控制器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和定位，進(jìn)而控制VGT葉片開度，控制精度為 0.7。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 增壓壓力及增壓器轉(zhuǎn)速影響分析

圖3和圖4分別為該推進(jìn)特性下增壓壓力和增壓器轉(zhuǎn)速隨VGT導(dǎo)流葉片開度的變化規(guī)律曲線圖。由圖可知：隨著VGT葉片開度的減小，各負(fù)荷下的增壓壓力及增壓器的轉(zhuǎn)速呈上升趨勢且負(fù)荷越大趨勢越明顯，如全負(fù)荷下，開度減小到60%時(shí)，增壓壓力及增壓器轉(zhuǎn)速已接近極限值，這主要是因?yàn)椋?VGT 葉片開度的減小，渦前壓力升高，渦輪膨脹比增大，且隨負(fù)荷提高，增大越明顯，柴油機(jī)排氣對(duì)渦輪的做功能力也越強(qiáng)。

圖3 增壓壓力

圖4 增壓器轉(zhuǎn)速

2.2 VGT導(dǎo)流葉片開度對(duì)柴油機(jī)輸出扭矩的影響

圖5為該柴油機(jī)在推進(jìn)特性下輸出扭矩隨VGT導(dǎo)流葉片開度變化圖。由圖可知：在低負(fù)荷工況下，隨著開度減小，輸出扭矩逐漸增加但變化趨勢較小。在中高負(fù)荷下，如50%負(fù)荷～100%負(fù)荷,隨著開度減小，扭矩的變化趨勢總體為先上升后下降的過程，各負(fù)荷下都有對(duì)應(yīng)的輸出扭矩峰值，且隨著負(fù)荷升高，峰值扭矩所對(duì)應(yīng)的 VGT 開度在逐漸增大，在此之后，隨著開度減小，輸出扭矩開始呈下降趨勢。這主要因?yàn)椋涸谥懈哓?fù)荷下，當(dāng)VGT開度大于峰值扭矩所對(duì)應(yīng)的 VGT 開度時(shí)，渦流截面偏大，造成排氣背壓相對(duì)較低，不能滿足增壓器渦輪需要，因此，隨著開度減小，排氣背壓升高，渦輪膨脹比增大，增壓壓力上升，從而使輸出扭矩增加，如50%負(fù)荷時(shí)，開度從100%～30%，扭矩上升45.6%；當(dāng)VGT開度大于峰值扭矩所對(duì)應(yīng)的 VGT 開度時(shí)，此時(shí)柴油機(jī)排氣能量過大，特別是處于高負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)尤為顯著，加大葉片開度，可使排氣順暢，泵氣損失減少，輸出扭矩也隨之增加，如在50%負(fù)荷時(shí)，開度從30%～0%，扭矩下降6.59%。

圖5 扭矩

2.3 有效燃油消耗率的分析

圖6為該柴油機(jī)有效燃油消耗率隨VGT導(dǎo)流葉片開度變化曲線。由圖可知：在低負(fù)荷下，隨著開度減小，有效燃油消耗率降低但變化趨勢較小，這是因?yàn)椋旱拓?fù)荷下，隨著開度減小，柴油機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量流量(如圖7所示)和扭矩逐漸增加，有效燃油消耗率隨之下降，由于進(jìn)氣質(zhì)量流量和扭矩增加的趨勢不明顯且此時(shí)柴油機(jī)排氣能量較小，無法驅(qū)動(dòng)增壓器高效率工作，增壓效果欠佳，所以效燃油消耗率雖然隨著開度減小而逐漸降低但變化趨勢較小，如10%負(fù)荷下，開度從100%降低到0%，有效燃油消耗率僅降低約2.66%。在中高負(fù)荷下，隨著開度減小，有效燃油消耗率總體呈先下降后上升的趨勢，各負(fù)荷工況下都有對(duì)應(yīng)的最小有效燃油消耗率，且隨負(fù)荷升高，最小有效燃油消耗率所對(duì)應(yīng)的開度也隨之增大，在此之后，隨著開度減小，有效燃油消耗率開始呈上升趨勢。這主要因?yàn)椋涸谥懈哓?fù)荷下，當(dāng)開度大于最小有效燃油消耗率所對(duì)應(yīng)的開度時(shí)，隨著開度減小，進(jìn)氣質(zhì)量流量和扭矩逐漸上升且趨勢明顯，使得有效燃油消耗率隨之降低，如50%負(fù)荷工況下，開度從100%減小到30%，有效燃油消耗率降低8.54%。當(dāng)VGT開度小于最小有效燃油消耗率所對(duì)應(yīng)的 VGT 開度時(shí)，隨著開度減小，扭矩逐漸下降，但柴油機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量變化趨勢平緩，這主要是因?yàn)椋捍藭r(shí)進(jìn)氣流通不暢，造成一定的堵塞，導(dǎo)致進(jìn)氣流量變化不大，并且隨著負(fù)荷上升，開始出現(xiàn)進(jìn)氣堵塞所對(duì)應(yīng)的開度越大，因此有效燃油消耗率也逐漸上升，如50%負(fù)荷時(shí)，開度從30%減小到0%，有效燃油消耗率上升3.91%。

圖6 有效燃油消耗率

圖7 進(jìn)氣質(zhì)量流量

3 最佳VGT開度的確定

基于上述試驗(yàn)，通過PID控制器獲取最佳VGT開度，如圖8所示。方法:由于各負(fù)荷工況下的最佳增壓壓力代表此時(shí)增壓器與柴油機(jī)匹配效果最佳，可以保證柴油機(jī)動(dòng)力性能最優(yōu)，因此選用OED483Q柴油機(jī)最佳增壓壓力為優(yōu)化開度的給定目標(biāo)值，表4為生產(chǎn)廠家提供的各負(fù)荷下最佳的增壓壓力值；VGT開度為控制對(duì)象；實(shí)際輸出的增壓壓力為輸入值；壓力傳感器能夠?qū)崟r(shí)測量增壓壓力，傳給PID控制器，然后和預(yù)先設(shè)置的目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，再經(jīng)由PID控制器得出合理的VGT導(dǎo)流葉片開度，傳輸給ECU調(diào)節(jié)VGT開度，進(jìn)而獲得各負(fù)荷工況下最佳的VGT導(dǎo)流葉片開度值。

圖8 PID 控制圖

表4 各負(fù)荷工況下最佳的增壓壓力值

圖9和圖10分為該柴油機(jī)在25%負(fù)荷和90%負(fù)荷時(shí)PID控制效果圖。由圖可知：在25%負(fù)荷工況下,在最初的1 s內(nèi)增壓壓力曲線的波動(dòng)較大，通過PID調(diào)節(jié)1.25 s后增壓壓力基本穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值；在90%負(fù)荷工況下,增壓壓力0.8 s左右就趨于目標(biāo)值；說明該P(yáng)ID控制器的響應(yīng)速度符合要求。

圖9 25%負(fù)荷PID控制效果

圖10 90%負(fù)荷PID控制效果

圖11各負(fù)荷工況下的實(shí)際增壓壓力、目標(biāo)增壓壓力與葉片開度大小的變化趨勢。由圖可知：各負(fù)荷工況下的實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力吻合良好，說明該P(yáng)ID控制器的控制精度高，從而保證圖中所示VGT開度為代表的推進(jìn)特性下相應(yīng)轉(zhuǎn)速達(dá)到動(dòng)力性要求的最佳VGT導(dǎo)流葉片開度。表5為最終得出的各負(fù)荷工況下最佳VGT開度。

圖11 推進(jìn)特性PID控制的最佳VGT開度

表5 各負(fù)荷工況下最佳VGT開度

4 結(jié)束語

(1)在推進(jìn)特性下，隨著開度減小，柴油機(jī)各負(fù)荷工況的增壓壓力以及增壓器的轉(zhuǎn)速呈上升趨勢且負(fù)荷越大趨勢越明顯。

(2)柴油機(jī)在低負(fù)荷的工況下，隨開度減小，輸出扭矩增加。在中高負(fù)荷工況下，隨開度減小，輸出扭矩的變化趨勢總體為先上升后下降的過程，各負(fù)荷工況下都有對(duì)應(yīng)的輸出扭矩峰值，如50%負(fù)荷時(shí)，峰值扭矩所對(duì)應(yīng)的開度為30%左右，當(dāng)開度從100%～30%，扭矩上升45.6%，開度從30%～0%，扭矩下降6.59%。

(3)柴油機(jī)在低負(fù)荷工況下，隨開度減小，有效燃油消耗率降低但變化趨勢較小，如在10%負(fù)荷時(shí)，開度從100%降低到0%，有效燃油消耗率僅降低約2.66%。在中高負(fù)荷工況下，隨著VGT開度減小，有效燃油消耗率變化趨勢總體呈先下降后上升的過程，各負(fù)荷工況下都有對(duì)應(yīng)的最小有效燃油消耗率，如50%負(fù)荷工況下，最小有效燃油消耗率所對(duì)應(yīng)的開度為30%左右，開度從100%～ 30%，有效燃油消耗率降低8.54%，從30%～0%，有效燃油消耗率上升3.91%。

(4)選用OED483Q柴油機(jī)最佳增壓壓力為優(yōu)化開度的給定目標(biāo)值，通過PID控制器調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)最佳VGT開度的確定。