柴油机相继增压系统防喘振技术研究

摘要

相继增压是改善中高速大功率增压柴油机低工况性能最为有效的方法,可以有效地扩大柴油机运行范围、提高经济性、减少排放,但是,如果切换点和切换延迟时间等参数选择不当,在动态切换中,容易导敛压气机喘振、增压器超速、燃烧排放恶化等问题。为了解决相继增压系统切换过程中可能出现的喘振现缘,本文将压气机喘振主动控制技术应用至相继增压系统防喘振控制中,设计了相继增压喘振主动控制系统。结果表明,控制系统可以较好地抑制相继增压系统切换过程出现的喘振现象,为相继增压系统切换的平稳性控制及其安全运行提供了新思路。本文主要研究内容如下:
　　 1.涡轮增压器压气机稳态性能试验。根据涡轮增压器压气机稳态性能试验和相继增压系统切换试验的要求,将增压器试验台与相继增压柴油机试验台相结合设计了相继增压热动力试验台,采用燃烧器系统代替大功率柴油机进行相继增压技术的研究,涡轮进门参数柔性可调,更易于控制相继增压系统的工作状态。试验台可以在外循环和自循环模式下进行由3台涡轮增压器构成的不同结构形式的相继增压系统的相关试验,也可以对单台涡轮增压器进行稳态性能试验和动态特性试验。对试验台运行原理、总体结构设计和测控系统设计进行详细研究,进行了增压器压气机稳态性能试验,为试验台自循环切换仿真提供数据支持。
　　 2.增压器压气机喘振现象研究。建立了单台涡轮增压器构成的热动力系统仿真模型,对压气机喘振过程中的流量和压力参数变化特征进行分析,找出判断压气机进入喘振的参数及其特征。基于相继增压热动力试验台进行了压气机喘振试验研究,掌握了压气机出口容腔容积和转速对喘振周期的影响规律,利用频谱分析方法和小波分析方法对压气机喘振先兆信号进行了有效的确认,制定了压气机喘振定量判别标准。基于dSPACE实时仿真平台和LabVIEW测试平台进行了压气机喘振主动控制硬件在环仿真,利用模糊控制算法设计了喘振主动控制系统的快速控制原型,为相继增压防喘振控制算法奠定了基础。
　　 3.相继增压系统动态切换过程研究。建立了相继增压热动力系统仿真模型,在不同切入延迟时间和不同切出延迟时间以及不同容腔容积的工况下,对切入过程和切出过程进行仿真研究,得出了相继间增压系统切换过程的变化规律,并利用相继增压热动力试验台进行了验证。仿真和试验结果表明,大小涡轮相继增压系统中,大增压器作为基本增压器时,切入延迟时间的设置裕度较宽;小增压器作为基本增压器时,切入延迟时间设置裕度较小。切出过程中,空气阀也应迟于燃气阀关闭,切出延迟时间过短,受控压气机将发生严重喘振:切出延迟时间过长,将引起受控压气机倒流。由于空气阀关闭时,增压器仍具有一定转速,受控压气机一定程度的喘振不可避免,但合理的切出延迟时间可以有效降低喘振强度。
　　 4.相继增压喘振主动控制系统设计。通过对相继增压系统动态切换特性的研究,制定了相继增压喘振主动控制方案,对切换过程可能出现的喘振现象进行抑制,提高相继增压切换过程的平稳性和安全性。喘振主动控制系统以STM32F103单片机为控制核心,运用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统为架构进行多任务设计,选用放气阀作为主动控制执行机构对喘振现象进行控制。试验表明,该喘振主动控制系统呵以有效抑制棚继增压系统切换过程中的喘振现象,提高相继增压系统的性能,证明了控制器软硬件设计的合理性。