大功率气体发动机性能提升研究

摘要

本文主要以12V190天然气发动机为研究对象，通过对国内外大功率气体发动机市场需求、研发应用状况以及关键技术特点进行综合分析，进而对影响发动机性能的主要系统（如增压系统、中冷系统、进气系统、排气系统、配气系统）进行理论计算分析，并分别通过整机模拟计算和实验室试验验证的方法进行气体机性能指标预测和验证。通过对12V190大功率天然气发动机主要系统优化匹配、整机性能仿真进行初步分析，对该气体机所能达到的性能指标如最高爆发压力、最大持续功率和热效率进行预估评价，从而提出了整机功率提高和性能提升的有效技术途径以及方案合理性，并通过台架试验的方法验证了优化匹配后的天然气发动机性能提升实际效果。
　　为了实现大功率气体发动机的功率和性能提升到预期目标，且能满足更高排放的要求，本文提出了12V190天然气发动机功率及性能指标提升的主要技术途径和可行性技术方案措施，论文主要开展的工作内容如下:
　　1)通过重新进行涡轮增压器匹配计算，选择品质较好的涡轮增压器公司进行增压器选型匹配，使新选配的高效增压器能够满足性能提升后高功率、高性能的发动机运行要求，并使增压器综合效率达到最高。
　　2)重新匹配中冷器，采用二级中冷技术使增压后的气体二次深化冷却，即通过利用高温冷却水对增压后混合气体进行初步冷却，再通过低温冷却水对初次冷却的混合气体进行深度冷却，从而有效降低中冷气体后的温度，实现发动机进气充量增加，进而促使功率提高，并抑制爆震现象出现，从而降低氮氧化物的排放。
　　3)对增压中冷进排气系统整体结构进行优化布置，使该气体机的进气、排气系统更加通畅、合理，以满足发电机组运行工况要求，并考虑整机布置的紧凑性和美观性，进行合理优化布置。
　　对气体机进气结构参数进行计算分析，得到最佳的进气结构参数;对排气系统，包括排气支管、排气引射角度、排气引射收缩口直径和排气总管进行计算评估，得到最佳的排气结构型式及其参数。
　　4)重新进行配气相位的参数确定，并通过GT-VTRAIN软件设计匹配性能提升气体机的进排气凸轮型线，提高进排气气门的丰满系数，进一步提高发动机的充气效率。
　　5)整机模拟计算，通过GT-POWER仿真计算软件对优化匹配后发动机建模仿真分析，进一步通过软件手段预测和验证新匹配的发动机，其性能指标是否达到设计要求，判断其技术方案的是否合理正确。
　　6)首台样机性能试验，通过样机试制以及实验室起动试验、磨合试验、性能测试（如:不同压缩比试验、不同火花塞试验、最佳点火提前角试验、突加负荷试验、增压匹配试验）等试验项目，进一步检验其发动机功率和性能指标是否能达到设计要求，其主要系统匹配技术方案是否合理正确。
　　本文对12V190天然气发动机功率和性能提升所涉及的主要系统，如增压系统、二级中冷系统、进气系统、排气系统、配气系统等方面进行了研究计算分析，为多缸大功率气体发动机功率提高和性能提升，以及气体机新产品开发提供一定的设计和试验研究基础。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 大功率气体发动机市场需求情况

1．1．1 国外市场需求情况

1．1．2 国内市场需求情况

1．2 国内外大功率气体发动机研发及应用情况

1．2．1 国外研发及应用情况

1．2．2 国内研发及应用情况

1．3 12V190气体发动机性能提升的目标、方向及意义

1．3．1 12V190气体机现状及市场需求

1．3．2 12V190气体机性能提升目标、方向及意义

1．4 本文主要研究内容

第2章 大功率气体发动机主要系统优化匹配计算分析

2．1 主要系统选型、布置及整体方案分析

2．1．1 12V190气体机性能提升重新匹配的关键系统

2．1．2 原12V190普通型气体机主要系统原理及特点

2．1．3 12V190-1100kW性能提升主要系统整机方案分析

2．2 涡轮增压器匹配计算分析选型

2．2．1 涡轮增压器匹配理论估算

2．2．2 涡轮增压器匹配选型

2．3 二级中冷系统匹配与计算分析

2．3．1 二级中冷系统原理

2．3．2 二级中冷器结构型式及参数设计

2．4 进气排气系统结构参数优化

2．4．1 进气排气系统流程及布置结构

2．4．2 进排气管系主要参数的选取

2．5 配气相位及进排气凸轮型线匹配设计

2．5．1 进排气配气相位确定

2．5．2 进排气凸轮型线初步设计

2．6 点火型式及压缩比匹配

2．6．1 气体机的点火型式

2．6．2 气体机燃烧室形状及压缩比匹配

2．7 本章小结

第3章 大功率气体发动机仿真建模及性箭预测

3．1 仿真模型的建立

3．1．1 模型元件搭建

3．1．2 主要模型参数输入及设置

3．2 仿真模型初步计算及校核

3．3 性能提升模拟计算预测分析

3．3．1 整机额定功率预测分析

3．3．2 缸内最大爆发压力预测分析

3．3．3 缸内燃烧温度预测分析

3．3．4 增压器运行预测分析

3．4 本章小结

第4章 样机试验与结论

4．1 试验样机概述

4．2 试验测试目的

4．3 试验步骤

4．4 试验室条件及测试设备

4．5 12V190-1100kW气体机性能试验、结果与分析

4．5．1 起动性能及调整试验

4．5．2 低负荷磨合及调整试验

4．5．3 不同压缩比最优点火提前角试验

4．5．4 普通火花塞与预燃室火花塞试验

4．5．5 不同压缩比预燃室火花塞稀薄燃烧试验

4．5．6 突加负荷性能试验

4．5．7 涡轮增压器匹配效果试验数据评估

4．6 气体机性畿试验总结分析

4．7 本章小结

第5章 全文总结和展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况