舰用大功率柴油机低负荷性能研究

【摘要】：柴油机作为舰艇电站的原动机,其低负荷性能一直是人们关注的焦点。本文以双进气道可控涡流系统改善舰用大功率柴油机低负荷性能的作用机理为研究对象,通过开展如下理论分析与试验研究,即进气系统三维流场数值模拟、柴油机双进气道稳流试验台吹风试验、柴油机低负荷工况实机性能试验和低负荷工况燃烧放热规律的计算分析,深入探讨了可控涡流进气系统的流动特性、变化规律、影响因素,以及可控进气涡流对大功率柴油机混合气形成与燃烧放热规律的影响等问题。首次揭示了双进气道可控进气涡流系统改善大功率柴油机低负荷性能的作用机理。本文的研究内容和创新点主要有以下几个方面: 对大功率增压柴油机低负荷性能研究的现状进行了综述,全面分析了改善大功率增压柴油机低负荷性能的现实技术及其有关问题,提出了一种新的不同于传统思维方式的改善低负荷性能的技术措施,即采用可兼顾柴油机高低负荷性能要求的双进气道最佳可控涡流进气系统,来改善大功率直喷式柴油机的低负荷性能。其主要特点是,在整个负荷范围内,该可控涡流进气系统能满足发动机高负荷大流量、低负荷大涡流的要求。在低负荷工况,通过关闭直流气道,实现单螺旋气道进气,在进气流量较之双气道进气有较大幅度减少的情况下,使其涡流比保持较高水平。从而既可以加速油气混合过程和增大预混燃烧量,又可以有效防止低负荷工况因混合气过稀可能出现的不稳定着火现象,达到有效改善大功率增压柴油机的低负荷运转性能。 应用先进的流体分析软件,对由直流气道和螺旋气道组成的双气道可控涡流进气系统进行了三维流场数值模拟和参数分析研究。模拟计算以TBD620V12型柴油机缸头气道为研究对象,在Pro/E软件平台上构筑了双气道的三维实体造型,运用Ansys面向多块网格的生成工具与强大的非结构化四面体和六面体网格生成技术,进行了网格的前处理工作,建立了柴油机双进气道可控涡流系统的物理和数学模型,根据实际情况确定了计算的初边值条件,使用Fluent大型软件包对TBD620柴油机双进气道的进气流动进行了三维数值模拟。计算结果与稳流试验结果的变化趋势基本一 WP=5 致,说明建立的模型与计算方法是有效的。 建立了评价大功率直喷式柴油机气道质量的稳流试验台,在国内首次对大功率柴油机双进气道可控涡流进气系统进行台架稳流试验研究。进气系统稳流试验结果表明,在双进气道、单直流气道或单螺旋气道三种进气方式中,当气阀开度达到一定程度后,直流进气道的流量系数最高,双气道次之,螺旋气道的流量系数最低;而其涡流比则与之相反,这一变化趋势与气道试验压差亦即柴油机负荷大小无关。这表明在低负荷工况,采用单螺旋气道进气能获得较大的涡流强度。 该试验结果证实了在低负荷工况,以螺旋气道为主的进气方式的优越性。此外,还对直流气道中的进气挡板的尺寸大小对涡流强度的影响进行了试验研究,在判明其作用机理的基础上,对进气挡板的尺寸进行了优化分析。 为了深入研究和证实双进气道可控涡流系统改善大功率柴油机低负荷性能的潜力,对TBD620V12型柴油机进行了整机台架试验,测录了低负荷工况下的缸内示功图和大量性能参数。实机试验结果表明:在柴油机低负荷工况,直流气道关闭与否会对实测示功图产生显著的影响。在低负荷工况下,当螺旋气道单独进气时,柴油机的各项性能指标比双气道同时进气时要好。大量对比试验研究结果表明,采用可控涡流进气系统既有利于充分发挥缸内气流在加速油、气混合方面的作用,也有利于着火燃烧的稳定,从而有效改善了柴油机的低负荷燃烧性能。研究工作还表明,在低负荷工况下,可以通过采用螺旋气道单独进气和低负荷特殊喷油器的技术措施,而使大功率的柴油机的各项性能指标进一步得到改善。 运用灰色系统理论,采用灰色关联度的分析方法,对影响柴油机低负荷性能的主要因素进行了灰色关联度分析。分析结果证实,在低负荷工况下,进气涡流强度与过量空气系数以及循环喷油量相比,进气涡流强度对促进混合气形成和改进燃烧的作用更为显著。 用实测的TBD620柴油机缸内压力示功图进行了柴油机低负荷工况燃烧放热规律的分析计算。在放热规律的分析计算中,以双韦伯函数对放热率曲线进行数学拟合,提出了通过理论分析和试验数据的回归计算获得进气涡流与放热规律曲线特征(韦伯)参数之间定量关系的方法,进而推导出适用于TBD620柴油机低负荷放热规律计 WP=6 算的特征(韦伯)参数的经验表达式。通过这些特征参数的变化,可由工作过程的模拟计算得到柴油机具体的性能参数,藉此分析和判断柴油机燃烧过程的优劣。低负荷工况的燃烧放热规律计算结果表明, 通过自动关闭直流气道,有效防止了因混合气过稀可能出现的不稳定着火现象,而较强的进气涡流则加速了油气混合过程,从而进一步提高了油气混合的质量,导致预混燃烧量增大,最终使柴油机低负荷燃烧性能得以改善。 建立了TBD620柴油机低负荷工况的燃烧模型, 即多元非线性规划模型。其建模和求解方法简单,实测放热率曲线和拟合曲线十分接近。运用该模型可以预测低负荷工况下任意一个工况的放热规律,这对于分析柴油机的低负荷性能具有重要的作用。