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摘要：采用定压增压方式的大型船用发动机，在匹配增压器时一般满足高速时增压适量的要求，在低速工况下会出现进气量不足造成增压器喘振、冒黑烟以及排温过高等不良后果，一般会采用增压进气旁通这种方式来优化低负荷工况。本文详细介绍某型号船用发动机上使用的进气旁通原理以及控制策略，并结合实际的试验结果阐述对发动机性能和排放的影响。
Abstract： Large Marine engines with constant pressure turbocharging generally meet the requirements of an appropriate amount of turbocharging at high speed when matching the turbocharger. Under low speed conditions， insufficient air intake will cause the turbocharger surge， black smoke and excessively high exhaust temperature. In general， charge air by-pass will be adopted to optimize the low-load conditions. In this paper， the principle and control strategy of the charge air by-pass used in a certain Marine engine are introduced in detail， and the influence on engine performance and emission is expounded based on the actual test results.
关键词：增压进气旁通;船用发动机;性能和排放
Key words： charge air by-pass;marine diesel engine;performance and emission
中图分类号：TK442 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0055-05
0 引言
经过近几十年的发展，现代船用发动机已经发展到一个较高的技术水平，已经大量配套在工程船、运输船、公务船、科考船和渔船中，促进了海洋事業的发展。越来越先进的船型对发动机的功能和适用性也提出了很高的要求，尤其是匹配定距桨的船型，经常在低负荷区域运行，要求主推进发动机在此区域内有良好的动力性和经济性。增压器作为发动机上重要的零部件，其优化匹配对发动机性能和排放参数有很大影响。
大型的船用发动机根据排气压力的能量利用程度，分为定压增压和脉冲增压两种形式。其中定压增压主要利用排气的等压能量，涡轮进口气流参数比较稳定，气流引起的激振较小，不易引起叶片断裂;涡轮在定压下全周进气，效率较高，气缸泵气功损失较少。采用定压增压方式的增压器在匹配时，如果增压系统满足高速时增压适量的要求，则在低速时供气就会不足;如果满足低速时的供气量，在高速时就可能增压过量。
对于按发动机标定工况参数匹配的增压发动机，在降低转速时，增压压力的降低就会造成进气量不足以满足气缸燃烧所需的空气量要求，从而产生冒黑烟、排气温度过高等不良后果。
本文介绍一种在现代船用发动机设计中，用来优化低负荷工况的增压进气旁通功能，并根据实际的试验结果分析该功能对发动机性能和排放的影响。
1 增压空气旁通功能
1.1 增压空气旁通装置 发动机在低转速和低负荷的一定区间，为改善发动机部分负荷时的燃烧状态，提高发动机的部分负荷性能，会采用增压空气旁通功能，即引入部分压缩空气到增压器前排气管，增加部分负荷时推动增压器涡轮的气流，从而提高增压器转速，进而增加了进入压气机的空气量，提高了增压压力，如图1所示。在提升发动机部分载荷时的运行性能的同时，增大了涡轮增压器的喘振裕度。
增压空气旁通功能通过由旁通电磁阀、蝶阀、增压空气旁通管组成的增压空气旁通装置实现，如图2所示。
1.2 增压空气旁通开启区间
发动机采用控制系统内的增压空气旁通模块控制增压空气旁通功能的启闭。如果增压空气旁通功能开启，部分增压空气会进入排气歧管。尽管初始阶段部分进气会减少，但总体上由于更多的气体去推动增压器涡轮，使增压器转速提高，所以进气压力和流量会提高。
但是，进气旁通的这些优势只是在有限的开启范围内。特别是在以下的情况下，进气旁通需要关闭：
①合排：在合排的时候，排气压力瞬间升高，此时进气压力上升会有一些延迟，排气压力会大于进气压力，因此，在合排请求后，旁通电磁阀需设置关闭一定的时间，等进气压力升上来后再打开。
②低负载工况：和合排工况类似，此时进气压力偏低，因此在低负载工况旁通电磁阀应关闭。
③高负载工况：在高负载工况，进气压力很高，燃烧已经足够，旁通的进气对燃烧作用很小，但却使增压器涡轮承受了更高的压力，因此在高负载工况，旁通电磁阀也要关闭。 综上，进气旁通电磁阀应仅在中间工况负载时打开。
决定在某个转速和负载下增压空气旁通阀是否开启，需要一个X横坐标是转速，Y纵坐标是负载的坐标系。基于两个转速/负载设定点，定义一个上边界和下边界，如果当前的转速和负载在此边界内，增压空气旁通功能开启，否则关闭。如图3所示。在边界内，旁通的增压空气压力大于排气压力。
为防止当转速/负载在开启区间上下限时，旁通功能频繁开关导致电磁阀或者蝶阀故障，可在开启区间的上下限设置单向滞后区，如图4所示。
当转速/负载点由开启区间外进入开启区间时，滞后区不起作用。当转速/负载点由开启区间内进入开启区间外时，由于转速和负载的波动，如果转速/负载点仍处于滞后区内，则旁通阀维持开启状态，直至转速/负载点上升或下降至滞后区外。
对一个具体的匹配定距桨的船用发动机来说，增压空气旁通阀准确的开关点取决于它的螺旋桨曲线，如图5所示。增压空气旁通开关点（旁通阀开关的转换点）是螺旋桨曲线和增压空气旁通开启区间上下边界的交点。
1.3 增压空气旁通逻辑
确定好增压空气开启区间后，需在控制系统内确定增压空气旁通功能逻辑。
有几种例外情况，需要关闭旁通阀或者保持旁通阀处于闭合状态：
①发动机未工作;
②未检测到发动机转速或者发动机负载信号;
③合排请求被触发。在这种情况下增压空气旁通阀需要关闭，并且在设置的时间范围内保持关闭状态。
如果发动机在运转状态，且没有停机项被触发，此时旁通阀可由发动机增压空气旁通功能控制。旁通阀的启闭取决于当下发动机的速度和负载。
在下述情况下报警项会被触发：
①如果增压空气旁通阀被请求开启，但是没有增压空气旁通阀实际已经开启的反馈信号（“旁通阀是否开启”不是“是”），则显示报警信息“发动机增压空气旁通失效”;
②如果未检测到发动机转速信号或负载信号，则显示报警信息“发动机增压空气旁通未工作”。
最终确定的增压空气旁通开启逻辑图见图6。
2 增压空气旁通功能对发动机性能和排放的影响
为探究增压空气旁通在特定的转速和功率区间开启后，对发动机性能和排放的影响，在某装配有增压空气旁通装置的发动机上，通过启闭增压空气旁通电磁阀的方式，进行E3排放循环测试。测试环境参数为环境温度26.4℃，进气湿度82.2%，大气压力100.4kPa。
循环测试根据《GB 15097-2016 船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》进行，各循环负载状态如表1。E3-A循环为50%和25%负载均开启增压空气旁通功能，E3-B循环仅25%负载开启增压空气旁通功能，E3-C循环全部关闭增压空气旁通功能。
三个循环不同工况点的油耗、增压器涡前排温、增压器转速、湿基进气量、NOX表显浓度对比见图7、图8、图9、图10。
开启增压空气旁通后，排气量瞬间增加，排气能量加大，推动增压器涡轮旋转更快，50%点和25%点增压器转速分别提高了15.5%和16.6%，对应进气量分别加大了53.4%和47.4%，缸内燃烧得到优化，热效率提高，因未开启增压空气旁通时，原机的过量空气系数已经很大，因此油耗下降幅度有限。
更大的进气量和热效率的提高，导致涡前排温下降幅度明显，50%点和25%点均下降了约90℃，大大提高了排气管组件以及增压器的耐用性。
由图11可知，开启增压空气旁通后，50%点和25%点燃烧更加充分，缸内温度和压力提高，产生的NOX增加，但由于进气量增加，因此最终单位质量排气中检测的NOX表显浓度有一定幅度下降。
最终根据湿基进气量和NOX表显浓度计算得出的NOX比排放量对比见图12。
根据《GB 15097-2016 船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》，NOX比排放量的计算公式中，在环境因子一定的情况下，变量为NOX浓度和湿基进气量的乘积，开启增压进气旁通功能后，NOX比排放量有一定的增加。
因此，如果在设定增压进气旁通功能开启区间时，如果50%点和25%点在区间内，但排放不满足要求，可考虑重设区间，将排放考核点设置在增压进气旁通功能开启区间外。
3 结论
按上述试验结果和分析，针对进行此试验的发动机，有如下结论：
①增压进气旁通功能只能在特定区间范围内开启，用于优化该区间范围内的发动机燃烧;
②增压进气旁通功能会使排气量增加，增压器涡轮转速提高，从而使进气量增加;
③增压进气旁通功能使开启区间内进气量增加，燃烧更加充分，热效率提高，从而油耗和排温更低;
④增压进气旁通功能优化缸内燃烧，使缸内温度提高，缸内燃烧压力增大，但因进气量增大，NOX的表显浓度更低;
⑤NOX的比排放量计算中，变量因子为NOX的表显浓度和湿基进气量的乘积，增压进气旁通功能使NOX的比排放量更高，对最终排放结果不利;
⑥在设置增压空气旁通开启区间时，要综合考虑最终排放结果，如需可适当避开排放测试考核点。
参考文献：
[1]裴毅强，苏万华，林铁坚.一种基于稀扩散燃烧概念的BUMP燃烧室及其对发动机碳烟和NOX排放的实验研究[C].中国内燃机学会，2002：26-33.
[2]王铁，冯星，郭鹏，冯丹华，曹杰，王娜.甲醇和EGR降低发动机NOX和碳烟排放的试验研究[C].中国内燃机学会，2011：252-261.
[3]倪培永，王忠，毛功平，魏胜利.湿度对发动机NOX和碳烟排放的影响及机理分析[C].中国内燃机学会，2015：196-199.
[4]倪培永，王向丽.大气湿度对发动机缸内工质热物性参数的影响[J].舰船科學技术，2015（12）.
[5]刘少华，申立中，毕玉华，雷基林.BED多组分燃料对高原地区发动机PM和NOX排放的影响[C].中国内燃机学会，2014：527-532.
[6]祝能，陈悦，吕林.燃烧系统参数对发动机碳烟排放性能的影响[C].中国内燃机学会，中国汽车工程学会，湖北省内燃机学会，2013：81-85.
[7]于刚，赵昌普，尚芳，白曼，杨俊伟.高进气压力耦合EGR对米勒循环发动机燃烧和NOX排放的影响[C].中国内燃机学会燃烧节能净化分会，2014：860-868.
[8]钱叶剑.气体燃料对内燃机燃烧过程及排放影响的机理研究[M].合肥：合肥工业大学，2009（4）.
Abstract： Large Marine engines with constant pressure turbocharging generally meet the requirements of an appropriate amount of turbocharging at high speed when matching the turbocharger. Under low speed conditions， insufficient air intake will cause the turbocharger surge， black smoke and excessively high exhaust temperature. In general， charge air by-pass will be adopted to optimize the low-load conditions. In this paper， the principle and control strategy of the charge air by-pass used in a certain Marine engine are introduced in detail， and the influence on engine performance and emission is expounded based on the actual test results.
关键词：增压进气旁通;船用发动机;性能和排放
Key words： charge air by-pass;marine diesel engine;performance and emission
中图分类号：TK442 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0055-05
0 引言
经过近几十年的发展，现代船用发动机已经发展到一个较高的技术水平，已经大量配套在工程船、运输船、公务船、科考船和渔船中，促进了海洋事業的发展。越来越先进的船型对发动机的功能和适用性也提出了很高的要求，尤其是匹配定距桨的船型，经常在低负荷区域运行，要求主推进发动机在此区域内有良好的动力性和经济性。增压器作为发动机上重要的零部件，其优化匹配对发动机性能和排放参数有很大影响。
大型的船用发动机根据排气压力的能量利用程度，分为定压增压和脉冲增压两种形式。其中定压增压主要利用排气的等压能量，涡轮进口气流参数比较稳定，气流引起的激振较小，不易引起叶片断裂;涡轮在定压下全周进气，效率较高，气缸泵气功损失较少。采用定压增压方式的增压器在匹配时，如果增压系统满足高速时增压适量的要求，则在低速时供气就会不足;如果满足低速时的供气量，在高速时就可能增压过量。
对于按发动机标定工况参数匹配的增压发动机，在降低转速时，增压压力的降低就会造成进气量不足以满足气缸燃烧所需的空气量要求，从而产生冒黑烟、排气温度过高等不良后果。
本文介绍一种在现代船用发动机设计中，用来优化低负荷工况的增压进气旁通功能，并根据实际的试验结果分析该功能对发动机性能和排放的影响。
1 增压空气旁通功能
1.1 增压空气旁通装置 发动机在低转速和低负荷的一定区间，为改善发动机部分负荷时的燃烧状态，提高发动机的部分负荷性能，会采用增压空气旁通功能，即引入部分压缩空气到增压器前排气管，增加部分负荷时推动增压器涡轮的气流，从而提高增压器转速，进而增加了进入压气机的空气量，提高了增压压力，如图1所示。在提升发动机部分载荷时的运行性能的同时，增大了涡轮增压器的喘振裕度。
增压空气旁通功能通过由旁通电磁阀、蝶阀、增压空气旁通管组成的增压空气旁通装置实现，如图2所示。
1.2 增压空气旁通开启区间
发动机采用控制系统内的增压空气旁通模块控制增压空气旁通功能的启闭。如果增压空气旁通功能开启，部分增压空气会进入排气歧管。尽管初始阶段部分进气会减少，但总体上由于更多的气体去推动增压器涡轮，使增压器转速提高，所以进气压力和流量会提高。
但是，进气旁通的这些优势只是在有限的开启范围内。特别是在以下的情况下，进气旁通需要关闭：
①合排：在合排的时候，排气压力瞬间升高，此时进气压力上升会有一些延迟，排气压力会大于进气压力，因此，在合排请求后，旁通电磁阀需设置关闭一定的时间，等进气压力升上来后再打开。
②低负载工况：和合排工况类似，此时进气压力偏低，因此在低负载工况旁通电磁阀应关闭。
③高负载工况：在高负载工况，进气压力很高，燃烧已经足够，旁通的进气对燃烧作用很小，但却使增压器涡轮承受了更高的压力，因此在高负载工况，旁通电磁阀也要关闭。 综上，进气旁通电磁阀应仅在中间工况负载时打开。
决定在某个转速和负载下增压空气旁通阀是否开启，需要一个X横坐标是转速，Y纵坐标是负载的坐标系。基于两个转速/负载设定点，定义一个上边界和下边界，如果当前的转速和负载在此边界内，增压空气旁通功能开启，否则关闭。如图3所示。在边界内，旁通的增压空气压力大于排气压力。
为防止当转速/负载在开启区间上下限时，旁通功能频繁开关导致电磁阀或者蝶阀故障，可在开启区间的上下限设置单向滞后区，如图4所示。
当转速/负载点由开启区间外进入开启区间时，滞后区不起作用。当转速/负载点由开启区间内进入开启区间外时，由于转速和负载的波动，如果转速/负载点仍处于滞后区内，则旁通阀维持开启状态，直至转速/负载点上升或下降至滞后区外。
对一个具体的匹配定距桨的船用发动机来说，增压空气旁通阀准确的开关点取决于它的螺旋桨曲线，如图5所示。增压空气旁通开关点（旁通阀开关的转换点）是螺旋桨曲线和增压空气旁通开启区间上下边界的交点。
1.3 增压空气旁通逻辑
确定好增压空气开启区间后，需在控制系统内确定增压空气旁通功能逻辑。
有几种例外情况，需要关闭旁通阀或者保持旁通阀处于闭合状态：
①发动机未工作;
②未检测到发动机转速或者发动机负载信号;
③合排请求被触发。在这种情况下增压空气旁通阀需要关闭，并且在设置的时间范围内保持关闭状态。
如果发动机在运转状态，且没有停机项被触发，此时旁通阀可由发动机增压空气旁通功能控制。旁通阀的启闭取决于当下发动机的速度和负载。
在下述情况下报警项会被触发：
①如果增压空气旁通阀被请求开启，但是没有增压空气旁通阀实际已经开启的反馈信号（“旁通阀是否开启”不是“是”），则显示报警信息“发动机增压空气旁通失效”;
②如果未检测到发动机转速信号或负载信号，则显示报警信息“发动机增压空气旁通未工作”。
最终确定的增压空气旁通开启逻辑图见图6。
2 增压空气旁通功能对发动机性能和排放的影响
为探究增压空气旁通在特定的转速和功率区间开启后，对发动机性能和排放的影响，在某装配有增压空气旁通装置的发动机上，通过启闭增压空气旁通电磁阀的方式，进行E3排放循环测试。测试环境参数为环境温度26.4℃，进气湿度82.2%，大气压力100.4kPa。
循环测试根据《GB 15097-2016 船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》进行，各循环负载状态如表1。E3-A循环为50%和25%负载均开启增压空气旁通功能，E3-B循环仅25%负载开启增压空气旁通功能，E3-C循环全部关闭增压空气旁通功能。
三个循环不同工况点的油耗、增压器涡前排温、增压器转速、湿基进气量、NOX表显浓度对比见图7、图8、图9、图10。
开启增压空气旁通后，排气量瞬间增加，排气能量加大，推动增压器涡轮旋转更快，50%点和25%点增压器转速分别提高了15.5%和16.6%，对应进气量分别加大了53.4%和47.4%，缸内燃烧得到优化，热效率提高，因未开启增压空气旁通时，原机的过量空气系数已经很大，因此油耗下降幅度有限。
更大的进气量和热效率的提高，导致涡前排温下降幅度明显，50%点和25%点均下降了约90℃，大大提高了排气管组件以及增压器的耐用性。
由图11可知，开启增压空气旁通后，50%点和25%点燃烧更加充分，缸内温度和压力提高，产生的NOX增加，但由于进气量增加，因此最终单位质量排气中检测的NOX表显浓度有一定幅度下降。
最终根据湿基进气量和NOX表显浓度计算得出的NOX比排放量对比见图12。
根据《GB 15097-2016 船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》，NOX比排放量的计算公式中，在环境因子一定的情况下，变量为NOX浓度和湿基进气量的乘积，开启增压进气旁通功能后，NOX比排放量有一定的增加。
因此，如果在设定增压进气旁通功能开启区间时，如果50%点和25%点在区间内，但排放不满足要求，可考虑重设区间，将排放考核点设置在增压进气旁通功能开启区间外。
3 结论
按上述试验结果和分析，针对进行此试验的发动机，有如下结论：
①增压进气旁通功能只能在特定区间范围内开启，用于优化该区间范围内的发动机燃烧;
②增压进气旁通功能会使排气量增加，增压器涡轮转速提高，从而使进气量增加;
③增压进气旁通功能使开启区间内进气量增加，燃烧更加充分，热效率提高，从而油耗和排温更低;
④增压进气旁通功能优化缸内燃烧，使缸内温度提高，缸内燃烧压力增大，但因进气量增大，NOX的表显浓度更低;
⑤NOX的比排放量计算中，变量因子为NOX的表显浓度和湿基进气量的乘积，增压进气旁通功能使NOX的比排放量更高，对最终排放结果不利;
⑥在设置增压空气旁通开启区间时，要综合考虑最终排放结果，如需可适当避开排放测试考核点。
参考文献：
[1]裴毅强，苏万华，林铁坚.一种基于稀扩散燃烧概念的BUMP燃烧室及其对发动机碳烟和NOX排放的实验研究[C].中国内燃机学会，2002：26-33.
[2]王铁，冯星，郭鹏，冯丹华，曹杰，王娜.甲醇和EGR降低发动机NOX和碳烟排放的试验研究[C].中国内燃机学会，2011：252-261.
[3]倪培永，王忠，毛功平，魏胜利.湿度对发动机NOX和碳烟排放的影响及机理分析[C].中国内燃机学会，2015：196-199.
[4]倪培永，王向丽.大气湿度对发动机缸内工质热物性参数的影响[J].舰船科學技术，2015（12）.
[5]刘少华，申立中，毕玉华，雷基林.BED多组分燃料对高原地区发动机PM和NOX排放的影响[C].中国内燃机学会，2014：527-532.
[6]祝能，陈悦，吕林.燃烧系统参数对发动机碳烟排放性能的影响[C].中国内燃机学会，中国汽车工程学会，湖北省内燃机学会，2013：81-85.
[7]于刚，赵昌普，尚芳，白曼，杨俊伟.高进气压力耦合EGR对米勒循环发动机燃烧和NOX排放的影响[C].中国内燃机学会燃烧节能净化分会，2014：860-868.
[8]钱叶剑.气体燃料对内燃机燃烧过程及排放影响的机理研究[M].合肥：合肥工业大学，2009（4）.