相繼增壓發(fā)展應(yīng)用

相繼增壓國外

二十世紀(jì)七十年代末期,MTU 公司首先開發(fā)出相繼增壓系統(tǒng) ，隨后成功應(yīng)用在該公司之后生產(chǎn)的 396 系列 16 缸機，538 系列 16 缸、20 缸機，595 系列，1163-03 系列，2000 系列，4000 系列以及 8000 系列高性能指標(biāo)柴油機。

1995 年，MTU 公司生產(chǎn)出迄今為止功率最大的 MTU20V8000 型艦船用柴油機 。

1983 年，法國 SEMT pielstick 公司開始在 16PA4-200VG-D6、PA6-280、PC4-570系列柴油機上進行相繼增壓技術(shù)研究。1988 年，首次將研制出的 12PA6-280STC 船用柴油機安裝到“LaFayette”級護衛(wèi)艦，航速 12kn、16kn 時可分別節(jié)油 12%、16%。

1992年，德國KKK公司渦輪增壓器廠在漢諾威貨車上提出了一種用于車用和工業(yè)用柴油機的相繼渦輪增壓系統(tǒng) 。

1993 年，Mercedes-Benz 為 MTU12V396TE14 型柴油機選配 2 臺增壓器的相繼增壓系統(tǒng)，并首次安裝到 DF200 型內(nèi)燃機車上，提高了機車的整體性能。

1998 年，美國海軍運用相繼增壓技術(shù)對裝備在 LPD-17 船塢運輸艦上的帶增壓放氣的 16V PC2-5 中速柴油機進行了改造，使該機標(biāo)定點功率增加了 22%，燃油消耗率降低了 9%，低負(fù)荷性能也得到較大改善。

意大利Isotta Fraschini公司的V1312HPCR-4V柴油機，日本Niigata公司的16V20FX柴油機，芬蘭 Wartsila 公司的 18V26X 柴油機，以及德國 MAN 公司的 V28/33D STC 柴油機都使用相繼增壓機型，幾家公司設(shè)計的相繼增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與 Pielstick 相類似，與MTU 公司比，這種相繼增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于高工況放氣以及進排氣旁通技術(shù)的應(yīng)用。但由于其結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)動慣量相對較大，在切換過程中想實現(xiàn)平穩(wěn)切換要比 MTU 公司的多個增壓器組成的相繼增壓系統(tǒng)難度更大 。

相繼增壓國內(nèi)

國內(nèi)方面，哈爾濱工程大學(xué)一直在相繼增壓系統(tǒng)的自主研發(fā)與生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。1991 年，率先開展了相繼增壓柴油機熱力過程的計算與分析，隨后與陜西柴油機廠合作完成了針對 12V PA6-280 STC MPC 柴油機的理論及試驗研究；1996 年~2000 年間，研發(fā)出 16PA6-280STC 柴油機的相繼增壓系統(tǒng)及 STC 控制儀，并已批量生產(chǎn)。

中國北方發(fā)動機研究所以 12V150 柴油機為基礎(chǔ)，完成了 MPC STC 的系統(tǒng)改造，并對其 1TC 和 2TC 狀態(tài)分別進行了外特性試驗，確定了 STC 系統(tǒng)的切換點。上海交通大學(xué)基于 D6114 車用柴油機進行大小渦輪相繼增壓系統(tǒng)改造，并對改造后的相繼增壓系統(tǒng)進行了理論和試驗研究。上海 711所針對 MWMTBD234V8 型船舶柴油機應(yīng)用相繼增壓技術(shù)進行了一些理論與性能試驗研究，并研制了電子控制系統(tǒng) 。

相繼增壓系統(tǒng)適用于工作范圍寬,負(fù)荷變化大,增壓比較高,對低速大扭矩要求較高和經(jīng)濟性要求好的場合。

相繼增壓優(yōu)點

相繼增壓技術(shù)能夠充分利用廢氣能量，提高了增壓壓力，很大程度上改善了柴油機低工況的燃油經(jīng)濟性、動力性和排放性，可以有效地擴大運行范圍!提高經(jīng)濟性能和減少排放,同時可縮短加速時間。

相繼增壓缺點

系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要增壓控制閥和控制系統(tǒng)。

柴油機在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工況下運行時，增壓壓力和空氣流量迅速下降，為了擴大高增壓發(fā)動機的運行范圍，增大發(fā)動機低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩，降低部分負(fù)荷的油耗率和排放，開發(fā)了一種以定壓增壓為基礎(chǔ)的相繼渦輪增壓系統(tǒng)。

相繼增壓（Sequential Turbo Charging）系統(tǒng)簡稱STC系統(tǒng)，由 2 臺或 2 臺以上渦輪增壓器并聯(lián)組成增壓系統(tǒng)，隨著增壓發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增長，相繼按順序投入運行 。在轉(zhuǎn)速或負(fù)荷低于某設(shè)定值時，切斷一臺或幾臺增壓器渦輪的廢氣以及壓氣機的空氣供給，使廢氣集中流過工作著的增壓器渦輪，增加其廢氣流量，提高渦輪效率，從而能夠充分利用廢氣能量，提高增壓壓力，改善柴油機低工況的燃油經(jīng)濟性、動力性和排放性。而當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速或負(fù)荷高于某設(shè)定值時，令被切斷的一臺或幾臺增壓器重新投入使用，以保證發(fā)動機的高工況性能。

如圖1所示為兩臺徑流渦輪增壓器組成的相繼增壓系統(tǒng)工作示意圖。在并聯(lián)的渦輪進口和壓氣機進口處均安裝閥門，用來控制切入或切出渦輪增壓器運行，進排氣管也需要改造，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速或負(fù)荷高于某設(shè)定值時，令被切斷的增壓器重新投入工作，使發(fā)動機的高工況性能得到保證；而在轉(zhuǎn)速或負(fù)荷低于某設(shè)定值時，切斷一臺或幾臺增壓器渦輪的廢氣以及壓氣機的空氣供給，使廢氣集中流給工作著的增壓器渦輪，增加這幾臺增壓器渦輪廢氣流量，提高渦輪效率，從而能夠充分利用廢氣能量，提高增壓壓力，改善發(fā)動機低工況的排放性能、經(jīng)濟性及動力性。

柴油機作為主動力裝置在艦艇上得到廣泛應(yīng)用已有 50 多年歷史。增壓技術(shù)一直作為提高柴油機性能的主要手段，尤其以廢氣渦輪增壓技術(shù)為主。但是隨著增壓比的提高,增壓器的匹配矛盾也就越突出,增壓器的匹配難以同時滿足柴油機所有工況運行時的燃燒空氣的需要,在部分負(fù)荷下扭矩不足,熱負(fù)荷增大。因此,使柴油機在所有工況范圍內(nèi)獲得良好的運行性能,已成為急需解決的問題。

針對高增壓柴油機低工況性能較差和增壓器與柴油機之間的匹配等問題，國內(nèi)外開發(fā)的各種渦輪增壓系統(tǒng)，相繼增壓技術(shù)是改善高增壓柴油機低工況性能的有效手段。相繼增壓技術(shù)可以同時大幅度地改變壓氣機和渦輪的通流面積，從而有效提高增壓系統(tǒng)的綜合效率，尤其適合應(yīng)用在要求寬工作范圍、低速大扭矩和較高經(jīng)濟性的場合，因此具有良好的應(yīng)用前景。

機械增壓與渦輪增壓機械增壓

此類增壓器是以不增加引擎排氣量為前提，使動力輪輸出提升的方法。是直接利用引擎出力來驅(qū)動增壓器，再將高密度空氣送入汽缸內(nèi)以提高引擎的輸出功率。

機械增壓與渦輪增壓渦輪增壓

渦輪增壓則是利用引擎的廢氣排放來驅(qū)動壓縮機。最早的增壓器全部都是機械增壓，在剛發(fā)明時被稱超級增壓器（Supercharge），后來渦輪增壓發(fā)明之后為了區(qū)隔兩者，渦輪增壓器被稱為Turbo Supercharger，機械增壓則被稱為Mechanical Supercharger，久而久之，兩者就分別被簡化為Turbocharger與Supercharger。

機械增壓與渦輪增壓機械增壓器

壓縮機的驅(qū)動力來自發(fā)動機的曲軸，一般都是利用皮帶連接曲軸皮帶輪，間接將曲軸運轉(zhuǎn)的扭力帶動增壓器，達到增壓目的。依構(gòu)造不同，機械增壓出現(xiàn)過許多種類，包括葉片式(Vane)、魯氏(Roots)、溫克爾(Wankle)等型式，而活塞運動最早也被認(rèn)為是一種機械增壓，時至今日，則以魯氏增壓器最被廣泛使用，更是改裝的大熱門。魯氏增壓器有雙葉與三葉轉(zhuǎn)子兩種型式，以雙葉轉(zhuǎn)子較普遍，其構(gòu)造是在橢圓形的殼體中裝兩個繭形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子之間保有極小的間隙而不直接相連，藉由螺旋齒輪連動，其中一個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動的皮帶輪連結(jié)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的皮帶輪上裝有電磁離合器，在不需要增壓時即放開離合器以停止增壓，離合器則由計算機控制以達到省油的目的。機械增壓的特征，除了在低轉(zhuǎn)速便可獲得增壓外，增壓的動力輸出也與曲軸轉(zhuǎn)速成正比，即機械增壓引擎隨著轉(zhuǎn)速的提高，增壓器輸出隨之增強，因此機械增壓引擎的操作感覺與自然吸氣極為相似，卻能擁有較大的馬力與扭力。

機械增壓與渦輪增壓渦輪增壓器

原理利用發(fā)動機運轉(zhuǎn)時所排出來的廢氣，用廢氣來轉(zhuǎn)動渦輪增壓器中的排氣側(cè)轉(zhuǎn)子，而排氣側(cè)轉(zhuǎn)子與進氣側(cè)轉(zhuǎn)子是同軸異室，當(dāng)渦輪增壓器排氣側(cè)轉(zhuǎn)子達到一定轉(zhuǎn)速時(約12000rpm左右)它帶動另一側(cè)的進氣側(cè)轉(zhuǎn)子，使進氣側(cè)轉(zhuǎn)子引進外來的新鮮空氣，經(jīng)過壓縮倒入進氣歧管內(nèi)，因此渦輪增壓發(fā)動機的進氣是非自然方式，是經(jīng)過"吸進來，再壓縮"所以空氣壓力是大于大氣壓力的。渦輪增壓由于是超高轉(zhuǎn)速地運轉(zhuǎn)軸承，隨之而來的高溫排除或增壓過度的泄壓就是關(guān)鍵。常用的就是機油導(dǎo)入來潤滑與冷卻軸承，也有用水冷式的。而過高的增壓對發(fā)動機的壓縮行程與動力(爆炸)行程發(fā)生時會造成傷害，所以，有機械式地用空氣壓力作為開關(guān)或電子式地用計算機直接控制泄放壓力的動作。

機械增壓與渦輪增壓兩者的區(qū)別

機械增壓是利用發(fā)動機本身的動力，來帶動一個壓氣機，進行增壓。增壓器會消耗發(fā)動機的動力，它的轉(zhuǎn)速隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速而改變，不會出現(xiàn)增壓滯后的情況，發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時效果極好，但它受發(fā)動機轉(zhuǎn)速限制，發(fā)動機在高速狀態(tài)下它會增壓不足。

渦輪增壓是利用發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣推動排氣管中的渦扇帶動進氣管中的渦扇轉(zhuǎn)動，進行間接增壓，不消耗發(fā)動機的動力。渦輪增壓器轉(zhuǎn)速極高，所增壓力也比機械增壓器高數(shù)倍。但由于渦扇有慣性，中間軸承也有相當(dāng)大的阻力，廢氣突然增多時渦扇轉(zhuǎn)速不會在同時提高，這也就是渦輪遲滯。