相继增压是有效改善船用涡轮柴油机低工况性能的手段之一。在相继增压切出过程中，当空气阀和燃气阀关闭后，受控增压器停止运行，柴油机的进气全部由基本增压器提供，由于增压器涡轮本身惯性的存在，柴油机的进气压力上升需要一定的时间，因此柴油机的进气量瞬间减少，燃气阀关闭后，柴油机排气流通面积减少，柴油机的排气背压升高，因此缸内空燃比瞬间降低，导致柴油机的燃烧恶化，转速波动，烟度值增加^[1-4]。为了改善切出过程中柴油机的瞬态性能，需要控制受控增压器的燃气阀和空气阀开启进行一定的时间延迟, 文献[5]对相继增压切出过程延迟时间和响应时间做出了详细的研究，适当的延迟时间会使切出过程中柴油机瞬态性能改善，但是延迟时间过长会导致受控增压器喘振。但如果仅仅通过适当的切换延迟时间并不能完全满足切出过程中的瞬态性能需求，因此需要借助其他技术手段进行改善。

压缩空气辅助是在进气量不足的情况下常采用的技术手段之一，对于船用柴油机来说，由于船舶具有独立的压缩空气系统，气源充足，而且气源压力高达3 000 kPa，完全可以利用船上的压缩空气系统。将高压气源如空气压缩机，气瓶等装置的空气喷入柴油机中，从而提高瞬时的进气量^[6-10]。本文主要针对某型相继增压柴油机，采用进气管喷气结构，研究喷气技术对相继增压柴油机切出过程瞬态性能的影响。

1 柴油机性能参数及喷气试验设计

试验所用柴油机型号为TBD234V12，其主要结构参数与性能参数为缸径128 mm，活塞行程140 mm，连杆长度255 mm，压缩比15:1，标定功率444 kW，标定标定转速1 800 r/min，增压器型号J100；为了研究喷气对相继增压柴油机瞬态性能的影响，本文对TBD234V12柴油机进行了进气管喷气装置改造，喷气系统的结构示意图如图 1所示。

为了研究喷气对切出过程中柴油机瞬态性能的影响，本文在切出过程中进行了喷气试验，喷气压力为600 kPa，喷气时间为5 s，喷气始点为空气阀和燃气阀关闭时刻。

2 三维仿真模型建立及验证

本文的通过建立柴油机进排气道，进排气阀以及气缸的三维计算模型，对该模型进行网格划分，对柴油机在相继增压切出过程中的进气过程以及燃烧排放过程进行模拟分析，研究喷气对缸内进气过程以及燃烧排放的影响规律。

本文在数值模拟中关注的为Soot和NO的含量，因此, 本文对几何模型进行了不同的网格数划分，并对按螺旋桨特性运行时50%工况下排气门开启时刻排气中Soot和NO的含量进行了网格无关性验证，其结果如表 1所示。

由表 1可知，当网格数为1 723 659后，Soot和NO计算结果随着网格数的增加变化很小，可认为1 723 659的网格数已达到网格无关。图 2为柴油机分别处于上止点和下止点时的网格图，其中上止点时的网格数为1 723 659，下止点时的网格数为1 873 478。

图 3为不同工况缸内压力计算值与试验值对比曲线，验证了该柴油机缸内燃烧数值模拟的准确性。

3 切出过程的柴油机喷气试验和仿真结果分析 3.1 喷气对切出过程柴油机性能的影响

图 4为切换过程中喷气与不喷气时柴油机的进气压力变化曲线。由图可知，当空气阀和燃气阀关闭后，进气压力迅速下降然后上升至稳定值。这是因为空气阀和燃气阀关闭后，废气全部进入基本增压器，柴油机的进气全部由基本增压器提供，而由于涡轮具有一定的惯性，基本增压器转速上升需要一定的时间，因此，在空气阀和燃气阀关闭时候，基本增压器提供的空气量不能满足柴油机燃烧所需要的空气量，导致进气压力降低，随着基本涡轮增压器转速的提高，基本涡轮增压器的压后压力上升，柴油机的进气压力上升。对比喷气和不喷气时柴油机的进气压力变化曲线可知，喷气后，柴油机的进气压力在切换过程中要比不喷气时的高。不喷气时，柴油机的进气压力在空气阀和燃气阀关闭后由119 kPa迅速下降至114 kPa，进气压力降低了5 kPa，在t=7.5 s时才能达到稳定值138 kPa，而喷气后，柴油机的进气压力在最低值比不喷气时高3 kPa，柴油机的进气在t=6.5 s时达到138 kPa后继续上升至141 kPa，当停止喷气后，柴油机的进气压力又下降至138 kPa。柴油机的进气压力达到稳定值的时间缩短了40%。

3.2 发动机转速对比分析

图 5为切出过程中柴油机的转速对比。由图可知，当空气阀和燃气阀关闭后，柴油机的转速都迅速下降，这是由于受控增压器切出后，柴油机的进气压力下降而排气压力升高，进排气压差增大，缸内进气量减少，空燃比降低，燃烧瞬间恶化，造成柴油机转速迅速下降。随着进气压力的增加，柴油机的进气量增加，柴油机转速经过几个循环的波动后将在切换点基本保持稳定。

对比切出过程中喷气和不喷气时柴油机的转速可知，不喷气时，柴油机转速经过2个波谷和2个波峰波动后趋于稳定，柴油机最高转速达到1 395 r/min，最低转速下降到1 367 r/min，转速上下波动28 r/min，并且经过约22个气缸工作循环数后才达到稳定值。而喷气后，柴油机转速波动经过了1个波谷和1个波峰后就达到稳定值，柴油机最高转速达到1 391 r/min，最低转速下降到1 375 r/min，柴油机转速上下波动16 r/min，经过约13个气缸工作循环数后转速达到稳定。因此，采用喷气技术后，柴油机的转速波动减少了42%，达到稳定转速时的气缸工作循环数减少了46%。

3.3 缸内最高爆发压力及燃烧过程分析

图 6为切出过程中喷气与不喷气时柴油机的缸内最高爆发压力变化曲线。由图可知，在燃气阀和空气阀关闭后，随着进气压力的降低，柴油机的进气量减少，最高爆发压力都降低，随着基本增压器转速上升，进气压力增加，最高爆发压力都迅速升高。对比切换过程中喷气和不喷气时柴油机的最高爆发压力可知，喷气时柴油机的缸内最高爆发压力在切出过程中比不喷气时略高，这是由于采用了喷气技术后，柴油机的进气压力比不喷气时高，缸内获得的进气量增加，柴油机的燃烧更充分，最高爆发压力也相应升高。不喷气时，柴油机的缸内最高爆发压力在最低点时为8 700 kPa，经过约79个气缸工作循环数后趋于稳定；而采用了喷气技术后，柴油机的缸内最高爆发压力在最低点时为8 830 kPa，最低值升高了6%，经过约41个循环数后趋于稳定值，最高爆发压力稳定时柴油机工作循环数缩短了48%。

为了研究喷气对切出过程中缸内燃烧的影响，本文对切出过程中t=6 s时喷气与不喷气的缸内燃烧过程进行了模拟计算。柴油机在切换点工况喷气与不喷气时缸内温度场分布对比如表 2所示，由表 2(a)、(b)可知，在-8℃A时，燃油已经开始着火，低压区面积减少，喷气比不喷气时的低温区小。由表 2(c)、(d)可知，缸内高温区由油束区向气缸壁及气缸盖底部和活塞顶端区域扩散，并且喷气比不喷气时的高温区域更大，这说明喷气后，柴油机缸内燃烧更充分；由表 2(g)、(h)可知，在40℃A时，高温区开始减少，并且温度也有一定程度的下降。对比喷气与不喷气时缸内稳定场可知，喷气比不喷气时的高温区小。

表 3为不同曲轴转角时喷气与不喷气的缸内速度场对比。对比喷气与不喷气时柴油机缸内速度场可知，在-8℃A时，喷气与不喷气时的速度场几乎没有差别；在0℃A和20℃A时，喷气后缸内速度场变化更为明显；而在40℃A时，不喷气时速度场变化更为明显。

3.4 喷气对切出过程中排放性能的影响

图 7为切出过程中喷气与不喷气时柴油机的烟度和NOx浓度变化曲线。对比切换过程中喷气和不喷气时柴油机的烟度可知，不喷气时，柴油机的烟度在t=5 s开始上升，t=7 s时达到最大，最大值为1.02 m-1，在t=8 s后才能趋于稳定。而喷气后，柴油机的烟度在t=5.3 s开始上升，在t=7 s时达到最大，最大值为0.57 m-1，最大值降低了约44%，在t=7.5 s后趋于稳定，稳定时间缩短了60%，切换过程中的烟度排放量减少了约50%；NOx浓度在切换前为3 000 mg·m^-3左右，而切换后，NOx浓度为3 600 mg·m^-3左右。对比切出过程中喷气与不喷气时的NO_x浓度变化可知，不喷气时，最低值为1 923 mg·m^-3，喷气时的最低值为2 396 mg·m^-3，喷气后，NOx浓度最低值增加了26%，NOx排放量增加了约30%。

表 4为不同曲轴转角时喷气与不喷气的缸内Soot和NOx分布图的对比。从表中可以看出，在Soot形成初期，喷气与不喷气时的Soot质量浓度场差别不大，但随着曲轴转角的增加，不喷气时的Soot浓度所对应的深色区域明显大于喷气时的Soot浓度所对应的深色区域；在NO形成初期，喷气与不喷气NOx的质量浓度场差别不大，但是随着曲轴转角的增加，喷气比不喷气时NO质量浓度对应的深色区域大。促使NO生成的两个主要因素是高温和富氧，一方面缸内燃烧温度都已经达到了NO快速生成的范围；另一方面喷气后气缸的进气量增加，缸内的空气过量系数比不喷气的时大。从表中还可以看出，活塞平顶与缸盖下端面之间以及气缸壁周围的NO浓度最高，这是由于该区域的燃烧温度较高。

图 8为喷气与不喷气时计算得到的缸内Soot质量随上止点前(before top dead center，BTDC)曲轴转角的变化曲线，箭头方向为BTDC曲轴转角变化范围。从图中可以看出，不喷气时，Soot生成量在13℃A时达到最大值，随后开始降低，而喷气时的Soot生成量在11℃A时达到最大值。对比喷气和不喷气时缸内Soot生成曲线可知，在Soot形成初期，喷气对Soot的生成影响不大，而在8℃A以后，不喷气时的碳烟浓度较喷气的时明显升高，在排气门开启时，喷气时的碳烟含量为1.25 mg，而不喷气时的碳烟含量为0.54 mg，喷气比不喷气的碳烟含量降低了约56%。

图 9为切换过程中喷气与不喷气时HC和CO浓度变化曲线。由图可知，HC浓度在切换过程中迅速增加，到达峰值后开始下降。这是由于在切出过程中，当燃气阀关闭后，柴油机的进气量减少，缸内爆压降低，而扭矩不变，造成柴油机的转速降低，调速器为了使柴油机的转速保持稳定会向缸内喷更多的油，因此，HC浓度会迅速增加。对比喷气与不喷气时HC浓度变化曲线可知，喷气后，由于进气量增加，柴油机燃烧更充分，HC浓度比不喷气时的低，HC浓度最大值降低了28%，切出过程中HC排放量减少了约30%；CO浓度在切出过程中迅速增加，随后相继降低至稳定值，这是因为当燃气阀关闭后，柴油机的进气压力降低而喷油量增加，缸内氧含量降低，CO的浓度将迅速增加。对比切换过程中喷气与不喷气时CO浓度变化可知，喷气后，CO浓度最大值降低了45%，切出过程中CO排放量减少了约35%。

4 结论

1) 采用了喷气技术后，由于柴油机的进气压力增加，柴油机瞬态性能得到了明显改善；转速波动减少了42%，达到稳定转速时气缸工作循环数减少了46%。排放性能也得到了改善，烟度排放量减少约50%，HC排放量减少了约30%，CO排放量减少了约35%，但是NOx排放量增加了约20%。

2) 在切出过程中采用喷气后，柴油机进气压力提高，柴油机的进气压力达到稳定值的时间缩短了40%，进排气压差增大，柴油机的扫气效果比不喷气时明显加强，同时缸内进气量增加。

3) 在Soot形成初期，喷气对Soot的生成影响不大，而在8℃A以后，喷气后Soot浓度明显降低，当排气阀开启时刻喷气比不喷气的碳烟含量降低约56%。