（轮机工程专业论文）新型船用中速柴油机性能优化设计.pdf

fff|ff|f y 1 8 8 0 5 6 0 ”。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本 学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：卜夭氐导师( 签名 期 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 四冲程中速柴油机既可以作为发电柴油机，也可以作为主推进动力装置广 泛应用在船舶上。中速柴油机的性能优化可提升我国船舶柴油机的设计与制造 水平。中速柴油机工作过程数值计算可以为柴油机的性能提高提供指导，故障 仿真研究可以为柴油机的故障判断提供依据，有利于柴油机使用寿命的延长； 配气机构的多体动力学仿真计算可以通过虚拟样机判断是受力与运动的合理 性，降低生产成本；燃油喷射系统的性能优化可以为其工作性能的提高提供设 计依据。论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 建立了船用中速柴油机零维数值模型，通过试验验证了模型的正确性。 在此基础上建立了c m 6 l 2 1 3 2 型柴油机的计算模型，获得柴油机气缸压力示功 图、进排气口的气体流量曲线和负荷特性曲线，并通过了试验验证了模型的正 确性。对c m 一6 l 2 1 3 2 型柴油机进行了8 种故障仿真计算，提取了1 4 个性能参 数来反映柴油机性能，仿真结果表明不同故障对性能参数的影响不同，为柴油 机的故障预测提供了重要依据。 ( 2 ) 利用m s c a d a m s e n g i n e 软件建立了船用中速柴油机配气机构运动 学和动力学仿真模型，动力学参数主要包括：气阀和气阀座之间，凸轮和挺柱 之间以及气阀和摇臂座之间的接触应力；运动学参数主要包括：气阀的位移、 速度和加速度。经过于同类机型的比较分析，其计算结果在允许的误差范围之。 ( 3 ) 利用a v lh y d s i m 软件建立了船用中速柴油机燃油喷射系统的工作过 程仿真模型。通过改变喷油泵柱塞直径、高压油管长度及内径、喷孔数、喷孔 内径等主要参数，分析了其对燃油喷射系统中针阀升程、喷油量和燃油喷射压 力等参数的影响，为其性能优化提供理论依据。 关键词：工作过程仿真，配气机构，燃油喷射系统，船用中速柴油机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o to n l yc a r lt h ef o u r - s t r o k em e d i u ms p e e dd i e s e le n g i n eb eu s e da sa g e n e r a t o r sp r i m em o v e r , b u ta l s oi tc a l lb eu s e da sm a i np r o p u l s i o np l a n to nv e s s e l s t h eo p t i m i z a t i o no ft h ed i e s e le n g i n ec a ni m p r o v ep r o d u c t i o nl e v e lo ft h ed o m e s t i c d i e s e le n g i n e t h ec a l c u l a t i o n so fm e d i u ms p e e dd i e s e le n g i n e w o r k i n gp r o c e s s c o u l dp r o v i d ed i r e c t i o nf o ri t sw o r k i n gp e r f o r m a n c e f a u l t s s i m u l a t i o nr e s e a r c hc o u l d p r o v i d er e f e r e n c ef o rt r o u b l es h o o t i n gw h i c hi sg o o df o ri t sw o r k i n gl i f e t h ev a l v e g e a rm u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o nf o r e c a s ti t sm o v e m e n ta n df o r c et h r o u g h v i r t u a l p r o t o t y p e t h i s r e d u c e sp r o d u c t i o nc o s t t h ef u e l i n j e c t i o ns y s t e m s p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o ns u p p l i e sd e s i g ns u g g e s t i o n sf o ri t sg o o dw o r k t h er e s e a r c h w o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) c m 一6 l 2 1 3 2m a r i n em i d d l e - s p e e dd i e s e le n g i n ei sc h o s e na st h er e s e a r c h o b j e c t m a k i n gu s eo fa v lb o o s ts o f t w a r ee s t a b l i s hz e r o - d i m e n s i o nn u m e r i c a lm o d e l a c c o r d i n gt ot e s td a t a , v e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h em o d e l b a s e do nt h i s ，c m - 6 l 21 3 2 m o d e li se s t a b l i s h e d ，g e tt h ei n d i c a t o rd i a g r a m ，g a s f l o wa n dp r e s s u r ec u r v e sa ti n l e t o ro u t l e ta n dl o a dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e s t h i si sp r o v i d e da sg u i d a n c ef o rt h ed i e s e l e n g i n ep r o d u c t i o nd e s i g n a f t e rc m - 6 l 2 1 3 2i si np r o d u c t i o n ，i tc a nb eu s e dt ot e s t m o d e lv a l i d i t y i na d d i t i o n ，8f a u l t ss i m u l a t i o nc a l c u l a t i o ni sc o n d u c t e do nc m - 6 l 21 3 2a n d14p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e dt or e f l e c tt h ee n g i n e p e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n tf a u l t sh a v ed i f f e r e n t a f f e c t i o n so nt h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n ea n dt h i sp r o v i d e sa ni m p o r t a n tb a s i sf o r d i e s e le n g i n ef a u l tp r e d i c t i o n ( 2 ) c m - 6 l 2 1 3 2m a r i n em i d d l e - s p e e dd i e s e le n g i n e sv a l v eg e a ri sc h o s e na s r e s e a r c ho b j e c t ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e li sc o n s t r u c t e db yu s i n go f m s c a d a m ss o f t w a r et o g e td y n a m i ca n dk i n e m a t i cp a r a m e t e r s d y n a m i c p a r a m e t e r si n c l u d e ：c o n t a c ts t r e s sb e t w e e nv a l v ea n dv a l v es e a t ，c a ma n dt a p p e t , v a l v ea n dr o c k e r k i n e m a t i cp a r a m e t e r si n c l u d e ：d i s p l a c e m e n t ， v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o no fv a l v e a f t e rt h e i rc o m p a r i s o nw i mt h es i m i l a rt y p eo fd i e s e le n g i n e s v a l u e s ，t h e ya r ei nt h ea l l o w e dl i m i t s ( 3 ) c m - 6 l 21 3 2m a r i n em i d d l e - s p e e dd i e s e le n g i n e sf u e li n j e c t i o ns y s t e ma s i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho b j e c t i t ss i m u l a t i o nm o d e lo fw o r k i n gp r o c e s si sb u i l tb yt h eu s eo f a v lh y d s i ms o t t w a r e c h a n g ef u e li n j e c t i o np u m pp l u n g e rd i a m e t e r , h i g h - p r e s s u r e t u b el e n g t ha n dd i a m e t e r , i n j e c t o rh o l e s n u m b e ra n dt h ed i a m e t e ro fh o l e ss oo n , a n a l y z et l l e i ra f f e c t i o n st of u e li n j e c t i o ns y s t e mn e e d l ev a l v el i f t ，f u e li n j e c t i o n q u a n t i t ya n df u e li n j e c t i o np r e s s u r e t h i sc a ns u p p l yr e f e r e n c ef o ri t sp e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：m a r i n em i d d l e - s p e e dd i e s e le n g i n e ，w o r kp r o c e s s ，f a u l ts i m u l a t i o n , v a l v eg e a r , f u e li n j e c t i o ns y s t e m i i i 武汉理工人学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 内燃机工作过程仿真研究现状2 1 3 配气机构研究现状3 1 4 燃油喷射系统仿真研究现状4 1 5 主要内容及思路6 第2 章新型中速柴油机工作过程数值计算方法7 2 1 物理对象介绍7 2 2 技术路线8 2 3c m - 6 l 2 1 3 2 型柴油机系统建模理论基础9 l2 3 1 柴油机工作过程的物理模型9 7 2 3 2 气缸1 0 2 3 3 进排气系统1 5 2 3 4 空冷器1 6 2 3 5 涡轮增压器1 6 2 4 柴油机系统模型：1 7 2 4 1 整体模型1 7 2 4 2 额定工况初始参数的输入1 8 第3 章柴油机工作过程数值计算分析2 1 3 1 增压压力选取2 1 3 2 压缩比选取2 2 3 3 配气相位选取2 4 3 4 燃烧始点选取2 9 3 5 仿真实验结果和负荷特性曲线3 0 3 5 1 仿真实验结果3 0 3 5 2c m - 6 l 2 1 3 2 型柴油机负荷特性曲线3 1 3 6c m - 6 l 2 1 3 2 型柴油机试验验证3 3 3 6 1 测试时间、地点、对象3 3 3 6 2 性能参数与负荷特性曲线对比3 3 i v 武汉理工人学硕士学位论文 4 j 。i 本章小结3 7 第码蕈柴油机故障仿真分析3 8 1 ，j 放障设定3 8 4 2 故障分析3 9 4 2 1 压缩比变化3 9 4 2 2 曲轴箱窜气4 1 4 2 3 各缸供油量不均匀4 2 4 2 4 喷油正时故障4 4 4 2 5 涡轮增压器效率故障4 5 4 2 6 中冷器换热故障4 6 4 2 7 中冷器压力损失故障4 8 4 2 8 排气阀正时故障4 9 3 本章小结5 2 每：一章配气机构动力学仿真计算5 3 j ：技术路线与模型创建5 3 5 1 1 配气机构基本参数5 4 5 1 2 构件三维模型和质量特性参数5 4 5 1 3 动力学模型拓扑结构5 5 5 1 4 构件力学特性参数5 7 5 1 5 模型创建6 0 ：2 气阀运动分析6 0 5 3 气阀动力学分析6 3 5 3 1 气阀与气阀座间作用力6 3 5 3 2 凸轮与挺柱间作用力6 4 5 3 3 摇臂受力6 5 5 4 本章小结6 7 第章燃油喷射系统性能优化6 8 6 1 技术路线6 8 6 2 原始参数计算6 9 6 2 1 喷油泵供油量6 9 6 2 2 凸轮接触应力6 9 6 2 3 出油阀流通截面7 0 v 武汉理工大学硕士学位论文 6 2 4 喷油器7 0 6 3 燃油喷射系统初始参数输入7 2 6 3 1 喷油泵7 3 6 3 2 卸载出油阀7 3 6 3 3 高压油管7 4 6 3 4 喷油器7 4 6 4 性能仿真优化7 5 6 4 1 凸轮型线7 5 6 4 2 柱塞直径7 7 6 4 3 高压油管7 9 6 4 4 蓄压腔8 3 6 4 5 针阀升程8 4 6 4 6 喷孔8 6 6 5 本章小结8 9 第7 章结论与展望9 1 7 1 结论9 1 7 2 展望9 1 参考文献9 3 致谢9 6 攻读硕士期间发表的论文和参加的科研项目9 7 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 近三十年来，随着世界经济的突飞猛进，国际航运、航海事业的飞速发展， 作为远洋船舶主推进动力装置或发电柴油机的中速四冲程柴油机，其设计、生 产、工艺、材料等方面的技术也飞速提升，提高柴油机的工作性能和安全使用 寿命已成为国内柴油机制造行业最为关心的内容之一。对柴油机的工作过程进 行仿真、故障模拟和性能预测，可实现产品虚拟性能测试、降低生产成本、缩 短产品的开发周期【l 】，对提高我国柴油机制造水平具有重要的意义。 在过去的几十年里，经济的发展伴随着环境污染的加剧和能源消耗的过度， 节能环保的重要性开始被人们所关心重视。特别是进入2 0 0 0 年之后，随着国际 海事组织i m o 颁布的“m a r b l e 公约附则关于防止船舶造成大气污染规 则的有关规定”于2 0 0 5 年5 月1 9 日生效，2 0 0 6 年8 月2 3 日对我国也开始生效【2 l 。船 舶柴油机是船舶机械中故障最多的系统之一，在大风浪等恶劣海况下，船舶摇 动剧烈，更容易造成柴油机及推进轴系超速、超负荷等严重故斟3 1 。排放法规的 实施、能源短缺等问题的出现，节能环保以及如何提高船用柴油机的工作性能 和可靠性已经成为我国船舶工业所考虑的重要问题。目前中速柴油机结构更加 紧凑，单位功率的重量和体积减少；另一方面引起了中速柴油机的热负荷增加， 使得缸套等燃烧室相关零部件的温度增高，热变形量增大，润滑条件恶化，加 剧了缸套磨损，同时气阀等关键零部件更加易于产生机械疲劳和磨损，燃油喷 射系统的喷油压力也跟着大幅度提高，如何在提高其工作性能的同时，又有效 地保证他们的使用寿命是急需解决的问题。解决这一问题的方法是向着模块化、 智能化、节能环保以及高可靠性发展。 由于大型电脑的应用使计算工作更为精细，设计工作可由计算导出，而关 于热传导方面的知识也较前丰富得多，因此人们在设计前就能大致了解柴油机 将达到的性能【4 】。本文就是利用a v lb o o s t 软件对柴油机工作过程建立仿真模 型，通过对柴油机工作过程进行仿真，揭示柴油机气缸内部燃烧放热的相关规 律，为优化柴油机的各个系统工作以及汽缸内的燃烧提供优化分析依据。基于 多体系统动力学理论，利用a d a m s 建立柴油机配气机构动力学模型，进行了 虚拟样机的仿真分析研究。应用刚体和刚柔耦合动力学模型进行了配气机构的 武汉理工大学硕士学位论文 运动学和动力学仿真计算，分析配气机构的运动学和动力学特性，节省金钱和时 间，大幅度提高设计质量。枞j a v lh y d s i m 软件对柴油机燃油喷射系统建立 仿真模型，通过对柴油机燃油喷射系统的仿真，调整仿真模型中的参数，分析 它们对柴油机燃油喷射规律的影响，对柴油机的燃油喷射系统进行优化分析。 1 2 内燃机工作过程仿真研究现状 内燃机工作过程的数值计算是一种现代化的计算研究方法。随着内燃机燃 烧、流动、传热等循环过程子模型向多维化、实用化发展，模拟计算结果已经 能较好地与实测结果吻合。热力循环模拟优化，就是在内燃机热力循环模拟的 基础上，采用优化的方法，寻找内燃机性能达到最优设计的运行参数【5 1 。柴油机 性能设计与优化是柴油机研究领域中的重要课题，它直接影响着柴油机的经济 性、动力性和排放性，且其结构复杂、参数众多。在计算仿真技术应用于柴油 机研究之前，只能对柴油机的实际工作工程进行简化假设，但这种简单的热力 学计算虽然可以直观的数据分析，但这种方式是十分原始粗略的，不能全面的 反应柴油机的燃烧放热过程，工质流动过程以及传热过程。使用计算机对柴油 机的整个工作系统进行建模仿真及性能优化分析对于提高柴油机的经济性、改 善其工作效率等都具有非常重要的意义。 传统柴油机工作过程研究，是对气缸内的燃烧放热规律进行分析，在试验台 架上通过反复试验总结规律和改进方案，不仅消耗大量的人力和物力，且试验周 期长，经济性低，试验结果受外界环境及人为因素的影响大。此外，传统的柴油 机工作过程数值计算是采用较为粗略的经验公式或者半经验公式进行计算【7 1 ，而 通过计算机和数据处理系统的应用，使得柴油机在试验和理论探讨上有了深入 的发展，为其工作过程的模拟提供了硬件条件，在柴油机的模拟计算、优化设 计和计算机辅助设计方面有了较大的突破。建立精确的柴油机工作过程模型，对 其燃烧过程进行仿真模拟计算，可以提高柴油机工作过程计算的效率与准确度。 目前柴油机工作过程数值计算的具体进展是：描述涡轮增压器和柴油机工 作过程的匹配的不受简化条件约束的微分方程组可以进行数值求解；决定柴油 机工作过程的内部过程：燃烧过程、换气过程、进排气管道与涡轮增压器的匹 配等为题都可以在计算中进行模拟计算，从而可分析柴油机的工作性能和影响 其工作的因素，优化柴油机的设计参数，求解它们的最佳组合方案，为柴油机 的实验、设计和该进提供指导依据，为现代柴油机的理论探索建立了一个新的 2 武汉理- t 大学硕士学位论文 基础。 对于船舶柴油机工作过程的数值计算与优化设计方法是多种多样的，应用 于其工作过程进排气管内气体一维非定常流动模拟的方法有：小扰动法和特征 线法，其中特征线法是一种严密的求解方法，目前得到了广泛的应用。模拟柴 油机工作过程中汽缸内燃烧过程的模型有：零维燃烧模型、准维燃烧模型和多 维燃烧模型。其中准维燃烧模型是目前研究和应用的重点和热点【6 j ，穆海林在 1 9 9 6 年做过柴油机零维和准维工作过程优化对比，通过对比发现：零维燃烧模 型的计算时间较短，但它无法考虑柴油机喷油系统和燃烧过程的耦合关系，只 能用于柴油机改型设计的粗略计算。准维燃烧模型的计算时间较长，但在一般 微机所能承受的范围之内；它能够考虑喷油系统与燃烧过程的耦合关系，是目 前柴油机性能预测与优化计算的最佳可选方案【7 1 。多维燃烧模型近期内的研究处 于探索阶段，较为典型的代表是m d g r i f f i na i a a 【嚣】，a d g o s m a n p j 和 t d b u t l e r e t a l p r a g 1 0 1 。多维燃烧模型具有方便、迅速、全面、低成本等特点，多 维燃烧模型在内燃机设计中有很大的潜力，因而受到广泛关注【1 1 1 。 1 3 配气机构研究现状 配气机构是柴油机的重要组成部件之一，它需要在规定时间内把燃烧后的 废气排除气缸，并吸入足够多的新鲜空气。通常气阀的加速度较大时气阀可以 迅速地开启关闭，这样高换气效率比较，有利于提高柴油机的动力性和经济性； 同时配气机构各组件之间的接触力又要尽可能的小，这就要求降低运动部件的 加速度，以减小其振动和噪声，保证其工作的可靠性，延长柴油机的使用寿命。 这两个不同的要求正是现代柴油机配气机构设计中的难点。因此为了使设计效 果最理想，就需要精心地设计凸轮型线及各组件的参数。本文采用a d a m s 软 件对配气机构的关键接触点的应力和零部件的运动参数予以计算分析。 到目前为止，配气机构的仿真计算大致经历了两个阶段，第一阶段为单质 量模型阶段。d u d l e y 最早建立配气机构的单质量模型，它结构简单，计算简便， 且模拟计算结果与试验结果吻合较好。1 9 4 8 年h r o n e s 1 2 】建立了凸轮从动件系统 的第一个动力学模型，采用最简单的弹簧质量系统描述。1 9 5 4 年，b a r k a n 1 3 1 提 出以粘性阻尼和库伦摩擦代替系统能量损失的配气机构单质量模型，该模型与 实际情形比较接近。1 9 6 3 年h u n d a l t l 4 】用一个等效粘性阻尼来代替各种摩擦能量 损失，并对挺柱从凸轮表面飞脱后的自由运动进行了计算。1 9 7 0 年s a k a i 1 5 1 等建 武汉理工大学硕士学位论文 一j 顼 ：式配气机构的单质量模型，在模型中气阀座用弹簧和粘性阻尼器代替 j ，玲分析和研究等效推杆的迟滞阻尼作用和阀杆阀杆导管的干摩擦作用。仿 ，爻与支删结果比较结果表明，发动机转速低于4 2 0 0 r m i n 时，试验与仿真结果偏 左较小。 第二阶段是多质量模型阶段。首先出现的是二质量模型，1 9 8 1 年a l d b a 1 6 】 奠。j 矗一集中质量模型，用一个集中质量表示挺柱、推杆和摇臂，用另一个集中 。旁示气阀组总成，集中质量间用与刚度相当的等效弹簧代替，并设等效阻 ：。，气阀弹簧由三个集中质量代替。该模型可以准确的描述零件的弹跳，但 一：小，甜玺的反跳描述不理想。1 9 8 3 年p i s a n o 1 7 】建立的配气机构双质量模型中， ：? 尊簧采用分布质量描述，该模型将集中质量与分布质量相结合，采用迭代 j ：j 配气机构零部件的耦合微分方程进行求解，分析了摇臂轴处库仑摩擦对驱 ，翩气阀反跳的影响。1 9 8 7 年c h a n 和p i s a n o 1 8 】提出一个6 自由度模型，考虑 ，膏七柱效应，并首次根据赫兹接触理论计算了各零部件的线性刚度系数。1 9 9 0 ；k ，和d a v i d 坶】提出的3 自由度模型用2 个集中质量描述，摇臂用刚体转动 。g 述，气阀弹簧用分布质量表示，假定对气阀弹簧的唯一激励是气阀运动， 。h ：缸法确定模型刚度和阻尼系数，该模型适用9 0 0 0 r m i n 以下转速。董锡明【2 0 】 j ；埘臬高增压四冲程柴油机配气机构的动态响应进行了计算，模型采用单质量 模，环一4 + n 质量模型似指挺柱、推杆、摇臂、气阀的集中质量数，n 指弹簧圈 彭 ，质量数) ，并与实测结果对比。袁兆成【2 l 】等以6 1 1 3 柴油机配气机构为研究 ：乌，利用多质量模型研究了气阀飞脱和落座与零件刚度、凸轮型线、凸轮轴 。lt ：j 关系。郝勇刚【捌等利用m s c a d a m s 软件建立仿真模型，并进一步建立 ：- j 祸合模型，该方法可以较好地仿真其动力学特性，也能利用模态综合法对 订爻的动态刚度和动态剪切应力进行计算。 1 4 燃油喷射系统仿真研究现状 柴油机整机性能的优劣取决于燃烧过程，而燃烧的好坏是由喷油系统，进 气系统，燃烧室结构三者之间的匹配决定的。因此，对燃油喷射系统的开发研 究是未来柴油机技术的主要研究方向之一，而提高喷射压力、准确的喷油规律、 灵活的控制是柴油机燃油喷射系统改善排放、降低油耗、提高比功率的主要途 径。近年来，人们环境保护意识日益增强，对降低柴油机排放、噪声、黑烟等 的要求也同渐强烈。要使柴油机同时达到低排放，低油耗以及高动力性的要求， 4 武汉理t 大学硕士学位论文 就有必要对传统的燃油喷射系统进行改进和优化。 对燃油喷射系统的模拟计算，最早开始于1 9 3 7 年，d ej u h a s z 首先将图解法 解水锤这一概念引入了燃油喷射系统中，对油管中的流动建立简化线性模型【2 3 1 。 1 9 7 1 年w y l i e 首次使用特征线法对高压油管流动进行了模拟计算【2 4 】。1 9 7 6 年 m a t s u o k a 在提出一系列假设的基础上，对燃油喷射系统建立起系统的数学模型， 进行全面的模拟计算，与试验结果进行对比分析【2 5 1 。1 9 7 8 年g o y a l 对喷油系统的 模拟计算提出模块化概念，大幅提高了模拟不同结构的燃油喷射系统的编程效 率和程序应用的通用性【2 6 】。8 0 年代，许多专家各有侧重的对燃油喷射系统进行模 拟计算。g i b s o n 针对柱塞密封间隙的泄漏现象，提出了计算泄漏量的层流假设理 论，给出了计算泄漏量和泄漏系数的公式【2 7 】；k u m a r 对高压油管中燃油流动采用 了两步l a xw e n d r o f p 法，对有限差分法和特征线方法、间隔跳跃法及牛顿辛普森 方法在燃油喷射系统中的使用进行比较【2 8 l ；m a r r i e s 将压力波传播方程式应用于 泵、喷嘴和高压油管，应用a l l i e v i s 理论，模拟高压油管中燃油的非定常流动【2 明； h a r d e n b e r g 为确定针阀和阀座区间压差，根据区间内的连续方程式，建立了计算 模型，获得喷孔的流量系数计算公式【3 0 】。9 0 年代后，模拟计算集中围绕电控燃油 喷射系统。l a f o r g i a 用一维流动理论和二相汽液混合物研究高压油管中燃油的非 定常流动【3 l 】；a r c o u m a n i s 从1 9 9 5 年至1 9 9 9 年对其所建的f i e 计算模型不断的加 以发展并通过试验进行有效性验证，整个系统由很多液力单元和机械单元组成， 这些单元可根据实际流动情况和边界条件以任何顺序进行结合的假设【3 2 】；1 9 9 9 年k o u r e r n e n o s 认为控制容积中的压力为不均匀的，在所建的数学模型中将控制 容积细化，使用了b e r n o u l l i 方程，采用特征线法求解非稳态流动方程，给出各控 制容积中的压力分布【3 3 】；l e e 重点研究了管路及节流孔中所出现的穴蚀现象，将 出现气泡的管路分为纯液相和汽一液混合相两部分，建立了汽蚀模型，分别对动 量和质量守恒方程做了修正，并且提出非线性弹性模量理论 3 4 1 ；2 0 0 0 年w i c k m a n 采用f i s 模拟程序对燃油喷射系统进行一维模拟，同时采用k i v a 程序对气缸内 的湍流雾化燃烧现象进行三维模拟，将二者结合起来对系统的设计方案进行了 深入分析，对系统中泄漏进行模拟，首次使用了二维、层流、准稳态、等温的 粘性流体运动方程l j 。 燃油在高压下从喷油泵流动到喷油器的过程中，由于燃油的可压缩性、高 压油管的弹性以及压力的急剧变化，高压油管中会产生压力波动，所以喷油器 的喷射状况和喷油泵的供油状况会产生很大的差异，有时甚至会引起不正常喷 射，使燃油喷射系统的某些零件发生故障【3 6 】。因此对燃油喷射系统的模拟计算 5 武汉理工大学硕士学位论文 主要是针对高压油管的模拟计算。计算的步骤分为四步：建立物理模型，转化 为数学模型，选择求解方法，确定边界条件。 1 5 主要内容及思路 本文以c m 6 l 2 1 3 2 新型中速柴油机为研究对象，简化物理模型，通过数学 计算描述柴油机的工作过程，利用a v lb o o s t 软件其进行仿真；利用a d a m s 对柴油机的配气机构的运动学和动力学参数进行计算；对于燃油喷射系统，通 过h y d s i m 软件的仿真模拟，分析各零部件参数对其工作性能的影响。 本文主要的研究内容和思路为： ( 1 ) 根据柴油机工作过程数值计算的数学公式描述，简化物理模型，应用 a v l b o o s t 软件建立了船用中速柴油机同类机型的零维数值模型，通过试验验 证了模型的正确性。在此基础上建立了c m 6 l 2 1 3 2 型柴油机的计算模型，获得 柴油机气缸压力示功图、进排气口的气体流量曲线和负荷特性曲线，通过试验 验证模型的正确性。对c m 6 l 2 1 3 2 型柴油机进行故障仿真计算，提取反映柴油 机故障的性能参数，总结的参数变化规律，为柴油机的故障判断提供理论指导。 ( 2 ) 对于船用中速柴油机配气机构利用m s c a d a m s e n g i n e 软件建立了 运动学和动力学仿真模型，获得关键点的接触应力以及运动学参数，判断其受 力与运动的合理性。 ( 3 ) 对于船用中速柴油机燃油喷射系统，利用a v lh y d s i m 软件建立仿真 模型。通过改变凸轮型线、喷油泵柱塞直径、高压油管长度及内径、蓄压腔容 积、喷孔数、喷孔内径等主要参数，分析了其对燃油喷射系统中针阀升程、阀 腔压力、喷油量、油粒直径等工作性能方面参数的影响，为其性能优化提供理 论指导。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章新型中速柴油机工作过程数值计算方法 柴油机工作过程数值计算，就是用微分方程对柴油机各系统的实际工作过 程进行数学描述，然后编制计算程序，用计算机求解微分方程，求得柴油机各 参数随曲柄转角( 或时间) 的变化规律【6 1 。本章主要介绍了c m 6 l 2 1 3 2 新型中 速柴油机的的主要设计参数及其数值计算的原理，并在此基础上总结了模型额 定工况的输入参数。 2 1 物理对象介绍 c m 一6 l 2 1 3 2 型柴油机是新设计的直列式六缸中速柴油机，缸径为2 1 0m i l l ， 冲程为3 2 0m i l l ，主要具有以下结构设计特点： ( 1 ) 结构紧凑：在相同的功率范围内，c m 6 l 2 1 3 2 型柴油机与其他长冲程 柴油机相比，高度更低，长度更短。并优化了柴油机与弹性联轴节和齿轮箱的 连接方式。增压器安装在柴油机后端箱上面，充分利用了齿轮箱上方的空间， 使排气出口法兰位置更低。 ( 2 ) 低吊缸高度：因连杆大端采用了船用结构形式，连杆大端和杆身分开， 由凸肩定位，用连杆螺栓紧固于连杆杆身下端凸缘上，这种结构通过调整杆身 和大端之间的垫片厚度调节柴油机各缸压缩比，同时使得拆卸气缸盖、活塞和 气缸套高度降低。 ( 3 ) 前端箱：柴油机前端箱集合了机带冷却水泵、恒温阀、滑油泵、滑油 冷却器和自动滑油过滤器等部件。柴油机两端均可输出1 0 0 功率，前端p t o 输 出作为选择项目，可用于驱动海水泵或类似其他的机械装置。 ( 4 ) 模块化设置：c m 6 l 2 1 3 2 型柴油机采用了气缸单元模块化概念，吊缸 可以在很短的时间内完成，使日常工作量减少。表2 1 是c m 6 l 2 1 3 2 型柴油机的 设计参数。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 表2 1c m 6 l 2 1 3 2 型柴油机的设计参数 参数单位数值数值 缸径 m m 2 l o 2 l o 冲程 n u n3 2 03 2 0 转速 r r a i n9 0 01 0 0 0 单缸功率k w 2 0 02 1 5 7 、缸柴油机总功率k w 1 2 0 01 2 9 0 平均有效压力 m a2 4 82 4 0 燃油消耗率 g k w h s 1 8 6 5 1 8 6 滑油消耗率g k w h三7郢7 强化指标2 7 2 7 最大爆压 m p a2 02 0 燃料粘度3 8 0 7 0 03 8 0 7 0 0 2 2 技术路线 图2 1c m 6 l 2 1 3 2 型柴油机工作过程数值计算技术路线 8 武汉理工大学硕士学位论文 柴油机系统建模与分析首先需要建立c m 一6 l 2 1 3 2 柴油机工作过程计算模 型，进行柴油机主要性能的仿真计算分析，分析主要设计参数对柴油机性能的 影响。修改相关部件尺寸和燃烧始点、增压压力、压缩比、排气系统和配气相 位等设计参数，对其性能进行优化分析。添i j h c m 6 l 2 1 3 2 柴油机中涡轮增压器 的完整模型，完善柴油机仿真模型，提高仿真程度。对比仿真模型计算的示功 图和主要性能参数与c m 6 l 2 1 3 2 柴油机实际测试的参数的差异，分析误差存在 的原因，判断仿真模型的可靠性。在以上工作的基础上对c m 6 l 2 1 3 2 柴油机进 行故障仿真，为柴油机的故障判断提供参考。 2 3c m 6 l 2 1 3 2 型柴油机系统建模理论基础 2 3 1 柴油机工作过程的物理模型 一个完整的柴油机主要有五大部分组成，包括进气管、涡轮增压器、空冷 器、气缸、排气管，现代柴油机当其在低负荷工作的时候还可能设有辅助风机 参加工作，以提供充足的空气量【6 】【3 6 】【3 7 1 。物理模型的整体结构图如图2 2 所示。 一一辅助涡 图2 2 柴油机系统结构图 进气管：一般认为进气管的容积是足够大的，内部的气体压力与温度恒定。 但当细长的进气管或增压器出现不稳定状况时，进气管内的压力和温度会出现 波动，有时内部的压力波动还会造成进气的谐振现象，这时要对管内的气动过 程以及汽缸的充气和热力过程予以研究。 涡轮增压器：应该保证在每一个循环中，涡轮端吸收的功与压气机消耗的 功均衡，流量平衡，转速相等，并且在一个循环内转速时稳定的。 空冷器：空冷器的处理比较简单，简化为一个串联的节流降温元件处理。 气缸：在处理汽缸的时候，假设内部的气体压力、温度、成分是均匀的。 9 武汉理工大学硕士学位论文 对于本柴油机，在7 2 0 0 c a 内假设其都处于瞬时热力平衡状态。 排气管：是指从汽缸出来通道涡轮的一个进口的排气总管或者支管。对于 它的处理采用容积法，忽略压力波在管内的传播，将其看成一个单纯容器，内 部是一个充满一排空过程，管内各点在每一瞬时都处于热力平衡状态，气体的 状态参数仅仅是时间的函数。 2 3 2 气缸 柴油机气缸内涉及到机械、物理、化学、热传导与流动等过程，并且这些 过程都是复杂多变的，所以其工作过程很复杂。气缸内各部分温度、压力及工 质成分都随空间分布而变化，特别是在燃烧阶段，由于燃油雾化的空间分布不 同，所以各部分的温度和工质成分差别都很大。 2 3 2 1 守恒方程 依据质能守恒原理，柴油机的气缸内采用零维燃烧模型进行模拟计算。在 推导缸内工作过程计算的基本微分方程之前，做如下简化假设【6 】【4 1 】： ( 1 ) 工质是理想气体，比热、内能等气体参数仅与气体温度、组分有关。 ( 2 ) 气缸内的工质在任何一个瞬时都是均匀混合的，没有温度、压力差异， 在进气、扫气、喷油期间，流入气缸的空气与气缸内的残余废气、燃油完全充 分混合，不考虑时间对混合过程的影响。 ( 3 ) 燃油在燃烧前不久和燃烧进行中，按预定的燃烧规律喷入缸内。 ( 4 ) 燃油在缸内完全燃烧，将燃烧过程简化为给工质加热的物理过程，即 工质过量空气系数。的变化过程，从燃烧开始到燃烧结束的过程中逐渐增大， 最后过量空气系数很大，混合气很稀，产物的离解可以忽略。 ( 5 ) 在足够小的计算步长内，流入和流出气缸的气体流动状态视为稳定流 动，缸内工质在进出口处的流动动能忽略不计。 a m ：d m f i - 亟d m e d m l d 伊 d 妒 d 妒d 伊d 缈 ( 2 1 ) p ：以= m = r ：正 ( 2 - 2 ) 掣= 等见+ 等一p 等+ 等一努九一等吮泣3 ， d 矽d 够 “ d 秒 4 d 够d 够 。 d 够 4 d 矽 ，2 、 式( 2 1 ) 为质量守恒方程，式( 2 2 ) 为理想气体状态方程。缸内热力过程模拟 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 计算的目的是计算循环功和循环热效率，再通过气体状态方程求出缸内气体压 力。 等耳 z 艮 d ， 等乞 等 阚一知删五伊 图2 3 气缸内能量守恒示意图 图2 3 为气缸内的能量守恒示意图，式( 2 3 ) 为气缸内的能量守恒方程。 c l ( m ：甜：) a q , 为气缸内工质内能变化率；( d m r a q , ) n , 为喷入气缸内燃油燃烧时释 放的热量变化率；d q 。i d e a 为冷却介质从气缸壁面带走的热流量变化率； v ( a k j 缈) 为膨胀气体对活塞所作的机械功变化率；( d i n 。d 口a ) h a 为气体带入气 缸的能量