相繼增壓

基本介紹

• 中文名：相繼增壓
• 外文名：Sequential Turbo Charging ,STC
• 有效方法：提高柴油機低工況性能
• 工作原理：低轉速、低負荷工況下運行

概述

相繼渦輪增壓系統

相繼增壓（Sequential Turbo Charging ,STC），是指兩台或由者兩台以上渦輪增壓器並聯組成的增壓系統。相繼增壓技術是解決柴油機與增壓器匹配矛盾，提高柴油機低工況性能的有效方法之一。

概要

柴油機作為主動力裝置在艦艇上得到廣泛套用已有 50 多年歷史。增壓技術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,在部分負荷下扭矩不足,熱負荷增大。因此,使柴油機在所有工況範圍內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，國內外開發的各種渦輪增壓系統，相繼增壓技術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的綜合效率，尤其適合套用在要求寬工作範圍、低速大扭矩和較高經濟性的場合，因此具有良好的套用前景。

工作原理

柴油機在低轉速、低負荷工況下運行時，增壓壓力和空氣流量迅速下降，為了擴大高增壓發動機的運行範圍，增大發動機低轉速的轉矩，降低部分負荷的油耗率和排放，開發了一種以定壓增壓為基礎的相繼渦輪增壓系統。

相繼增壓（Sequential Turbo Charging）系統簡稱STC系統，由 2 台或 2 台以上渦輪增壓器並聯組成增壓系統，隨著增壓發動機轉速和負荷的增長，相繼按順序投入運行。在轉速或負荷低於某設定值時，切斷一台或幾台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濟性、動力性和排放性。而當發動機轉速或負荷高於某設定值時，令被切斷的一台或幾台增壓器重新投入使用，以保證發動機的高工況性能。

如圖2所示為兩台徑流渦輪增壓器組成的相繼增壓系統工作示意圖。在並聯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，當發動機轉速或負荷高於某設定值時，令被切斷的增壓器重新投入工作，使發動機的高工況性能得到保證；而在轉速或負荷低於某設定值時，切斷一台或幾台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，增加這幾台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，改善發動機低工況的排放性能、經濟性及動力性。

優缺點

相繼增壓系統適用於工作範圍寬,負荷變化大,增壓比較高,對低速大扭矩要求較高和經濟性要求好的場合。

優點

相繼增壓技術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濟性、動力性和排放性，可以有效地擴大運行範圍!提高經濟性能和減少排放,同時可縮短加速時間。

缺點

系統較為複雜，需要增壓控制閥和控制系統。

發展套用

國外

二十世紀七十年代末期,MTU 公司首先開發出相繼增壓系統，隨後成功套用在該公司之後生產的 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 系列高性能指標柴油機。

MTU20V8000

1995 年，MTU 公司生產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研究。1988 年，首次將研製出的 12PA6-280STC 船用柴油機安裝到“LaFayette”級護衛艦，航速 12kn、16kn 時可分別節油 12%、16%。

1992年，德國KKK公司渦輪增壓器廠在漢諾瓦貨車上提出了一種用於車用和工業用柴油機的相繼渦輪增壓系統。

1993 年，Mercedes-Benz 為 MTU12V396TE14 型柴油機選配 2 台增壓器的相繼增壓系統，並首次安裝到 DF200 型內燃機車上，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，使該機標定點功率增加了 22%，燃油消耗率降低了 9%，低負荷性能也得到較大改善。

義大利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，幾家公司設計的相繼增壓系統的結構與 Pielstick 相類似，與MTU 公司比，這種相繼增壓系統結構簡單，便於高工況放氣以及進排氣旁通技術的套用。但由於其結構上的轉動慣量相對較大，在切換過程中想實現平穩切換要比 MTU 公司的多個增壓器組成的相繼增壓系統難度更大。

國內

國內方面，哈爾濱工程大學一直在相繼增壓系統的自主研發與生產中發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，隨後與陝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，研發出 16PA6-280STC 柴油機的相繼增壓系統及 STC 控制儀，並已批量生產。

中國北方發動機研究所以 12V150 柴油機為基礎，完成了 MPC+STC 的系統改造，並對其 1TC 和 2TC 狀態分別進行了外特性試驗，確定了 STC 系統的切換點。上海交通大學基於 D6114 車用柴油機進行大小渦輪相繼增壓系統改造，並對改造後的相繼增壓系統進行了理論和試驗研究。上海 711所針對 MWMTBD234V8 型船舶柴油機套用相繼增壓技術進行了一些理論與性能試驗研究，並研製了電子控制系統。