船用V型高速柴油机相继增压计算研究.docx

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船用V型高速柴油机相继增压计算研究

船用V型高速柴油机相继增压计算分析

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不详  2007-1-3115:

17:

25

摘要：

建立了某船用V型柴油机采用两台增压器相继增压的计算模型，为验证计算模型、程序和所选参数的正确性，对常规增压进行了计算，计算与实验结果基本一致.对两台增压器相继增压进行计算分析的结果表明，采用相继增压可明显改善该型机低工况性能，扩大了该机作为船用主机的运行范围.

关键词：

柴油机；相继增压；性能；计算

１　　引言

提高柴油机功率，降低油耗以及减少排放一直是柴油机研究与发展的主要目标，提高增压压力是提高柴油机功率的最主要方法．随着高压比、高效率涡轮增压器的发展，涡轮增压柴油机的增压程度越来越高．而回转运动的涡轮增压器与往复运动的柴油机联合运行时，难以满足柴油机高、低工况运行的要求，而且增压程度越高，矛盾越突出．为了改善高增压或超高增压柴油机的低工况性能，开发了各种涡轮增压系统，如：

可变截面涡轮、可变气门时机构、进排气旁通及高工况放气、低压缩比补燃、相继增压等

．其中，高工况放气、进排气旁通是对经济性和性能的有效折中，可用于对经济性要求不高和增压比变化不大的场合．可变截面涡轮与相继增压虽然都是改变涡轮的进口面积，但却有很多不同之处：

可变截面涡轮只改变涡轮的进口面积，改变幅度较小，是连续的，但在低工况时涡轮增压器的综合效率低；相继增压则同时改变涡轮及压气机的进口面积，涡轮进口面积的改变是不连续的，改变幅度较大，可保持增压器较高的综合效率．故可变截面涡轮增压适用于缸数较少，平均有效压力较低的柴油机，相继增压适用于工作范围宽，负荷变化大，增压比较高，对低速大扭矩要求较高，经济性要求好的场合．

目前船用中高速大功率柴油机多为V型12缸~20缸，按

或

来运行．为了改善低工况性能，大多采用相继增压系统、低压缩比补燃或M勒系统等．如有代表性的德国MTU595型20缸高速柴油机，法国PA6-280STC12缸、16缸柴油机均采用了相继增压系统<简称为STC系统）．在标定工况时，STC系统使柴油机的每台增压器都工作在高效区，效率高，标定工况油耗低；在部分工况时减少投入使用的涡轮增压器数量，使投入使用的涡轮增压器仍在高效区附近工作，最大限度地增加气缸进气量，从而改善了柴油机的性能．

2相继增压系统

图1为某船用V型高速柴油机常规增压系统示意图，该机基本参数：

标定功率1680kW；标定转速1860r/min；缸径170mm；冲程195mm；压缩比13.5：

1．采用MPC排气管，气缸数目12；V型夹角90°，用两台RR151径流式涡轮增压器．采用STC系统的示意图见图2．在A列排气管与B列排气管<靠近涡轮端）之间用一连通管连通，在B列压气机出口处安装一空气阀，B列涡轮入口前安装一燃气阀．当柴油机运行在高工况时，空气阀、燃气阀都开启，两增压器都投入运转<2TC），柴油机运行在低工况时关闭空气阀和燃气阀，切除B列增压器，B列的排气与A列的排气一起进入A列增压器<1TC），使A列增压器运转在高效区，提高了增压压力，使柴油机在低工况运转时进气充分，燃烧良好，动力性、经济性得到改善．

3计算模型

本文采用模块化建模方法，对涡轮增压柴油机进行系统建模，分别建立了中冷器、进气总管、进气支管、进排气阀、喷油器、气缸与曲轴箱、排气支管、排气总管、压气机和涡轮等系统模型，其相互关系如图3所示

3.1燃烧放热规律

考虑到高速柴油机的特点，燃烧过程放热规律采用三条韦伯曲线叠加来模拟，如图4所示，即把燃烧分为预混合燃烧、扩散燃烧、尾燃烧三种形式，缸内某一瞬时的累计放热率

为：

其中，x—累计放热率；β—某一种燃烧的燃料分数；α—某一瞬时曲轴转角，

；?

α—燃烧持续角，

；k—燃烧效率因数；m—燃烧品质指数；

；下标：

0—燃烧起始角；1—预混合燃烧；2—扩散燃烧；3—尾燃烧．

通过调整

来使放热规律符合实际．

3.2排气系统描述

排气系统采用一维非定常流动的计算模型，并将其分成有限个控制体，以每个控制体的中心为计算节点．图5为MPC增压系统排气管的计算节点划分，图6为相继增压排气连通管的计算节点划分，进气连通管的计算节点划分类似．

排气系统控制方程

：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，ρ—密度，

；u—气体速度，m/s；p—气体压力，Pa；A—管子截面积，

；K—比热容；A1—单位长度壁面面积，

；t—时间，s；g为摩擦项，

，f—管道摩擦系数；q为壁面导热量，

，D—管径，m；

—气体速度绝对值；T—温度，K；R—气体常数，J/kg·K；下标：

g—气体；w—壁面．

3.3计算中的其他问题

气缸内热力过程满足能量守恒、质量守恒和状态方程；燃烧室传热系数采用胡希尼的修正公式；把空冷器作为一个节流和温降的元件来模拟，计算温降时引进空冷器冷却系数进行简化处理，冷却系数由标定工况时的参数计算出来，作为变工况时使用，压降用空冷器阻力系数进行计算，阻力系数也由标定工况时的参数代入算出，作为变工况计算用；涡轮与压气机匹配采用能量平衡、转速平衡、流量平衡方程式计算

；进排气阀流量系数、涡轮和压气机特性用实验曲线，数组存入，插值求取．

4计算结果及分析

4.1常规增压计算

采用上述模型对该机以常规增压方式按标准螺旋桨特性运行进行了模拟计算，并与实验数据进行了对比，如图7所示，两者基本吻合，说明本文所建的计算模型、边界条件的处理及相关参数的选择是合理的，模型是实用的．

4.21TC与2TC计算结果分析对比

为了研究相继增压对柴油机低工况性能的改善，对该机进行了相继增压的系统设计，如图2所示．根据上述模型对相继增压柴油机按标准螺旋桨特性进行了计算，考虑到2TC状态与常规增压差别不大，重点对低工况即1TC状态进行了计算，计算结果如图8～图13所示．

计算结果表明，该机常规增压在1300r/min～1800r/min时性能良好，但在1200r/min以下的工况时，增压压力只有0.1MPa～0.125MPa，扫气压差不足0.015MPa，油耗从205g/kWh增至294g/kWh，经济性变差且压气机工作在不稳定区；采用相继增压系统后，由于两列排气管的废气都进入了同一个涡轮，使该涡轮前的压力提高，流量增加，涡轮在油机低工况下仍能达到较高的转速，获得较高的增压压力，从而改善柴油机低工况时的运行性能．

从图8～图13还可看到，在1200r/min以下时，油耗能减少、增压压力提高和排气温度降低都较显著；爆压与同工况点的常规增压相比有所提高，但都在允许值范围内；压气机的运行线也较好地避开了喘振线．在1300r/min和1400r/min两工况下运行一台增压器时，效果不理想，从图9和图10比较可以看出，进气压力提高的数量不如排气压力的多，使气缸扫气效果不佳，且压气机效率低于采用两台增压器时单台压气机的效率<见图13），而油耗比用两台增压器时大<图8），1600r/min时，会造成涡轮增压器超速而无法运行，上所述，大致可将1200r/min时的工况点作为该型柴油机按螺旋桨特性运行时，一台和两台增压器切换的工况点．

5结论

<1）用本文建立的计算模型所做的常规增压的计算结果与实验数据基本吻合，证明了计算模型、方法及相关参数选择的合理性、相继增压计算可用于其性能的预测．

<2）与其它改善低工况性能的方法相比，将V型机改造为两个增压器的相继增压，结构简单且易于实现，计算表明效果明显，低工况下，油耗下降了3g/kWh~19g/kWh，增压压力提高0.01MPa~0.05MPa，排气温度降低30K~90K．

<3）限于现有条件无法对增压器进行选配，目前所做的只是在原配增压器的基础上进行的相继增压计算．如能重新选配涡轮增压器，则一方面可将工作的配合点上移，这将使发动机在设计工况点发出更大的功率，另一方面，可在全工况范围内，使柴油机与增压器能得到更好的配合，进一步扩大柴油机的运行范围，改善其低工况性能．