相继增压系统对某游艇发动机的性能影响研究

摘要

发动机与涡轮增压器的匹配通常以额定工况作为参考标准，即发动机在额定工况时增压器的效率高，增压效果好，而处于低负荷工况时，发动机产生的废气流量与能量相对较低，使增压器效率下降，发动机进气量不足，缸内燃烧恶化。对此，利用相继增压系统(STC系统)改善发动机在低负荷时的性能并展开研究。本文中的STC系统有两台增压器，一台为基本增压器，另一台为受控增压器，受控增压器两侧各有一个气动蝶阀。STC系统通过控制蝶阀的启闭来控制受控增压器的切入切出，受控增压器切入和切出过程对发动机和两台增压器的运行有很大影响，因此受控增压器的切换过程是本文研究的重点。
　　通过仿真建模和试验两种方法对受控增压器的切换过程进行研究。仿真建模:先对发动机工作过程进行仿真计算，然后利用GT-Power软件对原机建立仿真模型，并对模型进行校验。在此模型的基础上进行相继增压系统仿真模型的创建，而后利用此仿真模型进行仿真计算。试验研究:按照设计要求对原机进行相继增压系统的改造，然后进行相应的试验。先对游艇发动机在1TC(只有基本增压器工作)和2TC（基本和受控增压器同时工作）状态下进行试验，然后对受控增压器的切换过程进行试验研究。
　　研究表明:相继增压系统能有效改善发动机在低负荷时的工作性能，经济性提高（油耗率下降幅度最高为4.77％）;排放性也有很大改善(碳烟排放降幅最高为16.2％)。而相继增压系统对发动机在高负荷工况下的性能影响不大。受控增压器切换过程中，空气阀和燃气阀开启和关闭时的时间差为延迟切换时间。通过仿真计算，1TC到2TC的切换工况点为50％负荷，转速1191 r/mm，受控增压器切入过程中合理的延迟切换时间为1～2s，切出过程中合理的延迟切换时间为0s。通过试验得出1TC到2TC的最佳切换工况点为40％负荷，转速1105r/mm，受控增压器切入过程中最佳的延迟切换时间为1s，切出过程中最佳的延迟切换时间为0s。试验表明:最佳的切换延迟时间对游艇发动机和涡轮增压器在切换过程影响最小，游艇发动机的碳烟排放良好，涡轮增压器不会发生喘振，切换过程平稳，发动机各性能指标良好。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 游艇及其发动机

1．3 相继增压技术

1．3．1 国外关于相继增压技术的研究

1．3．2 国内关于相继增压技术的研究

1．3．3 相继增压切换过程稳定性研究

1．4 本文的主要内容

第2章 发动机工作过程仿真计算与建模

2．1 气缸内热力计算

2．1．1 发动机缸内计算的基本方程

2．1．2 发动机缸内工作容积计算

2．1．3 发动机气缸壁的传热计算

2．1．4 发动机缸内燃烧放热率的计算

2．2 发动机进、排气流量计算

2．2．1 进气阀流量变化率

2．2．2 排气阀流量变化率

2．3 曲轴动力学模型

2．4 涡轮增压器运算模型

2．5 游艇发动机仿真模型的建立与验证

2．5．1 TBD234V6发动机技术参数及GT-Power软件

2．5．3 TBD234V6发动机仿真模型的建立

2．5．4 TBD234V6发动机仿真模型的校核

2．6 本章小结

第3章 相继增压系统切换过程仿真研究

3．1 切换过程的控制模型

3．2 发动机相继增压系统仿真模型的建立

3．3 发动机相继增压系统切换仿真研究

3．3．1 相继增压系统切换工况点的仿真确定

3．3．2 受控增压器切入过程仿真研究

3．3．3 受控增压器切出过程仿真研究

3．4 本章小结

第4章 相继增压系统推进特性试验研究

4．1 推进特性下柴油机功率与转速之间的关系

4．2 功率、扭矩与转速之间的关系

4．3 相继增压系统的改造及主要试验设备

4．4 发动机推进特性试验研究分析

4．4．1 1TC状态下发动机推进特性试验研究分析

4．4．2 2TC状态下发动机推进特性试验研究分析

4．5 本章小结

第5章 相继增压系统切换过程试验研究

5．1 游艇发动机相继增压系统控制系统

5．1．1 相继增压系统的控制要求

5．1．2 气动蝶阀控制系统设计

5．1．3 控制系统PLC工作原理

5．2 游艇发动机增压器切换过程研究

5．2．1 切换工况点的确定

5．2．2 受控增压器切入过程研究

5．2．3 受控增压器切出过程研究

5．3 瞬态切换碳烟排放分析

5．3．1 碳烟的形成过程

5．3．2 受控增压器切入过程碳烟生成曲线分析

5．3．3 受控增压器切出过程碳烟生成曲线分析

5．4 本章小结

6．1 全文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

在校期间发表的学术论文