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4190型柴油机工作过程仿真与性能优化

作　者: 乔英志
导　师: 黄加亮
学　校: 集美大学
专　业: 轮机工程
关键词: 柴油机 AVL_BOOST软件工作过程性能优化仿真
分类号: U664.121.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文研究的是中国石油集团济柴动力总厂生产的4190型船用中速柴油机，该型柴油机广泛应用于渔船的主机和小型船舶的发电柴油机。4190型柴油机从研制到批量生产已有10多年的时间，随着石油资源的短缺和排放法规的限制，其经济性与排放性能难以满足要求，有必要对其进行优化改造。基于以上考虑，学校在对原机改动较小的前提下，对4190型柴油机进行电控化改造，即将原机的机械泵更换为电控单体泵，以精确控制柴油机的定时。对改造后的燃油系统与柴油机进行匹配实验研究，使4190型柴油机的经济性与排放性得到改善。本文以4190型柴油机电控化改造项目为基础，通过对改造后的柴油机进行工作过程仿真计算，得出柴油机结构参数对其性能的影响，为柴油机的电控化改造提供依据和方向。首先，对内燃机燃烧模型及柴油机工作过程仿真发展现状进行分析，得出利用AVL_BOOST软件对电控化改造后的4190型柴油机进行工作过程仿真与性能优化的可行性。对柴油机工作过程仿真的理论基础进行研究，结合电控化改造后的4190型柴油机物理模型，利用BOOST软件建立柴油机仿真模型，并选取MCC燃烧模型以预测排放。利用MATLAB软件对BOOST仿真模型的边界条件进行求取，并对实测的柴油机示功图进行处理。利用实验数据对所建立的BOOST模型进行标定,并验证了模型的正确性。其次，利用BOOST模型对额定工况下柴油机的压缩比、配气相位和进排气系统进行仿真计算，分别得到这些结构参数的最优值；利用仿真模型计算得到了柴油机推进特性和负荷特性下柴油机与增压器的运行特性；对各工况下的柴油机定时进行优化计算，分别得到柴油机燃油经济性模式和低NOx排放模式最优的两套定时。最后，利用AMESim软件建立了电控单体泵燃油系统仿真模型，得出了不同喷孔直径喷油器的喷油规律，并利用BOOST模型对不同喷油器喷孔直径与柴油机的匹配进行仿真计算。通过上述工作过程仿真计算与分析对柴油机的性能进行优化，为4190型船用中速柴油机的电控化改造提供了理论依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-19
  1.1 选题背景及意义  11-12
  1.2 内燃机燃烧模型的发展现状  12-14
    1.2.1 放热率计算  12
    1.2.2 零维模型  12-13
    1.2.3 准维模型  13-14
    1.2.4 多维模型  14
  1.3 柴油机工作过程仿真发展现状  14-18
    1.3.1 利用编程软件进行柴油机工作过程仿真计算  15-16
    1.3.2 利用专业软件进行柴油机总体性能的研究  16-18
  1.4 主要内容  18-19
第2章柴油机工作过程仿真理论基础  19-36
  2.1 柴油机工作介质特性  19-21
    2.1.1 工质的成分  19-20
    2.1.2 工质的气体常数和比热  20-21
  2.2 缸内热力过程的基本微分方程  21-22
    2.2.1 能量守恒方程  22
    2.2.2 质量守恒方程  22
    2.2.3 理想气体状态方程  22
  2.3 燃烧放热率计算  22-27
    2.3.1 单韦伯模型  23-24
    2.3.2 双韦伯模型  24-25
    2.3.3 Woschni/Anisits 模型  25
    2.3.4 AVL MCC 模型  25-27
  2.4 气缸周壁传热  27-30
    2.4.1 Woschni 模型  28-29
    2.4.2 Hohenberg 模型  29
    2.4.3 Lorenz 模型  29
    2.4.4 AVL2000 模型  29-30
  2.5 气缸工作容积计算  30-31
    2.5.1 活塞的运动  30
    2.5.2 气缸工作容积  30-31
  2.6 进排气阀的流量计算  31-32
  2.7 废气涡轮增压器数学模型  32-35
    2.7.1 压气机通用特性  32
    2.7.2 压气机基本方程组  32-34
    2.7.3 涡轮机基本方程组  34-35
  2.8 本章小结  35-36
第3章 AVL BOOST 柴油机仿真模型的建立  36-55
  3.1 4190 型柴油机工作过程仿真模型  36-37
  3.2 BOOST 仿真计算模型参数的输入  37-41
    3.2.1 全局参数的输入  37
    3.2.2 仿真计算的系统边界  37-38
    3.2.3 管道参数的设置  38-40
    3.2.4 进排气阀的等效  40
    3.2.5 气缸参数的设置  40-41
    3.2.6 涡轮增压器参数的设置  41
  3.3 BOOST 边界条件计算  41-50
    3.3.1 循环喷油量的计算  42
    3.3.2 柴油机摩擦损失的计算  42-44
    3.3.3 喷油规律的测取  44
    3.3.4 示功图数据的处理  44-50
  3.4 BOOST 仿真模型的试验验证  50-54
    3.4.1 实验设备  50-51
    3.4.2 仿真结果与实验结果对比  51-54
  3.5 本章小结  54-55
第4章柴油机工作过程仿真与性能优化  55-77
  4.1 柴油机额定工况下的性能优化计算  55-63
    4.1.1 压缩比的优化计算  55-57
    4.1.2 配气相位的优化计算  57-60
    4.1.3 进排气系统的优化计算  60-63
  4.2 4190 型柴油机与增压器匹配计算  63-65
  4.3 4190 型柴油机供油定时优化计算  65-73
    4.3.1 柴油机燃油经济性模式定时优化  71-72
    4.3.2 柴油机低 NOx 排放模式定时优化  72-73
  4.4 喷油器喷孔直径对柴油机性能的影响  73-76
    4.4.1 燃油系统仿真计算  73-75
    4.4.2 喷油器喷孔直径与柴油机仿真计算  75-76
  4.5 本章小结  76-77
第5章总结与展望  77-79
  5.1 结论  77
  5.2 展望  77-79
致谢  79-80
参考文献  80-83
附录  83-85
在学期间发表的学术论文  85

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