基于燃烧器的相继增压系统切换试验研究

王银燕，杨传雷，张鹏奇，崔欣洁

(1.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001;2.哈尔滨汽车发动机制造有限公司技术开发部，黑龙江哈尔滨150060)

相继增压技术是改善增压柴油机低工况性能的有效措施［1-2］.它的基本原理是采用多个小型涡轮增压器，随柴油机工况的提高，相继按次序地投入运行，改变了常规串联增压系统在低工况时由于排气量减少使涡轮转速下降，增压压力不足，柴油机得不到要求扭矩所需要的空气量，从而出现燃烧恶化、功率下降的现象［3-4］.在标定工况下，柴油机的每台增压器都在高效率区工作，在低工况时，减少投入使用的涡轮增压器数量，使得投入使用的增压器仍然工作在高效率区，增加了气缸的进气量，从而改善了柴油机的动力性和经济性［5］.增加或减少投入使用的增压器数量的过程，即切换过程，是通过控制相应的燃气阀和空气阀来实现的［6］.在切换过程中，由于增压器转动惯量以及气体流动惯性等因素的影响，空气阀必须迟于燃气阀打开，以防止该瞬态过程中压气机喘振现象的发生［7］.因此，在相继增压控制系统中，切换延迟时间是重要的控制参数［8］.为了确定RR151型和J120型增压器构成的大小涡轮相继增压控制系统的切换延迟参数，本文利用相继增压热动力试验台进行了相继增压动态切换试验.

1 试验台和试验方案

试验台结构示意图如图1所示，主要由2台燃烧器、3台涡轮增压器、稳压箱、大功率压缩机组、空气压缩机、相关管路以及各种控制阀构成［9］.试验台可以在外循环或自循环状态下工作，外循环时，燃烧器压缩空气由大功率压缩机组SB2提供，自循环时，由鼓风机SB1提供启动压缩空气.其中增压器TC1和TC3为J120型，TC2为RR151型，燃烧器和增压器相关性能参数如表1、2所示.

图1 相继增压热动力试验台结构示意Fig.1 Schematic chart of sequential turbocharging thermal power test bench

试验过程中，由鼓风机SB1为燃烧器提供压缩空气，产生的高温高压燃气使涡轮增压器TC3处于工作状态.设定燃烧器喷油压力在1.2 MPa(喷油量为50 g/s)，进气阀开度为65%，控制自循环阀V9、进气阀V8、旁通阀V1和节流阀V3使热动力系统进入自循环状态.待系统状态稳定后，调整喷油压力为1.45 MPa，进气阀开度为85%，使系统达到相继增压切换点.在不同的切换延迟时间下，进行增压器TC2的切入操作，并利用高速数据采集设备对切换过程相关参数进行纪录.增压器TC2的切入切出操作是通过控制气动阀V16和V17实现的，其中燃气阀V17为高温阀.本文定义切换延迟时间参数为燃气阀与空气阀完全开启之间的时间差.

表1 燃烧器性能参数Table 1 Specifications of the combustor

表2 涡轮增压器性能参数Table 2 Specifications of the turbocharger

2 试验结果与分析

2.1 RR151作为基本增压器

相继增压系统在增压器切入过程中，首先打开燃气阀使得涡轮具有一定转速，然后再开启空气阀，然而，由于受控制阀体特性、控制空气压力不同的影响而导致控制阀的开启动态过程和开启总时间有所差异.经阀体测试可知，控制阀工作在0.7 MPa时，燃气阀开启总时间为1.5 s，空气阀为1.0 s.当控制空气压力在 0.4 MPa时，阀体开启时间将增长 0.2 s.

图2为RR151型增压器作为基本增压器，切换延迟为0.5 s时压气机出口压力曲线.图中曲线1表示基本增压器压气机出口压力曲线，曲线2表示受控增压器压气机出口压力曲线，T2为燃气阀完全开启时刻，T4为空气阀完全开启时刻，“DT”表示延迟时间.从图3可以看出，在燃气阀完全开启之前，基本增压器压气机出口压力存在下降的趋势，受控增压器压气机出口压力已经开始上升，完全开启后仍然继续上升，但是仍然远低于稳压箱压力.此时，空气阀已经接近完全开启，由于上述压力差使得稳压箱气体倒流至受控压气机出口，使压力出现骤然上升现象，如图2中“s1”段所示.倒流现象将严重影响相继增压系统切换平稳性，阻碍涡轮增压器正常工作，应严格禁止.

图2 延迟时间为0.5 s的压气机出口压力变化曲线Fig.1 Compressor outlet pressure curves at delay time 0.5 s

图3 延迟时间为1.2 s的压气机出口压力变化曲线Fig.3 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.2 s

为了避免受控增压器的倒流现象，应该适当增加切换延迟时间，使受控压气机出口压力接近稳压箱压力(基本增压器压气机出口压力)时打开空气阀，将提高相继增压切入过程的平稳性.图3、4分别为切换延迟在1.2 s和1.9 s时的切换过程动态变化曲线.从图中可以看出，在燃气阀未完全开启时，基本增压器压气机出口压力也存在下降趋势，并且受控增压器压气机出口压力随着燃气阀开度的增加，压力平稳上升，没有出现急剧上升现象，压力接近稳压箱压力时，空气阀完全打开，稳压箱压力平稳上升至新的平衡点，切换过程平稳过渡.

图4 延迟时间为1.9 s的压气机出口压力变化曲线Fig.4 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.9 s

当DT=2.2 s时，随着燃气阀的打开，基本增压器压气机出口压力下降，受控增压器压气机出口压力上升，当压力接近甚至超过稳压箱压力时，空气阀仍未打开，压气机开始出现喘振迹象并发生严重喘振，如图5所示.切换延迟时间设置过长，将会使受控增压器在高速状态下出现零流量，导致压气机出现严重喘振，随着空气阀的完全打开，喘振现象消失，切换过程不平稳.

图5 延迟时间为2.2 s的压气机出口压力变化曲线Fig.5 Compressor outlet pressure curves at delay time 2.2 s

由上述分析可知，以RR151增压器作为基本增压器时，在切入J120增压器时，切换延迟时间设置在1.2 ～1.9 s较为合适.

2.2 J120作为基本增压器

将J120涡轮增压器作为基本增压器，RR151增压器作为受控增压器，在不同的延迟时间下进行了切换试验，图6所示为延迟时间为0.1 s时的参数变化曲线.从图中可以看出，燃气阀和空气阀几乎同时打开，受控增压器压气机出口尚未建立压力，而基本增压器压气机出口压力几乎未下降，两者之间有较大的压力差，造成了受控增压器的严重倒流，延迟时间设置太短，切换过程不平稳.

图6 延迟时间为0.1 s时的切换过程变化曲线Fig.5 Compressor outlet pressure curves at delay time 0.1 s

图7 延迟时间为1.5 s时的切换过程变化曲线Fig.7 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.5 s

图7为延迟时间为1.5 s的参数变化曲线.从图中可以看出，随着燃气阀的开启，基本增压器压气机出口压力同样存在下降趋势，受控增压器压气机出口压力在燃气阀完全打开之前也开始上升，但是开始上升的时刻较RR151为基本增压器时要迟一些，这是因为受控增压器RR151的转动惯量较J120要大，转速和压力上升都较慢造成的.空气阀完全开启时，基本增压器压气机出口压力仍然比受控压气机出口压力大，该压力差将造成空气阀附近小区域范围内的气体倒流，但不会影响到压气机内部的流动，待受控增压器压气机中气体流动方向稳定后，压力稳定上升至新平衡点，切换过程比较平稳.

图8 延迟时间为1.8 s时的切换过程变化曲线Fig.8 Compressor outlet pressure curves at delay time 1.8 s

图9 延迟时间为2.1 s时的切换过程变化曲线Fig.9 Compressor outlet pressure curves at delay time 2.1 s

将延迟时间增加至1.8 s，参数变化如图8所示.从图中可以看出，随着燃气阀的打开，基本增压器压气机出口压力线性下降，受控增压器压气机出口压力线性上升，在T4时刻前，受控增压器压气机出现轻微的喘振迹象，但是，在到达T4时刻时，两者压力恰好相等，2股气流平稳地流向稳压箱，切换过程非常平稳.同样，延迟时间过长，也将引起受控增压器压气机发生喘振，如图9所示.当DT=2.1 s时，由于空气阀未及时打开，在两者压力相等时，导致受控增压器压气机经历了2个喘振周期，切换过程不平稳.

综上分析，在RR151增压器和J120增压器构成的大小涡轮相继增压系统中，将J120增压器作为基本增压器时，切入RR151增压器时，合理的切换延迟应设置在 1.5～1.8s.

3 结论

通过对RR151和J120增压器构成的大小涡轮相继增压系统的切换试验数据分析，可以得出以下结论:

1)利用燃烧器代替柴油机作为动力源可以较好地完成相继增压系统的切换试验，具有可靠性高，成本低等优点，给相继增压技术的深入研究提供了新思路.

2)在相继增压系统的切换过程中，切换延迟参数对切换过程的平稳性影响较大，是其控制系统的重要参数.切换延迟过小将引起受控增压器倒流，影响增压系统性能，阻碍涡轮增压器正常工作;切换延迟过大将导致受控增压器压气机发生严重喘振.

3)控制阀的动态特性是影响系统瞬态特性的重要因素，合理解释了控制阀未完全开启时压气机出口压力的变化情况，为控制参数的确定提供了理论支持.

4)在大小涡轮相继增压系统中，大增压器作为基本增压器时，切换延迟参数的设置裕度较大.初步确定了该型相继增压系统的切换延迟时间范围，为同类型相继增压系统在其它柴油机型上的应用提供了参考.

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