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船用柴油机电控单体泵系统性能研究与开发

姚崇  
【摘要】:石油资源的日益枯竭和排放法规的日益严格对柴油机性能提出了更高的要求,同时也推动了柴油机技术的发展。采用电子控制技术是提高柴油机性能的主要技术手段,已经成为船舶柴油机重要研究和发展方向。其中电控燃油喷射系统作为现代柴油机核心部件,在很大程度上决定着柴油机的性能。电控单体泵燃油系统具有结构简单、可靠性高、对现有柴油机燃油系统改造或升级容易、对油品质量要求低等优点,是对我国机械喷油式柴油机升级改造的有效途径之一。 本文针对船用柴油机燃油系统的特点,设计了船用电控单体泵燃油系统,重点针对电控单体泵燃油系统的喷油特性和其高速电磁阀特性进行了深入研究,并开发了电控系统。在TBD234V8柴油机上配机试验表明,在改善柴油机经济性和提高调速性能的前提下,排放性能达到了IMO TierⅡ排放要求。论文主要完成了以下几个方面的研究工作。 1、高速电磁阀是电控单体泵燃油系统的关键部件,其驱动能力和响应速度等性能决定了喷油控制的灵活性。本文针对船用电控单体泵高速电磁阀特性分析难题,在Ansoft环境下建立了三维静态和瞬态磁场数值仿真模型,采用多物理场建模仿真分析及响应面中央合成试验设计分析方法,得出了全工况平面内关键因素及交互作用对高速电磁阀性能的影响规律和程度,揭示了静态电磁力及瞬态响应时间不但与一次作用因素有关,而且受二次因素复杂的交互作用影响,为高速电磁阀优化设计提供了有力支撑。 2、电控单体泵的喷油性能及循环喷油量波动是影响柴油机高效清洁燃烧和稳定工作的重要因素。本文采用实验分析和AMESim数值模拟相结合的方法,分析了影响系统喷油性能的关键因素,揭示了全工况范围内关键因素对喷油性能的影响规律,并利用相关性分析方法得出了影响因素一次及二次交互作用对喷油性能的影响规律。通过对全工况范围内的循环喷油量波动量化分析,揭示了各影响因素变动对循环喷油量波动变化的影响规律,得到了影响循环喷油量波动的关键参数。为电控单体泵燃油喷射系统的设计、开发和循环喷油量稳定性控制提供理论指导。 3、采用硬件模块化、软件分层封装及基于标定参数的数据架构设计方法,开发了船用柴油机电控单体泵系统控制单元,实现了电控单体泵柴油机实时、在线优化控制与匹配标定。并先后在油泵试验台和TBD234V8船用柴油机上进行了试验研究。试验结果表明:在满足柴油机经济性和调速性能的前提下,E3和D2工况NOX排放分别为7.02g/kW h、7.05g/kW h,达到了IMO TierⅡ排放要求。


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