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某发电用柴油机瞬态性能提升试验研究

2024-06-04 62 上传者：管理员

摘要：在某发电用柴油机开发中，遇到瞬态突加性能指标不满足要求的问题。为优化瞬态突加性能，本文对不同规格的增压器及不同冷却方式的排气管进行试验研究。结果表明：通过增压器的优化匹配，瞬态转速偏差比原方案改善14.3%,转速恢复时间比原方案减少32.0%;通过优化排气管冷却方式，选择干式排气管，实现了柴油机瞬态响应性的显著改善，瞬态转速偏差比原方案改善26.8%,转速恢复时间比原方案减少41.2%。

关键词：
增压器
柴油机
水冷排气管
瞬态转速偏差
转速恢复时间
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传统柴油机的研究主要集中在稳态性能方面，关于瞬态性能方面研究报道较少，但在平常中，柴油机多数时间处于瞬态工况。国家标准《GB/T 2820.5往复式内燃机驱动的交流发电机组-第5部分-发电机组》、《YD/T 502通信用低压柴油发电机组》、《YD/T 2888通讯用10kV高压发电机组》标准中均明确对瞬态性能指标做出严格的要求。

研究[1]表明影响增压器瞬态响应能力的参数主要有：转子转动惯量、涡轮增压器的效率及涡轮入口能量等。通常，增压器转子转动惯量越大，加速时间越长，压气机提供的空气质量流量增速越慢[2]。针对上述问题，优化涡轮增压器与柴油机的匹配性能，以改善涡轮增压器的流体力学性能，提高其瞬态响应能力[3]。增加涡轮功和减小涡轮增压器的转动惯量都可以改善涡轮迟滞现象.例如VGT系统通过关小涡轮导流叶片来减小涡轮的流通面积，进而提高排气膨胀比，涡轮可以提供更多功来压缩进气，加快了增压系统的瞬态响应[4]。小涡轮增压器具有较小的转动惯量，虽然稳定时小涡轮增压器的转速较高，但其加速过程中所需要的动能仍小于大涡轮增压器[5]。

为了提高柴油机瞬态加载能力，更好的利用废气能量，改善燃烧，研究表明[6,7,8]对排气管进行优化，也有利于优化燃烧，提升瞬态加载能力。

企业在开发柴油机时，瞬态突加负荷的瞬态转速偏差和转速恢复时间指标是一项极为重要的指标。柴油机发电机组作为部分电信行业等的动力来源，一旦出现柴油机转速下降过大导致频率低、电压低等故障，设备无法正常工作，导致数据丢失的严重后果，因此发电用柴油机对瞬态性能要求较高。

本文通过对涡轮增压器进行匹配及柴油机排气管冷却方式优化研究，提高柴油机瞬态加载性能。

1、试验装置及试验方案

1.1柴油机基本参数

本文选用某重型十二缸V型发电用柴油机进行试验，该柴油机的基本参数如表1所示。

表1柴油机基本参数

该柴油机使用两个小排量的增压器并联增压，左右两个增压器的涡轮入口分别与左右侧六个气缸的排气管出口相连接。

1.2试验台架

本文试验是在发电机组上进行，台架装置如图1所示。发动机连接发电机，发电机额定功率为1500kW,额定频率为50Hz,对应发动机1500r/min。

图1测试台架实物图

1.3试验方法

发动机带空滤进行测试，开展以下试验：

进行三种方案增压器和两种排气管方案稳态性能对比和瞬态性能对比。稳态性能对比工况选取1500r/min的25%、50%、75%、100%、110%负荷点，瞬态工况选取1500r/min瞬态突加0-60%负荷，即0kW-660kW突加，0.3s内从0kW达到660kW。

2、增压器优化匹配

2.1优化方案分析

对三款增压器参数进行对比，参数见表2增压器参数表。

表2增压器参数表

方案一在原方案基础上减小涡轮喷嘴面积，可以提高涡轮端能量利用，加大进气量。方案二在方案一的基础上减小压轮和涡轮的尺寸，降低转动惯量，增加进气量，提高瞬态的能力。

图2原方案及方案一MAP

图3方案二MAP

两个压气机最高效率一样，原方案和方案一压气机MAP如图1、方案二的压气机MAP如图2所示，两个压气机的最大效率达到80%。

2.2增压器匹配试验结果及分析

进行1500r/min的25%、50%、75%、100%、110%负荷的稳态负荷特性试验，各工况的涡前压力、排温、增压压力分别见图4、图5,方案二涡前压力、增压压力高于原方案和方案一，方案二排温低于原方案和方案一。方案二增压压力高，进气量大，燃烧充分，排温低。

图4稳态负荷特性涡前压力图

图5稳态负荷特性增压压力和排温图

由图6可以看出1500r/min瞬态突加0-60%负载，发动机增压压力在负荷突加后开始响应，增压压力达到5s后才达到稳定状态。方案一和方案二增压器响应速度比原方案更快，方案二响应最快，跟稳态下增压压力趋势吻合。提高增压压力，改善燃烧，可以提升瞬态加载性能。

图6瞬态加载0-60%负荷增压压力图

从图7中可以看出，三种方案增压器突加负荷瞬态转速偏差变化趋势，原方案为-8.84%,方案一为-7.82%,方案二为-7.58%,方案二瞬态转速偏差比原方案提升14.3%。采用小涡轮喷嘴面积能够更好地利用发动机低负荷废气能量；减小叶轮和涡轮直径，可以降低转动惯量，提升增压器的响应性，改善燃烧，提升瞬态转速偏差。图7中还可看出三种方案增压器转速恢复时间的变化趋势，原方案为3.37s,方案一为2.48s,方案二为2.29s,方案一转速恢复时间比原方案减少26.4%,方案二转速恢复时间比原方案减少32.0%。进气响应缓慢，燃烧恶化，瞬态转速偏差大，从而影响转速恢复时间。

图7瞬态加载0-60%负荷瞬态转速偏差和转速恢复时间

项目要求瞬态转速偏差大于-7%,转速恢复时间要求小于3s,增压器匹配优化不满足项目要求，下一步进行排气管方案优化。

3、排气管优化验证

3.1排气管优化方案分析

为了更好的利用废气能力，对排气管冷却方式进行优化，优化方案见表3。

表3柴油机排气管冷却方式

该表中，方案二为增压器匹配中的方案二，方案三在方案二的基础上更改为干式排气管，发动机其他配置未改变。水冷排气管外形见图8,内层是废气流通，外层是发动机循环冷却水进行冷却，废气冷却后，进入增压器，涡轮入口的能量降低，废气能量利用低。干式排气管外形见图9,无发动机循环冷却水进行冷却，废气能量利用高。

图8水冷排气管

图9干式排气管

3.2排气管优化方案试验结果及分析

进行1500r/min的25%、50%、75%、100%、110%负荷的稳态负荷特性试验。

图10稳态负荷特性涡前压力

图11稳态负荷特性的增压压力和排温

从图10、图11、试验结果看，负荷特性下，干式排气管涡前压力、排温、增压压力均高于水冷排气管。100%负荷下，干式排气管的涡前压力、排温、增压压力比干式排气管分别高16kPa、18℃ 、31kPa。

从图12可以看出两种方案0-60%瞬态突加负载的增压压力响应，干式排气管增压压力响应速度比水冷排气管快，跟稳态下增压压力趋势吻合。

图12瞬态加载0-60%负荷增压压力图

从图13中可以看出，瞬态加载0-60%负荷瞬态转速偏差，水冷排气管为-7.58%,干式排气管为-6.47%,干式排气管比水冷排气管改善14.6%。水冷排气管转速恢复时间为2.29s,干式排气管转速恢复时间为1.98s,干式排气管比水冷排气管减少13.5%。干式排气管对废气能量利用率更高，推动增压器做功的能量增加，增压压力增加，进气量增加，燃烧改善，有效提升瞬态能力。

图13瞬态加载0-60%负荷瞬态转速偏差和转速恢复时间

综上结果表明，通过对增压器优化匹配和排气管冷却方式优化研究，采用小轮径增压器和干式排气管的方案，瞬态突加0-60%负荷，瞬态转速偏差为-6.47%,转速恢复时间为1.98s,相对于原方案，瞬态转速偏差改善26.8%,转速恢复时间减少41.2%,满足项目开发要求。

4、结论

本文通过对某重型十二缸发电用柴油机瞬态性能进行一系列的优化研究，结论如下：

1.增压器减小涡轮喷嘴面积，可以提高增压压力，改善燃烧，从而提高柴油机的瞬态加载能力。方案一瞬态转速偏差比原方案提升11.5%,转速恢复时间从3.37s降低到2.48s,时间减少26.4%。

2.减小增压器叶轮和涡轮直径，同时配合降低涡轮喷嘴面积，降低增压器转动惯量，提高增压器响应性可以提高柴油机的瞬态加载能力。方案三瞬态转速偏差比原方案提升14.3%,转速恢复时间从3.37s降低到2.29s,时间减少32.0%。

3.通过优化排气管，提高废气能量的利用，结合优化增压器，瞬态加载0-60%负荷，方案三比原方案瞬态转速偏差改善26.8%,转速恢复时间减少41.2%,满足项目要求。

参考文献:

[1]黄昕煜,邱苗,崔毅,等.增压柴油机瞬态特性的评估方法[J].车用发动机,2016(1)22-27.

[2]王智慧,王宏波,毕金光.车用涡轮增压器瞬态响应性评估与测试[J].柴油机,2024(4)46-52.

[3]刘建英.高强化柴油机燃烧系统参数优化匹配的多维仿真研究[D].北京:北京交通大学,2007.

[6]李洪波,张洋洋,孙放,张福根,付永刚,吴永强,王建光柴油机排气管结构对性能影响研究[J].内燃机,2023(1)23-29.