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.

2、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

3、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、低压缩比补燃或米勒系统等.如有代表性的德国MTU595型20缸高速柴油机,法国P

4、A6-280STC12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

5、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

6、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,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

7、.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

8、—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

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