电动复合增压对柴油机高海拔性能的影响_陈龙.pdf

第2卷 第2期V o l.2 N o.2 2 0 2 3年4月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A A p r.2 0 2 3电动复合增压对柴油机高海拔性能的影响陈 龙,张颖超,潘小兵,李 龙(陆军工程大学 通信士官学校,重庆 4 0 0 0 3 5)摘要:受高原环境影响,柴油机燃烧恶化,造成功率降低、油耗增高、有害排放物增多。采用废气涡轮增压能够一定程度改善上述问题,但也存在涡轮响应滞后、超速、喘振、增压效率随着海拔高度的增加而降低等不足。为有效解决上述问题,通过增加一级电动增压器的方法来改善柴油发电机组的高原环境适应性,利用G T-S U I T E软件分别构建了某型发电用废气涡轮增压柴油机和电动复合增压的数值仿真模型,分析了电动复合增压技术对发电用柴油机高海拔性能的影响。结果表明,电动复合增压不仅能有效恢复柴油机输出功率和扭矩,海拔5 0 0 0 m时,输出功率和扭矩分别提升了5.7%和9.2%,还可以有效降低燃油消耗率,海拔4 5 0 0 m时的效果最好,减少了原机8.1%的油耗率。同时,对减少尾气中C O、H C化合物的排放也有一定效果。关键词:废气涡轮增压器;电动增压器;电动复合增压;柴油机;高原环境适应性 中图分类号:T K 4 2 1+.8D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 2 0 3 2 4 0 0 3E f f e c t s o f E l e c t r i c C o m b i n e d S u p e r c h a r g i n go n H i g h-A l t i t u d e P e r f o r m a n c e o f D i e s e l E n g i n e CHE N L o n g,Z HANG Y i n g c h a o,P AN X i a o b i n g,L I L o n g(C o mm u n i c a t i o n s N C O A c a d e m y,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 5,C h i n a)A b s t r a c t:A f f e c t e d b y t h e p l a t e a u e n v i r o n m e n t,t h e c o m b u s t i o n d e t e r i o r a t i o n o f d i e s e l e n g i n e l e a d s t o p o w e r r e d u c t i o n,i n c r e a s e d f u e l c o n s u m p t i o n a n d m o r e h a r m f u l e m i s s i o n s.T h e u s e o f e x h a u s t g a s t u r b o-c h a r g i n g c a n s o l v e t h e p r o b l e m s t o a c e r t a i n e x t e n t,b u t t h e r e a r e a l s o s h o r t c o m i n g s s u c h a s t h e l a g o f t u r-b o r e s p o n s e,o v e r s p e e d,s u r g e,a n d t h e r e d u c t i o n o f b o o s t e f f i c i e n c y w i t h t h e i n c r e a s e o f a l t i t u d e.T o i m-p r o v e i t s a d a p t a b i l i t y t o t h e p l a t e a u e n v i r o n m e n t,t h e m e t h o d o f a d d i n g o n e m o r e s t a g e o f e l e c t r i c b o o s t e r w a s s t u d i e d.U s i n g G T-S U I T E s o f t w a r e,t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n m o d e l s o f a c e r t a i n t y p e o f e x h a u s t g a s t u r b o c h a r g e d d i e s e l e n g i n e f o r p o w e r g e n e r a t i o n a n d a n e l e c t r i c c o m b i n e d s u p e r c h a r g i n g w e r e e s t a b l i s h e d.T h e e l e c t r i c c o m b i n e d s u p e r c h a r g i n g o n t h e h i g h-a l t i t u d e p e r f o r m a n c e o f d i e s e l e n g i n e f o r g e n e r a t i o n w a s a n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o m p o u n d e l e c t r i c s u p e r c h a r g i n g c a n n o t o n l y r e s t o r e t h e o u t p u t p o w-e r a n d t o r q u e o f t h e d i e s e l e n g i n e e f f e c t i v e l y,b u t a l s o r e d u c e t h e f u e l c o n s u m p t i o n r a t e.A t a n a l t i t u d e o f 5 0 0 0 m,t h e o u t p u t p o w e r a n d t o r q u e a r e i n c r e a s e d b y 5.7%a n d 9.2%r e s p e c t i v e l y,a n d t h e f u e l c o n-s u m p t i o n r a t e h a s b e e n r e d u c e d b y 8.1%a t t h e a l t i t u d e o f 4 5 0 0 m.A t t h e s a m e t i m e,i t a l s o h a s a c e r-t a i n e f f e c t o n r e d u c i n g t h e e m i s s i o n s o f C O a n d HC c o m p o u n d s i n t h e e x h a u s t g a s.K e y w o r d s:e x h a u s t g a s t u r b o c h a r g e r;e l e c t r i c s u p e r c h a r g e r;e l e c t r i c c o m b i n e d s u p e r c h a r g i n g;d i e s e l e n g i n e;a d a p t a b i l i t y t o p l a t e a u e n v i r o n m e n t 收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 4基金项目:军内科研项目(2 0 2 1-J C J Q-J J-1 2 1 6,L J 2 0 2 1 C 0 1 1 1 1 1)。第一作者:陈 龙,硕士研究生,主要研究军事电源,C L 1 3 1 5 7 2 2 6 2 1 01 6 3.c o m。通信作者:张颖超,博士,教授,主要研究军事电源、电力电子与电力传动,z h a n g y i n g c h a o t s i n g h u a.o r g.c n。现代战争离不开电,“安全、高效、可持续”是对供电保障的基本要求。柴油发电机组是我军野战供电系统中的核心要素,其持续稳定供电能力、环境适应能力和安全防护能力直接影响军事装备的战斗力发挥。柴油机是柴油发电机组的动力源,在高原环境下,由于空气密度和含氧量降低,导致柴油机进气量不足,燃烧恶化,造成发电机组输出功率下降、油耗增高、有害排放物增多等问题1-2,严重影响发电机组性能,降低了战场能源利用率,甚至容易暴露目标,成为敌方侦查打击的引信。因此,如何提高柴油发电机组高原环境适应性,进而提高其供电稳定性和可靠性,是军事供电保障领域亟待解决的问题。加装废气涡轮增压器是目前提升柴油机高原环境适应性的主要手段。但涡轮增压效果会随海拔升高而下降,严重时会导致涡轮超速而降低效率3,此外还存在响应滞后、超速、喘振等问题。姜泽浩等4做了高原环境对涡轮增压柴油机性能影响的试验,发现柴油机性能在海拔4 5 0 0 m时与平原相比,功率和扭矩分别下降了2 3.1%和1 2.5%,最高排气温度接近涡轮入口极限温度,增压器在高原易出现喘振现象。因此,二级增压系统成为解决柴油机高原环境适应性的新思路5-7,但二级增压的难点在于调节高低增压器的增压压力比,Z h a n g等8提出了不同海拔高度的最佳压力比分布等效涡轮面积比,使输出扭矩在海拔3 0 0 0 m时不下降。但普通二级增压的动力全部来自柴油机排出废气,二级增压会使柴油机排气背压升高,减小涡轮膨胀比,增压器效率降低,导致进气量减少燃烧恶化,采用带放气阀的二级涡轮增压可降低排气背压,但同时会浪费掉部分废气能量9,采用可变截面涡轮增压技术可提高增压系统效率,但会加大系统控制的复杂程度1 0。电动增压器具有响应速度快、控制简单、安装灵活方便等优点,可有效弥补废气涡轮增压的不足。但受限于流量和电能供应,电动增压一般不做稳态运行1 1,博格华纳公司在2 0 2 0年推出了其第二代电动增压器,可实现2.5 kW的稳态运行和永久增压1 2。本文针对发电用柴油机,研究将废气涡轮增压器和电动增压器组合成电动复合增压系统的技术方案,仿真分析其对柴油机高海拔性能的影响。1 电动复合增压系统设计目前柴油机的高原环境适应性研究主要集中在车用柴油机上,对发电用柴油机的高原环境适应性技术研究不多。本文以某型标定功率8 0 k W的发电用废气涡轮增压柴油机为研究对象。表1是其功率以及C O和H C化合物排气量随海拔高度变化的数据。表1 废气涡轮增压柴油机功率及C O、H C化合物排放量随海拔高度变化海拔高度/m功率/kWC O(g/kW h)HC化合物/(gkW-1h-1)08 0.00.0 1 1 30.0 0 2 1 75 0 07 9.50.0 1 1 80.0 0 2 1 91 0 0 07 8.80.0 1 2 40.0 0 2 2 11 5 0 07 8.50.0 1 2 80.0 0 2 2 22 0 0 07 7.60.0 1 3 50.0 0 2 2 52 5 0 07 6.60.0 1 4 30.0 0 2 2 83 0 0 07 5.40.0 1 5 20.0 0 2 3