船用大功率柴油机性能仿真研究

摘要

近些年，随着综合国力的提升，国防建设相关的船舶市场对大功率船用主机尤其是中高速大功率柴油机出现了旺盛的需求。然而，我国此类柴油机自主设计几乎没有，大大影响国家由近海向远海发展的目标。根据国家对动力装备技术水平提升的迫切需要，首先需要对已经投入使用的16PA6STC型柴油机进行技术参数研究和优化分析，一方面，掌握某些重要的可以调整的参数变化对柴油机工作指标的影响，另一方面，在条件允许下优化设定参数提高柴油机工作能力，同时可为新机型16PA6MPC研制提供参数设定基础。本文运用发动机分析软件 GT-POWER对船用柴油机16PA6STC进行建模与仿真计算，结合台架试车数据验证和分析整体模型的准确性，并改变气阀重叠角、喷油正时参数分析参数变化对柴油机工作指标的影响，同时对柴油机排放进行定性分析，从而预测氮化物和碳烟排放趋势。综合考虑柴油机动力性、经济性和排放性，选定适当的参数，为优化柴油机性能及研究新机型提供参考依据。
　　研究内容具体如下：
　　1）首先介绍了该课题的研究背景和意义，掌握柴油机模拟计算发展历程以及对比分析了零维燃烧模型、准维多区燃烧模型、多维燃烧模型的适用范围。对整个柴油机模型细致地分析，包括缸内燃烧过程、传热及进排气模型、中冷器模型、涡轮增压器模型等，为后续的增压柴油机分析计算提供理论支撑。
　　2）剖析16PA6STC船用柴油机几大工作系统，掌握了该型柴油机主要运行结构。在此基础简化建立仿真模型：缸内工作过程计算模型采用了准维模型，进、排气管内流动计算采用一维非定常有限容积法；根据压气机和涡轮机的平衡条件，建立涡轮增压器的模型。在标定工况（1050r/min、功率5184kW）下进行模拟计算，结合台架试车数据验证模型的准确性。
　　3）对结构设定参数气阀重叠角和喷油正时进行定性和定量分析，由模拟计算结果分析提高柴油机工作能力的具体参数变化，同时考虑喷油正时和喷油量参数改变对氮化物和碳烟排放的影响。综合考虑柴油机各项要求和指标较后，原机气阀重叠角比较好不需要优化，喷油提前角增大1°CA，喷油量适当减少0.06g。

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第1章绪论

1.1 课题研究的意义和应用价值

1.2 柴油机数值模拟计算的发展及现状

1.3 软件的选用

1.4 本文研究的主要内容

第2章柴油机工作过程的数学模型

2.1 气缸内工作过程的数学模型

2.2 进排气系统的计算模型

2.3 废气涡轮增压器的工作过程计算模型

2.4 本章小结

第3章GT-POWER软件介绍以及柴油机主要系统剖析

3.1 GT-POWER软件的主要功能介绍

3.2 柴油机介绍及各系统组成

3.3 本章小结

第4章基于GT-POWER建立16PA6STC柴油机的仿真计算模型

4.1 GT-POWER软件计算流程

4.2 船用柴油机模型的建立

4.3 仿真计算结果

4.4 本章小结

第5章柴油机整机系统仿真研究

5.1 气阀重叠角对发动机性能的影响

5.2 喷油提前角对发动机性能的影响

5.3 柴油机排放的预测

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢