船用V 型高速机相继增压计算分析.doc

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??2007-1-31 15:17:25 ???? 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．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 PA6-280STC12 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 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． 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 —温度，K；R —气体常数，J/kg·K；下标：g—气体；w—壁面． 3.3