船舶四冲程柴油主机增压系统运行规律的研究

轮机工程学院 学号：2010120123 姓名：王孝志 班级：轮机1015班 《动力装置节能技术》结课论文

船舶四冲程柴油主机增压系统运行规律的研究

[摘要] 随着计算机技术的不断发展，计算机仿真已成为分析涡轮增压柴油机运

行性能的有力工具。本研究以喘振为切入点，采用开放系统的思想和技术来建模和仿真，对涡轮增压四冲程主柴油机热力过程进行模拟，对其数学模型采用有效的计算方法，在Compaq Fortran6.6 PowerStation可视化编程环境下采用Fortran77语言编译相应的主程序、子程序和数据,反复调试后即可得“涡轮增压柴油机运行性能预测程序”。 对各种运行工况下增压系统的影响因素进行定量分析，最终得出船舶大功率四冲程主柴油机增压系统的运行规律。

[关键词] 船舶柴油机；仿真；喘振；Fortran

0．引言

目前97%的船舶推进器仍然是柴油发动机，其中四冲程主柴油机比例达到1/4。当前四冲程主柴油机在船舶上被用作主动力机器和发电机，其工作是否正常，直接影响到船舶航行的安全。在实际航行中，由于轮机人员对现代新型船舶柴油机增压系统运行的基本规律认识不清，管理理念明显滞后，使柴油机性能逐渐恶化。有关资料表明船舶四冲程主柴油机主要部件故障中，增压器(增压系统)故障占20%，因此对船舶四冲程主柴油机增压系统运行规律进行研究具有非常重要的意义。

1.国内外研究动态

1.1.1国内外建模与仿真的动态

模型是系统的一种表示，是为了研究系统的目的而开发的，是系统的内在联系及它与外界的关系的一种描述。这种使用模型来研究系统的方法叫做系统模拟或系统仿真，简称“仿真”m。建模就是针对研究事物的某种需要，抽取相关的某些特殊信息，并使之映射十特定信息空间的某种抽象集合的形式化描述。 (1)国外建模与仿真的动态

伴随着计算机技术的发展和以相对论为基础的模拟技术的应用，建模与仿真作为一种研究新产品、新技术的手段，在国外从20世纪30年代以来，在航天、造船、兵器行业迅速发展起来。1930年左右，美国陆、海、空部队就使用林克式仪表飞行模拟训练器，当时其经济效益相当于每年节省1.3亿美元，少牺牲524名飞行员。50年代，澳大利业武器研究机构和英国皇家航空研究所联合研制的警犬导弹，利用仿真实验辅助发射，与同期的德国、美国、苏联直接通过导弹发射相比，发射次数仅为后者的十分之一，大大减少了耗资。建模与仿真不仅用在武器方面，在“虚拟制造”方面也一鸣惊人。计算机制造系统CIMS ,虚拟制造、分布式虚拟制造等相继产生。随着国外建模与仿真技术的发展，以前的各领域的独立闭塞式的开发研究越来越造成资源浪费、开发周期长的后果。鉴十此，美国国防部十1995年正式颁布了建模与仿真主计划MSMP (Modeling and

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Simulation Master Plan)，试图把各部门的力量汇集起来，解决建模与仿直的共同问题，以节省人力、物力。 (2)国内建模与仿真的动态

我国建模与仿真相对国外来说，起步稍晚。20世纪s0年代初，建模与仿真技术最早应用十自动控制领域，飞机、导弹的飞行控制、制导系统采用数字仿真和半实物仿真进行分析试验，采用的是模拟计算和面向方程的建模方法。60年代，建模与仿真的应用不仅仅在连续系统和工程领域，而扩展到离散事件系统和社会经济等非工程领域，如交通管理、企业管理、人口动力学等。70年代，训练仿真器获得突破性进展，各个领域应用训练仿真器对驾驶员、操作人员、指挥人员、管理人员进行培训，飞行模拟器、电站训练仿真器、铁路机车仿真器、化工过程仿真器、汽车驾驶模拟器等相继研制成功。80年代，我国建成一大批具有先进水平的仿真实验室和仿真工程，应用十型号研制。在仿真算法和仿真软件方面，包括微分方程、线性方程和离散事件的串行/离散算法及优化取得很大成就，开发出多种通用连续系统仿真语言、连续/离散混合仿真语言，可在工作站或微机运行。在此期间，我国还成功研制出专用的数字仿真计算机，并向通用、分布、并行、智能化的新一代仿真计算机发展。我国对新的先进仿真技术开展了研究，包括联网仿真、分布交互仿真、虚拟现实仿真、基十仿真的设计、虚拟样机、定量和定性相结合的仿真、建模与仿真的重用和互操作性以及分布虚拟环境等。

1.1.2国内外柴油机工作过程模拟计算的现状与发展 (1)国内外柴油机工作过程模拟计算的现状

柴油机工作过程模拟的发展可以追溯到早期用计算机模拟柴油机的放热规律。到了60年代中期，计算机的发展为包括进排气过程在内的整个柴油机工作过程模拟创造了条件。随后，柴油机缸内燃烧模型不断完善，进排气系统的数值求解方法也得到比较大的发展。

国内，上海交通大学内燃机性能学科组在高增压柴油机性能提高方面进行了持续的研究，在CIMAC程序的基础上改编了“柴油机缸内及进排气系统中的工作过程模拟程序”，并提出使用十高增压四冲程柴油机的五种系统:(l)二次进气系统(SIP系统);(2)扫气旁通系统(Scabby系统);(3)顾氏系统;W自动进排气供油正时系统(AVIEIT系统);C6)混合式脉冲转换器涡轮增压系统(MIXPC系统)f 8l。天津大学动力机械及工程学院建立了直喷式增压中冷柴油机工作过程模型，利用Malabo编制了直喷式增压柴油机零维仿真计算程序，对4102BZLQ柴油机工作过程进行了仿真计算[f]l fool。同济大学动力机械及工程学院采用AVL Boost软件对WD615. 46型增压中冷柴油机进行性能模拟计算。华中科技大学动力工程学院建立了CA6DL柴油机性能模拟计算模型和确定了边界条件，应用Boost软件进行了CA6DL柴油机性能预测和分析，对涡轮增压器的选配作了详细的计算分析，达到了预期的效果。我们学院通过对前两个省自然科学基金项目(项目编号E93020一一《船舶二冲程增压柴油机喘振机理及消除方法的研究》，集美大学翁泽民教授主持以及项目编号E96022一一《船舶主柴油机性能诊断技术和分析系统研究》，揭示出二冲程主柴油机增压系统运行的基本规律，为揭示“船舶四冲程主柴油机增压系统的运行规律”打下良好的基础。 1. 2本研究的主要工作

国内外相关的柴油机喘振的研究，均是从设计、制造的角度，研究如何保证新机状态下有适当的喘振裕量，柴油机实际运行中影响柴油机喘振的因素很

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多，许多因素又是相互牵连、相互影响的。也就是说，这是个多维的问题，不采用“内燃机工作过程数值计算”，是难以分析清楚的。而目前人们对运行中船舶四冲程主柴油机增压系统喘振原因的分析基本上还是定性的或局部的，ifu b_常常将四冲程主柴油机增压系统的运行规律与二冲程柴油主机增压系统的运行规律混为一谈。因此难免产生一些片面的、错误的结论，使分析仍有些混淆不清。由十这一问题的研究处十上述状况，在航运界就仍存在一些含糊不清的说法，造成船舶在航行中管理不够有力。柴油机及其增压系统往往由十流道污损、船龄增加螺旋桨特性曲线逐渐变陡等原因，使柴油机性能逐渐恶化，可靠性下降，由此产生的故障比例最高，严重影响经济效益。因此，本研究以喘振为切入点，对柴油机热力过程进行大量模拟计算及分析，对船舶四冲程主柴油机增压系统的运行规律作深入的研究和分析，以期找出其内在规律。本研究需要完成以下两方面的工作:

(1)编译“涡轮增压柴油机运行性能预测程序”。

(2)探索“船舶四冲程主柴油机增压系统运行的基本规律”。

本研究的目的是探索、分析并得出大功率船舶四冲程主柴油机增压系统运行的规律，并开发一套四冲程主柴油机增压系统运行规律的分析软件，使维护管理现代四冲程船舶主柴油机有更明确的指导思想，为解决船舶大功率四冲程主柴油机运行中性能恶化的问题提供理论依据，提高船舶动力装置的可靠性，使船舶柴油机动力装置增压系统的运行规律完整、更系统地展现出来，以期作为相关的科研成果在全国推广、普及，具有很高的社会效益。

2.船舶四冲程主柴油机工作过程数学模型

2.1 6PSHTD-26H型柴油机工作过程数学模型

本课题以‘大发’6PSHTD-26H船用柴油机为研究对象，该柴油机的主要技术参数:直立式、水冷、直接喷射、四冲程废气涡轮增压加中间冷却六缸柴油机，缸径D =260mm,行程S =320mm，额定功率Pe -662kW ,额定转速n =720r. mini 1，平均有效压力1.012MPa,增压比1.85，发火顺序为1-2-4-6-5-3}25}0 2.2气缸中热力循环过程

柴油机气缸中的工作过程是很复杂的，它包括有机械、物理、化学、热传导与流动等过程。在气缸内各部分工质的温度、压力及成分，也是不同的，特别是在燃烧过程阶段，各处的温度和工质成分差别更大。但为模拟缸内过程来获得整机的热力过程总体参数，较常采用的方法仍是容积法模型，即假定按曲柄转角瞬时热力平衡状态，缸内气体压力、温度、成分是均匀的，用二个基本参量，即质量Cm,温度CT及压力p，表示缸内气体的状态，并用能量方程、质量方程和气体状态方程把整个工作过程联系起来，即

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2. 3增压系统各部件流动阻力或污阻的计算模型

增压系统各部件流动阻力对柴油机性能有很大的影响。它们在实际运行中污阻，又在不断变化，因此本程序给予较细致的模拟。我们把柴油机与增压系统作为完整系统进行计算，各部分流动阻力用总压损系数睿，考虑详细计及各部分流道阻力及堵塞的影。

3.船舶四冲程主柴油机运行性能预测程序

3. 1程序结构

4.全研究结论和展望

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4. 1研究结论

1.收集‘大发’6P SHTD-26H船用柴油机的结构参数和台架试验数据;收集VTR250压气机特性曲线图和涡轮特性曲线图。

2.学习Fortran77计算机语言和Matlab软件，并编译相应的程序。 3.编译“涡轮增压柴油机运行性能预测程序”。把涡轮增压柴油机划分成柴油机气缸、柴油机排气管、进气管、废气涡轮增压器、空冷器等五个立的瞬时热力平衡系统，结合四冲程主柴油机的实际工作过程，对其数学模型(包括:燃烧模型、进排气模型、排气管模型、废气涡轮增压器模型、器模型)进行一些改进和发展，采用有效的计算方法，在Compaq Fortran6.6 Powerstation可视化编程环境下采用Fortran77语言编译相应的主程序、子程序和数据块，反复调试后即可得“涡轮增压柴油机运行性能预测程序”。

4.应用编译好的“涡轮增压柴油机运行性能预测程序”，从增压系统流道阻塞运行因素的影响(包括:滤清器阻塞、空冷器气侧堵塞、进排气阀堵塞涡轮保护格栅堵塞、涡轮通流部分堵塞、压气机效率、涡轮排气阻力、封缸运行)和增压系统非流道阻塞运行因素的影响(包括:柴油机转速与负荷喷油系统故障导致排气温度升高、空冷器冷却能力变差、海域温l妇泽低)两方面来大量模拟计算，并结合现场实验数据和台架试验数据不断 加以修正，研究和分析，最终得出关十船舶大功率四冲程主柴油机增压系统的运行规律，更好地维护管理柴油机和优化柴油机性能。

5.充分利用实验室资源，利用各种传感器和相关设备仪器，测取‘大发’6PSHTD-26H船用柴油机在不同转速、不同负荷下的性能参数，来验证“涡轮增压柴油机运行性能预测程序的可行性。 6. 2工作展望

1.柴油机系统是一个很复杂的系统，特别是要在短短的一年内完善整套系统的仿真数学模型，是一件很困难的事情，仍有许多不足之处有待口后进一步改进和完善。

2.本研究只以‘大发’6P SHTD-26H船用柴油机为研究对象，应收集更多的四冲程主柴油机的结构参数和台架试验数据，来验证“涡轮增压柴油机运行性能预测程序”

[参考文献]

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