涡轮复合柴油机热力学分析及仿真研究

摘要

随着柴油机增压技术的不断发展，涡轮输出功率不断增加，除了驱动压气机以外还有功率可以输出，因此衍生出了不同形式的复合柴油机，为了进一步提高功率，在此基础上添加补燃室以提高涡轮进气温度，提高涡轮输出功率。
　　本文以热效率和火用效率为指标对复合柴油机热力循环进行分析。对混合加热循环、布雷顿循环等理想过程进行了热效率、火用效率的分析；结合复合柴油机实际工作过程中空气流量先分流再混合的特点，引入了空气流量体积分数的概念，把气缸内工作过程和补燃室热力过程合并为一个多变过程，推导出多变指数，并分析了体积分数、定压预胀比、定容增压比、升温比、增压比等参数对多变指数的影响规律；分析了多变指数对复合柴油机的影响规律；绘制了涡轮复合柴油机p-v图，完成复合柴油机热力学分析。
　　热力学分析表明：在柴油机供油量、压缩比不变的情况下，提高升温比有利于提高复合柴油机热效率、火用效率，和净输出功；体积分数表征的是通过柴油机的空气流量在总空气流量中的比例，降低体积分数，有利于提高复合柴油机热效率、火用效率，和净输出功，同时，柴油机定压预胀比和定容增压比的提高也有利于复合柴油机热效率、火用效率和净输出功的增大。
　　基于GT-POWER软件分块建模的理念，建立并验证增压柴油机工作过程仿真模型。在此基础上，添加补燃室及补燃室喷油器等模块，对增压系统进行适当简化，建立了涡轮复合柴油机性能仿真模型；引入空气质量功率的概念，研究了增压比、涡轮进气温度、柴油机压缩比以及涡轮、压气机等主要部件效率变化对涡轮复合柴油机功率、燃油消耗率、动力涡轮功率、空气质量功率以及功率分配等参数的影响规律。
　　仿真结果表明：增压比、涡轮进气温度以及主要部件效率对涡轮复合柴油机有直接影响，当涡轮进气温度不变时，存在最佳压比；提高涡轮进气温度有利于提高动力涡轮输出功率和空气质量功率，降低复合柴油机燃油消耗率；同时，提高涡轮进气温度还可以降低复合柴油机空气流量，这有利于减小增压和进排气系统尺寸；提高柴油机压缩比有利于提高复合柴油机输出功率，但影响幅度有限；同时，压缩比的降低有利于提高动力涡轮功率以及动力涡轮功率在总功率中的比例；主要部件效率对涡轮复合柴油机性能的影响强弱依次是涡轮、压气机和补燃室。

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1 绪论

1.1 论文背景及意义

1.2 涡轮复合发动机的发展现状

1.3 内燃机工作过程仿真的发展现状

1.4 内燃机热力学分析的发展现状

1.5 本章小结

2 涡轮复合柴油机工作过程仿真理论基础

2.1 缸内工作过程数学模型[46,47]

2.2 进、排气门数学模型[46,47]

2.3 进、排气管道数学模型

2.4 涡轮增压器数学模型

2.5 中冷器数学模型

2.6 补燃室数学模型

2.7 动力涡轮数学模型

2.8 本章小结

3 增压柴油机工作过程仿真模型的建立与校核

3.1 软件概述

3.2 建模步骤

3.3 增压柴油机仿真模型的建立

3.4 模型参数设置

3.5 模型的验证

3.6 本章小结

4 涡轮复合柴油机的热力学分析

4.1 理想热力循环[35]

4.2 多变过程的处理

4.3 涡轮复合柴油机的热力循环

4.4 多变指数的变化规律

4.5 多变指数对复合柴油机的影响规律

4.6 热力学分析结果

4.7 本章小结

5 涡轮复合柴油机性能的仿真研究

5.1 涡轮复合柴油机仿真模型的建立

5.2 仿真计算结果分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及研究成果

致谢