0 引　言

柴油机凭借其经济性优越、动力性能强劲、功率覆盖范围广以及使用寿命长等显著优势，在船舶动力领域持续占据主导地位^[1]。涡轮增压技术作为柴油机性能优化的重要手段，通过废气能量回收可有效提升功率输出、降低燃油消耗率并减少污染物排放。然而，传统涡轮增压系统存在固有技术瓶颈：其涡轮转子完全依赖废气动能驱动，在发动机启动、加速等瞬态工况下，涡轮转速响应滞后于燃油喷射系统的调控速率，导致压气机进气流量与燃油供给量产生动态失配。这种响应迟滞特性不仅限制了增压系统的瞬态反应能力，还导致高效工作区间覆盖率不足，难以满足现代高增压柴油机在全工况范围内对进气系统的动态响应要求和能效优化需求^[2]。为解决这些弊端，国内外研发出了两级增压^[3]、相继增压^[4]、可变截面涡轮^[5]、电辅助增压^[6]等先进增压技术。相继增压（Sequential turbocharging, STC）系统采用多台并联涡轮增压器架构，通过控制系统实现按需匹配：随着柴油机负荷变化动态调节增压器启用数量，特别针对低负荷工况实施动态气量补偿，从而精准保障全工况范围内的进气压力稳定性 ^{[7 - 8]}。

相继增压技术于20世纪80年代由德国的MTU公司提出并率先应用于1163型号柴油机，使其有效功率提高超过40%^[9]。此后，MTU公司^[10]生产了采用4台增压器相继增压的MTU20V8000型柴油机，有效提升了柴油机性能^[11]。奔驰公司将MTU12V396TE14型柴油机应用于日本DF200型内燃机车上，该型柴油机利用2台增压器相继增压，在低负荷工况1TC状态下，最低燃油消耗率可降至210 g/kWh^[12]。Dziedzik等^[13]利用最优涡轮增压切换策略的极限创建了一种相继增压控制器，该控制器根据发动机的运行条件来改变涡轮增压器的相位，以确保发动机的最大效率。

黄建华等^[14]将V型机改造为2增压器的相继增压系统，计算表明性能优化效果明显：低工况下油耗下降了3～19 g/kWh，增压压力提高0.01～0.05 MPa，排气温度降低30℃～90℃。Zhang等^[15]建立了顺序涡轮增压柴油机增压压力的灰色预测模型，该模型对增压预测结果的相对误差为2.5%。何清林等^[16]对船用V型柴油机大小涡轮相继增压的切换延迟时间进行了研究，避免柴油机在切换过程中由于切换延迟不当引起的增压器喘振和倒流现象。Shi等^[17]提出了可变截面与相继增压 （VGT-STC） 复合增压系统，结果表明，采用VGT-STC复合增压控制策略后，发动机工作范围扩大了10%，烟度、燃油消耗率和排气温度分别降低了0.057、8.2 g/kWh和64℃。李先南等^[18]将两级增压与相继增压技术相结合，在完成增压系统与柴油机的匹配后利用GT-Power仿真并进行了试验验证。试验结果表明，采用1TC可以改善中低负荷增压压力不足的问题，20%负荷燃油消耗率比原机降低8.21%，在60%负荷燃油消耗率181.5 g/kWh，较原机下降8.08%，经济性和动力性均得到明显改善。Leng等^[19]研究了两级相继系统增压模式切换过程中进排气能量迁移与排气能量分布的关系，优化后的气门控制策略可以实现切换过程中排气能量的合理分配和高效利用。Qiu等^[20]从瞬时燃烧特性及波动方向对两级相继增压系统进行研究，当吸入开关阀比排气开关阀晚0.9 s打开时，涡轮增压系统的回流和电涌风险最小。秦伟等^[21]对某船用相继增压柴油机进气系统进行了设计仿真优化，优化后的两侧进气流量的最大偏差仅为0.23%。

本研究突破传统单方案对比模式，针对某型船用V型柴油机动力特性，设计提出了2种差异化相继增压系统方案，基于GT-Power仿真平台建立推进特性仿真模型，通过全工况动态仿真研究不同增压方案对柴油机综合性能的影响。研究采用多维参数分析方法，综合考虑冷后压力、最高爆压、涡前排温、油耗、空燃比等关键参数，据此制定最优化的相继增压模式切换控制策略。特别针对船舶动力系统典型低负荷运行场景，进一步分析采用所提出相继增压系统方案的发动机在低负荷工况下的运行状态。为船用柴油机增压系统设计优化提供了创新性技术路径。

1 研究方案 1.1 研究对象

本研究基于某船用V型柴油机进行增压系统的仿真研究，其主要性能参数如表1所示。

1.2 相继增压系统方案设计

对上述船用V型柴油机进行相继增压系统方案设计，图1(a)为两增压器相继增压系统方案，图1(b)为三增压器相继增压系统方案。其中，增压器1为基本增压器，增压器2、增压器3为受控增压器。在受控增压器涡轮前加装燃气阀，受控压气机后加装空气阀，进气集中后安装中冷器。当柴油机低工况运行时，阀门均关闭，只有基本增压器工作，此时工作状态为1 TC；当负荷逐渐增加，燃气阀与空气阀打开，受控增压器相继投入工作，此时为2 TC或3 TC。

1.3 GT-Power建模及校核

本文运用GT-Power软件建立了柴油机三增压器相继增压方案下的一维仿真计算模型，主要包括气缸、进排气系统、曲轴箱、涡轮增压系统等。

其中，柴油机的燃烧放热规律采用双韦伯方程，即分别用2个韦伯函数来描述预混燃烧与扩散燃烧2个阶段。其燃烧模型如下：

$ \frac{{\rm{d}}x}{{\rm{d}}\phi }=\beta \frac{{\rm{d}}{x}_{p}}{{\rm{d}}\phi }+\left(1-\beta \right)\frac{{\rm{d}}{x}_{d}}{{\rm{d}}\phi } 。$

(1)

式中：$ \beta $为预混燃烧燃料量占循环喷油量的比例；$ {\mathrm{d}x_p}/{\mathrm{d}\phi} $为预混燃烧的燃烧速率；$ {\mathrm{d}x_d}/{\mathrm{d}\phi} $为扩散燃烧的燃烧速率。

$ \frac{{\rm{d}}{x}_{p}}{{\rm{d}}\phi }=6.908\frac{{m}_{p}+1}{{\phi }_{p}}{\left(\frac{\phi -{\phi }_{{B}_{p}}}{{\phi }_{p}}\right)}^{{m}_{p}}{\rm{exp}}^{-6.908{\left(\frac{\phi -{\phi }_{{B}_{p}}}{{\phi }_{p}}\right)}^{{m}_{p}+1}}，$

$ {\phi }_{{B}_{p}}\leqslant \phi \leqslant {\phi }_{p}，$

(2)

$ \frac{{\rm{d}}{x}_{d}}{{\rm{d}}\phi }=6.908\frac{{m}_{d}+1}{{\phi }_{d}}{\left(\frac{\phi -{\phi }_{{B}_{d}}}{{\phi }_{d}}\right)}^{{m}_{d}}{\rm{exp}}^{-6.908{\left(\frac{\phi -{\phi }_{{B}_{d}}}{{\phi }_{d}}\right)}^{{m}_{d}+1}} ，$

$ {\phi }_{{B}_{d}}\leqslant \phi \leqslant {\phi }_{d}。$

(3)

式中：$ {m}_{p} $为预混燃烧品质系数；$ {m}_{d} $为扩散燃烧品质系数；$ {\phi }_{p} $为预混燃烧持续期；$ {\phi }_{d} $为扩散燃烧持续期；$ {\phi }_{{B}_{p}} $为预混燃烧始点；$ {\phi }_{{B}_{d}} $为扩散燃烧始点。

在此模型下对柴油机各运行工况进行了仿真计算。图2为50%及100%工况下柴油机缸压与放热率的试验仿真对比图。可以看出，仿真值与试验值基本吻合，此模型能够体现缸内燃烧过程的特点。

2 仿真结果与分析

本研究利用GT-Power分别对采用2种相继增压系统方案的柴油机进行推进特性条件下的仿真计算，选取标定功率的10%、15%、20%、30%、40%、50%、55%、60%、65%、70%、80%、90%、100%作为研究工况点。经过讨论确定，两增压器方案下1 TC仿真运行区域设定为10%～90%工况，2 TC20%～100%工况；三增压器方案下1TC仿真运行区域10%～60%工况，2 TC10%～80%工况，3 TC30%～100%工况。仿真后对其进行分析比较。

2.1 不同相继增压方案对柴油机性能影响

图3为分别采用两增压器与三增压器相继增压时对柴油机进气压力与爆压影响的对比图。由图3(a)可知，2种增压方案1 TC运行工况下的空冷后进气压力均先升高后降低。这是因为单增压器运行时能够增加低工况进气，随着负荷增大，仅一个增压器所能提供的进气量有限，且负荷越大问题越明显。而2 TC与3 TC在高负荷工况下提供的进气压力比较理想。图3(b)为最高爆发压力对比，可以看出，低工况下2种增压方案1 TC的爆压要高于2 TC或3 TC，20%负荷时最为显著。这主要是因为低工况下，柴油机排气量较少，若处于2 TC或3 TC工作状态，废气需流经多个涡轮，每个增压器所获得废气量不足，涡轮效率降低，导致压气机增压压力降低，进入气缸的空气量减少，空燃比下降，燃烧不充分，故爆压较低。在高工况下，多个增压器同时运行时能够提供足够的进气，燃烧效果更好，因此2 TC及3 TC在高工况时爆压较高，其中，三增压器方案在2 TC状态下从70%负荷开始超过爆压限制值22 MPa。

涡前排温方面如图4(a)所示，总体来看2种增压方案各运行工况下均未超过限值720℃。当处于低负荷工况时，1 TC运行状态涡前排温较低，是由于低工况仅一个增压器投入工作时，涡轮转速升高，压气机转速随之升高，增压压力较高，过量空气系数提高，空燃比较高，见图4(b)，燃烧效果变好，降低了缸内热负荷，涡前排气温度下降。2 TC与3 TC运行状态的涡前排温都随着负荷增加有段大幅降低，是因为随着负荷增加，2 TC与3 TC有多个增压器同时提供进气，由图4(b)可以看出，此时的空燃比逐渐升高，缸内燃烧充分，涡前排温随之下降。

图5(a)为2种增压方案对柴油机经济性的影响。由图可知，10%负荷时1 TC状态下油耗最低，三增压器方案的1 TC油耗比2 TC降低7.4 g/kWh。柴油机采用两增压器方案时，0～50%负荷下1 TC有效燃油消耗率最低，50%～100%负荷下2 TC运行状态油耗低于1 TC。采用三增压器方案，0～12%负荷1 TC条件下油耗最低，2 TC油耗最低负荷区间为12%～70%，高于70%负荷以3 TC运行最为经济。综合考虑上述涡前排温、爆压等限制因素，相继增压切换控制策略为：两增压器方案于50%负荷由1 TC切换至 2 TC；三增压器方案低于12%负荷为1 TC，在12%负荷1 TC切换至2 TC，到70%负荷时将2 TC切换至3 TC。

根据上述切换控制策略，2种增压方案油耗对比见图5(b)。从图中可以看出，两增压器方案油耗最低位于1 TC20%负荷处，为188.8 g/kWh，三增压器方案在2 TC40%负荷处油耗最低，为189.7 g/kWh。负荷低于12%时，三增压器方案油耗优于两增压器方案油耗；负荷为12%～30%时，两增压器方案油耗更低；三增压器在30%～100%负荷有效燃油消耗率均低于两增压器，油耗最低可减少约12.6 g/kWh，下降了6.1%。

综合分析2种相继增压方案对柴油机全工况性能的影响，三增压器方案较两增压器方案更适合本文所研究柴油机。

2.2 三增压器相继增压低负荷性能分析

对于本文所采用三增压器相继增压的柴油机，在1TC切换策略下，对推进特性条件下10%低负荷工况进行了详细计算，计算结果如图6所示。可以看出，涡前进气压力在整个工作循环过程均保持在稳定范围内，涡前排温保持在400℃左右小范围波动，远小于涡前排温限值。空冷后进气压力与进气温度分别保持在0.2867 MPa与45.6℃附近比较稳定地波动。由上节可知柴油机在三增压器1 TC模式10%负荷对应爆压为11.5 MPa，有效燃油消耗率为205.8 g/kWh，运行效果较好。

3 结　语

本文针对某船用V型柴油发动机，设计提出了2种相继增压系统方案，通过GT-Power仿真分析其对柴油机性能影响，得出以下结论：

1）柴油机分别采用2种增压方案后，在低工况状态下，1 TC模式的进气较充足，增压压力增加，缸内燃烧良好，动力性及经济性较好。当负荷逐渐增加，切换为2 TC或3 TC后，涡前排温、爆压有所改善，能够满足中高工况下柴油机性能要求。

2）以柴油机经济性为原则，同时考虑爆压、涡前排温等限制因素，分析得出两增压器时切换策略为50%负荷由1 TC切换至2 TC，三增压器切换策略为1 TC于12%负荷切换至2 TC，直至70%负荷再次切换为3 TC。在此切换策略下对油耗进一步对比得出，柴油机采用三增压器相继增压时，燃油经济性较两增压器更低，油耗最低可减少12.6 g/kWh，约下降6.1%。

3）通过对三增压器方案10%负荷低工况性能分析，柴油机涡前压力、排气温度、进气压力及温度均保持在稳定范围内，同时爆压能够达到11.5 MPa，油耗低至205.8 g/kWh，故能够实现良好运行。