基于热力学仿真的大缸径柴油机性能研究

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1、天津大学硕士学位论文基于热力学仿真的大缸径柴油机性能研究LargeBoreDieselEnginePerformanceResearchBasedonThermodynamicSimulation学科专业：动力工程（内燃机）研究生：李文涛指导教师：刘昌文教授天津大学机械工程学院2017年12月中文摘要随着能源危机的日益严重和环保法规的日益严格，世界各国对内燃机的经济性和排放性能的要求越来越严格，这对内燃机的设计、开发提出了更高的要求。WEICHAI-7L21/31是一款四冲程大缸径船用发电柴油机，该机型采用模块化设计，后期修理维护方便。由于其可靠性高、

2、运营成本低，广泛应用于内河集装箱船、油船、散货船等船型。为应用于海洋船舶，满足IMO对海洋船舶发动机排放升级的要求，确定进行升级改造和优化设计，对进排气系统、燃油供给系统、增压器、凸轮轴等零部件进行优化升级。本文就该发动机的性能做热力学仿真分析，重点研究配气系统参数和米勒循环方案的影响和优化问题。首先以WEICHAI-7L21/31四冲程发电柴油机为基础，根据其各零部件及台架试验管路参数，通过GT-POWER软件建立了整机热力工作过程仿真模拟模型，针对D2循环工况点的功率、燃油耗、缸内最大爆压、中冷后进气压力、涡前排气压力、进气流量、NOx排放等主要技

3、术参数进行了仿真计算，并根据试验数据对仿真计算模型进行标定，模型标定后的计算结果与试验数据误差在3%范围内，表明仿真计算数据与试验数据有很好的一致性，模型准确。然后利用标定好的仿真计算模型，在保证过量空气系数不变的情况下，研究了改变排气门开启角(EVO)、进排气门叠开角(VO)与进气门关闭角(IVC)时发动机的性能。分别对比分析了不同EVO(113°CA、118°CA、123°CA、128°CA、133°CA、138°CA)、VO(79°CA、89°CA、99°CA、109°CA、119°CA、129°CA)、IVC(536°CA、546°CA、556

4、°CA、566°CA、576°CA、586°CA)对柴油机油耗及排放的影响规律。计算结果表明：EVO=118°CA、VO=89°CA时油耗最优；IVC=556°CA时柴油机综合油耗和排放最优；相比原机配气相位(EVO=128°CA、VO=109°CA、IVC=586°CA)各工况油耗将下降1%-3%，NOx排放下降20.5%-22%。。最后根据以上模拟优化计算结果，重新设计了进排气凸轮轴，进行了柴油机性能及排放试验研究，试验结果表明相对于原机各工况，油耗下降1.8%-3%，NOx排放下降20%-22%，NOx综合比排放由11g/(kW·h)下降至8.5

5、9g/(kW·h)，达到了满足IMOTierII排放要求。关键词：大缸径发电柴油机，热力学仿真，米勒循环，配气系统，NOx排放，燃油耗，缸内最大爆压，进气流量IABSTRACTAsenergycrisisandenvironmentalregulationsprogresseswithincreasingrestriction,economicperformanceandemissionofinternalcombustionenginearefurtherrestrictedthroughouttheworld,whichrequirebettere

6、nginedesignanddevelopment.WEICHAI-7L21/31isanafour-strokelarge-boremarinegensetdieselengine,whichhasamodulardesignandiseasytorepairandmaintainlater.Duetoitshighreliabilityandlowoperatingcosts,thisengineiswidelyusedininlandcontainerships,oiltankersandbulkcarriers,etc.Inordertomee

7、ttheIMOrequirementsforimprovingmarineengineemissions,engineshavetobeupgradedandoptimized,includingtheoptimumdesignofkeycomponentssuchasintakeandexhaustsystems,fuelsupplysystems,superchargers,camshafts,etc.Inthisthesis,engineperformanceofWEICHAI-7L21/31four-strokedieselenginegene

8、ratorwasthermodynamicallysimulatedandanalyzed,m