船用v型高速柴油机相继增压计算分析

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1、船用V型高速柴油机相继增压计算分析来自:转载  作者：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，计算与试验结果基本一致.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

2、．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

3、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、低压缩比补燃或米勒系统等．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

4、，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

5、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（B列系统模型类似）．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

6、，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

7、—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