慢速船上柴油机和涡轮增压器配合影响因素与特性研究

杨伟

摘  要：渦轮增压器是现代柴油机运行中非常重要的一部分，可以显著地提升柴油机的运行性能以及燃烧效率，降低柴油机的燃油消耗，在进行慢速船柴油机与涡轮增压器的配合时，容易出现涡轮增压器喘振的现象，对发动机的运行产生不利影响。该文对涡轮增压器的喘振裕度进行分析，并设计涡轮增压器喘振裕度稳定性实验，以此来保证柴油机和涡轮增压器之间配合良好。

关键词：慢速船  柴油机  涡轮增压器

中图分类号：U664.121   文献标识码：A           文章编号：1672-3791（2019）05（a）-0076-02

随着现代机械行业的不断发展，废气涡轮增压器已经普遍用于柴油发动机上，能够有效地提升发动机的最大功率，同时能够降低发动机的能源消耗以及废气排放，提高柴油机与涡轮增压器的配合有助于进一步优化柴油机的综合性能。然而，慢速船上的柴油机涡轮增压器是以静止状态设计的，在实际的使用过程中必定会造成涡轮增压器性能的变化，甚至会出现一些潜在的隐患，比如涡轮增压器运转不顺畅、废气涡轮工作卡滞以及柴油机排气歧管温度过高等现象，造成柴油发动机的输出功率不稳定，影响发动机的使用效果。为此，该文对慢速船上柴油机和涡轮增压器的配合影响因素与特性进行研究。

1  柴油机和涡轮增压器配合影响因素

柴油发动机在运转的过程中会排出废气，涡轮增压器在废气的推动下开始运转，并对柴油机进气孔处的空气进行压缩，提高柴油机燃烧室的氧气密度，改善柴油机的运行性能。在实际的运行过程中，当涡轮增压器中的废气量逐渐减少时，会使废气在涡轮增压器中的运动路径与设计路径相偏离，使气流在叶片及扩压器位置被强行分开，同时会引起装置的振动，并伴有低沉的吼叫声，这就是涡轮增压器的喘振现象[1]。喘振现象会影响到柴油机和涡轮增压器间的匹配，必须要对其进行合理的控制，正常情况下柴油机在任何工况下运行涡轮增压器的喘振裕度都需要高于15%[2]。

1.1 涡轮增压器喘振裕度

喘振是比较常见的涡轮增压器运行现象，一般情况下涡轮增压内部的增压部件为偏心式压气机，而柴油发动机在运行过程中排气量以及压力值会随时发生变化，两者在进行配合的过程中必须保证压气机能够在各阶段的排气量以及压力值下正常运行。现以MAN-B&W公司的7S60MC–C慢速船用柴油机为例，探讨其在各个阶段对涡轮增压器压气机的排气量以及压力值要求，并将其绘制成曲线图，如图1所示。曲线图中的Engine Opearting Line表示的是柴油机和涡轮增压器理想配合状态，压气机的工作曲线必须要在其附近区域才能保证柴油机和增压器匹配良好。在经过大量的实验探索后可以发现，更改压气机中的叶片面积以及转动角度能够促使其工作曲线左右浮动[3]。

1.2 喘振裕度稳定性实验

在柴油机完成磨合阶段，并且调整好运行的工作程序后，对涡轮增压器的喘振裕度进行测定，保证其在正常的范围内，进而确保涡轮增压器能够正常工作。为此，要对涡轮增压器的稳定性进行实验测试，主要分为了3个部分。

第一，待柴油发动机在额定功率下转速保持相对稳定后，将涡轮增压器各个不同区域中的性能参数记录下来。

第二，柴油发动机在CMCR位置处工作时，记录涡轮增压器的喘振数值，同时以下图2中的“S”线为导向慢慢提高排气背压。

第三，以图2中“S”线为基础运转涡轮增压器，若没有发生喘振现象，那么说明涡轮增压器喘振强度满足使用要求，对涡轮增压器的稳定性测试成功;若发生了喘振现象，那么涡轮增压器公司就需要依据实际的测试现象对扩压环进行重新模拟、设计[4]。

2  柴油机和增压器配合良好特征分析

当柴油发动机和涡轮增压器每个参数的配合工作结束后，若两者配合成功，则柴油发动机和涡轮增压器在工作过程中表现为以下特征。

第一，柴油机处于额定功率转速位置时，能够提供充足的扫气压力以及废气量，同时保证有充盈的空气含量，确保燃料能够充分燃烧，降低燃油消耗量。

第二，柴油机处于低功率运行时，需要保证有足够的空气含量，满足基本的燃料需求，同时缓解排气位置的热效应。

第三，在柴油机任何一个转速区间内，涡轮增压器均能正常、稳定运行，不会出现喘振以及堵塞等现象[5]。

3  结论

第一，在进行柴油发动机和涡轮增压的配合实验时，要以GB中的数据为参考，结合实际的实验环境进行数据分析，从而得到柴油发动机正常运行所要的扫气压力值。

第二，在进行柴油发动机和涡轮增压的配合实验时，所选用的涡轮增压器的运转效率也不是越高越好，在实际选择过程中要结合柴油机的性能参数以及增压器的工作形式进行综合考虑，从而选出符合实际工况的涡轮增压器工作效率值。

第三，对柴油发动机和涡轮增压器进行配合实验，本质上就是对发动机扫气压力、增压器工作效率值以及喘振裕度3个因素进行配合，力求寻找到一个平衡点。

参考文献

[1] 倪计民，刘越，石秀勇，等.可变喷嘴涡轮增压及废气再循环系统改善柴油机排放性能[J].农业工程学报，2016，32（16）：82-88.

[2] 王海燕，赫伟建，张旭升，等.涡轮增压器热力学模型与柴油机动态仿真[J].内燃机工程，2017，38（2）：128-134.

[3] 何清林，王贺春，王银燕，等.船用V型柴油机大小涡轮增压器相继增压切换过程试验研究[J].内燃机工程，2013，34（2）：12-17，23.

[4] 郭鹏江，王天灵，吴君华，等.可变喷嘴涡轮增压器喷嘴环叶片位置对柴油机性能的影响[J].内燃机工程，2010，31（2）：41-47.

[5] 孙万臣，韩永强，刘忠长，等.可变喷嘴涡轮增压器对车用柴油机瞬态性能的影响[J].汽车工程，2006（2）：122-124.