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《哈尔滨工程大学》 2018年
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压气机喷气对船舶柴油机性能影响的仿真和试验研究

孙永瑞  
【摘要】:船舶柴油机在加速、加载等瞬态过程中,由于增压器机械惯性和进、排气系统容积惯性导致进气量不足,出现冒黑烟及加速能力不足的问题。压气机喷气可有效增加柴油机瞬态过程中的进气量,并通过合理利用喷气速度扩展压气机稳定运行边界。但现有研究中尚存在喷气对压气机性能影响机理不清晰以及缺少建模方法的问题。本文通过试验和仿真计算分别研究了喷气对压气机性能的影响和喷气对柴油机性能的影响,并提出了压气机喷气模型以及燃烧、排放模型的建立方法。搭建了柴油机瞬态仿真模型,对不同瞬态过程中的喷气效果和综合能耗进行预测。本文主要研究内容如下:采用Ansys-CFX软件,分别对无叶扩压器压气机和叶片扩压器压气机采用三种喷气方案(压气机进气道喷气,压气机机匣喷气和压气机出口喷气)进行了仿真计算,通过对流场分析得到了不同喷气方案对压气机性能的影响机理,分别确定了对于无叶扩压器压气机和叶片扩压器压气机的喷气方案选择方法。对于无叶扩压器压气机,采用压气机出口喷气方案对压气机瞬态性能的改善效果较好。对于叶片扩压器压气机,机匣喷气和压气机出口喷气皆为有效方案,应根据需要进行喷气的工况处柴油机与压气机联合运行点的匹配位置确定喷气方案,当联合运行点匹配在大流量区域时,采用压气机出口喷气方案较好;当联合运行点匹配在高效率区域或小流量区域时,采用机匣喷气方案较好。其中,对于机匣喷气,喷气角度需与扩压器叶片安装角度匹配,否则会使压气机性能恶化。为了研究喷气对压气机性能的影响,并获取喷气后的压气机特性数据,对无叶扩压器压气机采用压气机出口喷气方案进行试验。分别对试验测量的压力脉动数据和压气机特性参数进行分析,结果表明:压气机出口喷气没有影响压气机内部流动,压气机出口喷气可以增大喘振裕度并且改善瞬态特性。采用偏最小二乘法建立了压气机喷气模型,确定模型最高次项幂次为4时可以实现最高预测精度,采用交叉验证方法可以提高效率模型的外插精度。采用所建立的压气机喷气模型对未试验工况的压气机特性数据进行了预测,实现了数据点加密,为建立准确的整机仿真模型提供基础。搭建了柴油机喷气试验台,对柴油机分别采用常规增压系统和相继增压系统时进行了喷气试验。通过对稳态试验和瞬态试验进行分析可知,喷气会增大进气量,使得燃烧中后期的燃烧速度加快,CA90显著提前,缩短了燃烧持续期,减少了后燃燃烧,降低了颗粒物排放和排气温度。对比两种增压系统时喷气对柴油机性能的改善效果可知,采用相同喷气量,柴油机与压气机联合运行点的匹配位置会对喷气效果产生影响。当联合运行点匹配在大流量区域时,喷气会使联合运行点向高效率区域移动,可以获得较大的进气增加量;当联合运行点匹配在高效率区域或小流量区域,喷气会使联合运行点向低效率区域移动,削弱喷气效果。根据试验数据建立了燃烧、排放模型。提出了以燃烧放热率二阶导数最大值对应的角度作为扩散燃烧始点初值的方法,避免了求解韦伯参数时出现多解和无意义解的情况。为了避免柴油机运行参数间的多重相关性对模型精度的影响,采用偏最小二乘法建立燃烧、排放模型。当数据点分布不合理时,通过数据转换方法使数据分布形式接近于正态分布可以提高模型精度。当进、排气压力差变化显著时,应考虑残余废气系数对燃烧过程的影响。通过对燃烧模型进行详细的误差分析,增加韦伯方程个数是进一步提高模型精度的有效方法。联合应用GT-power和Matlab/Simulink软件搭建柴油机模型,以所建立的压气机喷气模型和燃烧、排放模型为整机仿真提供计算边界,对相继增压切换过程进行计算,根据试验数据验证了模型计算结果的可靠性。提出了基于目标颗粒物排放量的喷气控制策略,对相继增压切换过程、船舶按推进特性加载过程、拖船加载过程、船用发电运行过程进行计算,结果表明采用喷气使整机能耗略有增大但会显著降低颗粒物排放,并通过提高燃烧效率降低排气温度改善柴油机加速性能。考虑远洋货轮柴油机和拖船柴油机在瞬态过程中发出功率占全年功率的比例,采用喷气会使两种柴油机瞬态过程中的颗粒物排放分别降低36.8%、33%,仅需增大0.004%和0.07%年能耗量。因此,压气机喷气是具有较高性价比的柴油机瞬态性能改善方案。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U664.121

【参考文献】
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