发动机培训教材课件

柴油机性能2023/7/2012023/7/202一、柴油机性能开展回忆及现状二、柴油机性能主要研究内容三、性能研究主要方法、手段及流程四、提高、改善性能的局部方法措施主要内容一、柴油机性能开展回忆及现状2023/7/2031.性能开展史简要回忆

2023/7/204柴油机开展史上的里程碑事件1893年，德国人狄赛尔创造首台煤粉驱动的柴油机〔压燃式〕。1927年，德国Bosch公司推出首批成熟的柴油喷油泵，使柴油机以前所未有的速度在车用、船用及工程机械领域获得广泛应用。1905年，瑞士工程师AJBuch首先提出废气涡轮增压概念，并于1911年在单缸机上试验成功。1.性能开展史简要回忆

2023/7/205柴油机开展史上的里程碑事件1925年，MAN公司等将废气涡轮增压首次应用于船用柴油机，随后增压技术在船用机获得广泛应用。中冷器的出现即中冷增压技术，使柴油机功率、性能进一步提高。上世纪70－80年代，是柴油机增压技术跨越式蓬勃开展的年代，增压器的转换效率运行范围大幅提高，同时推出各类改善提高柴油机性能的特殊增压系统。1.性能开展史简要回忆2023/7/206上世纪70年代，电子计算机技术开始进入柴油机领域，主要表达在两个方面：1〕伴随计算机技术的高速开展，对柴油机性能、工作过程与系统匹配的大型仿真计算分析程序的出现与开展。目前已从单一的性能仿真计算到虚拟设计与数字化样机。

1.性能开展史简要回忆2023/7/2072〕电子控制技术的应用，首先在燃油喷射系统的应用〔历经三代开展〕： -位置控制〔电子调速器〕-时间控制〔电控泵喷嘴〕-压力与时间的柔性控制〔电控共轨系统〕。 在解决排放方面几乎起到不可取代的作用〔欧3标准以上〕。目前已开展为整机电子管理系统，并朝智能化方向开展。

2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标

2023/7/208低速机〔二冲程〕缸径：500－980mm转速：150－60r/min活塞平均速度：8.0m/s平均有效压力：1.7－1.8MPa气缸最大爆发压力：14－15.5MPa单缸功率：1200kW-6000kW燃油消耗率:170g/kWh

2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标

2023/7/209低速机〔二冲程〕代表机型主要集中在3家：德国的MAN-B&W公司的MC系列：K90MC，K80MC-C，L60MC，S60MC等芬兰的Wartsila－Sulzer的RTA系列：RTA96C，RT-flex60C日本的UE系列〔少量〕。2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标

2023/7/2010中速机〔四冲程〕缸径：210－480mm转速：1150－500r/min活塞平均速度：9.0–12m/s平均有效压力：2.4－3.0MPa气缸最大爆发压力：16－23MPa单缸功率：200kW-1200kW燃油消耗率:175-195g/kWh

2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标

2023/7/2011中速机〔四冲程〕代表机型：MAN-B&W公司L21/31,L27/38,48/60B,RK280等CaterpillarAK系列：M25，M32，M43等Wartsila公司:W26，W32，W38,W46日本Niigada的V26FX，6L32FX,韩国的HUNDAIH21/32,H25/33法国Pielstick的PC2－5及PA6德国MTU20V8000等2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标

2023/7/2012高速机〔四冲程〕缸径：160－210mm转速：2100－1650r/min活塞平均速度：11.5–13.3m/s平均有效压力：2.3－3.0MPa气缸最大爆发压力：17－20MPa单缸功率：120kW-250kW燃油消耗率:195-215g/kWh代表机型：MTU16V4000M90，MTU20V595TE90,MAN-B&W18VP185,DeutzTBD620V16,Wartsila16V170,20V200,Niigata16V20FX等。2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标

2023/7/2013我国已引进的几种典型舰船柴油机的主要技术参数

我国船用机现状：低速机全部引进，高速机根本引进，自行开发局部中速机，强化指标与与油耗均与国外存在较大差距。3.船用柴油机主要性能技术的开展趋势2023/7/2014单级高增压＋二级中冷+特殊可控增压系统目的：提高功率密度，改善低工况性能高效等压燃烧技术 目的：控制气缸燃烧压力、提高燃烧效率、改善排放电控电喷技术〔另有专题介绍〕目的：柔性控制，全工况性能优化，降低排放3.船用柴油机主要性能技术的开展趋势2023/7/2015高、低温水二级中冷淡水回路海水回路3.船用柴油机主要性能技术的开展趋势2023/7/2016等压高效燃烧示意图3.船用柴油机主要性能技术的开展趋势2023/7/2017气缸爆压的开展历程3.船用柴油机主要性能技术的开展趋势2023/7/2018燃油耗与Nox排放的开展历程2023/7/2019二、柴油机性能主要研究内容1.工作原理202023/7/20四冲程柴油机工作循环原理图1.工作原理212023/7/20二冲程柴油机工作循环原理图1.工作原理222023/7/20六缸增压四冲程柴油机工作循环原理图1.工作原理232023/7/20a)非增压四冲程换气局部示功图b)增压四冲程换气局部示功图2.性能分类242023/7/20

经济性动力性低工况性能排放性能

*可靠性*

2.性能分类252023/7/20按使用特性:推进特性〔船用主机，螺旋桨特性) 负荷特性〔发电机组，等转速特性〕扭矩特性〔车用机，外特性〕

3.主要性能参数及影响因素262023/7/20燃油消耗率be

主要影响因素：燃油喷射规律，油、气、室匹配，压缩比，空燃比及机械效率等气缸爆压Pz

主要影响因素：压缩比、供油提前角、进气压力、燃烧持续角等排气温度Tb

主要影响因素：空燃比、供油提前角、燃烧持续期、扫气系数、压缩比等

3.主要性能参数及影响因素272023/7/20排放性能如NOx排放，主要与气缸最高燃烧温度相关。 烟度、颗粒或HC排放，主要与油气混合物浓度及分布、燃烧速率等相关。动力性与低工况性能：与增压系统、燃油系统、调速机构的选型有关。其中对增压柴油机而言，增压系统部件的选型设计对上述两项性能的影响较为重要。4.主要性能工作内容282023/7/20主要性能参数分析选取 如燃油耗率、压缩比、增压比、供油提前角、燃烧持续期等〔根据总体设计指标要求〕。气缸工作过程及热力参数的计算分析 主要参数包括气缸压力、温度、进排气压力、温度、充气效率、扫气系数、燃烧始点、持续期以及配气相位、凸轮型线等。示功图及燃烧放热规律分析4.主要性能工作内容292023/7/20增压系统选型设计分析 增压系统型式、增压器、中冷器选型匹配计算，主要参数包括：增压器压比、流量、效率，中冷器进出口温度等。

燃油系统选型设计分析 循环供油量、喷射压力、持续期、燃油凸轮、喷油泵、嘴主要规格参数燃烧系统选型分析设计燃烧方式，燃烧室型线与喷油孔径、孔数、夹角、喷射率、进气涡流、气量等的匹配设计分析。4.主要性能工作内容302023/7/20喷油器与燃烧室的匹配4.主要性能工作内容312023/7/20油束喷雾与燃烧室的匹配4.主要性能工作内容322023/7/20计算与实测示功图的比较4.主要性能工作内容332023/7/20实测气缸燃烧放热率曲线4.性能分析常用曲线图342023/7/20柴油机主要性能参数曲线 主要包括：油耗、功率、排温、气缸爆压、增压压力等，综合性能曲线图。压气机特性图匹配运行线， 以增压比、空气流量分别为在纵横坐标，分析柴油机与增压器的匹配情况万有特性或限制边界特性图 分析该型柴油机的整体工作范围及各个工况下的主要性能，分别以功率、转速为纵横坐标，绘制等油耗、等扭矩〔Pe〕、等烟度曲线等，以及不同转速下的功率〔扭矩〕限制边界。4.性能分析常用曲线图352023/7/20柴油机综合性能曲线4.性能分析常用曲线图362023/7/20常规增压推进特性运行线相继增压推进特性运行线4.性能分析常用曲线图372023/7/20增压柴油机运行限制边界MTU20V8000工作范围及油耗性能2023/7/2038三、性能研究主要方法、手段及流程1.统计分析2023/7/2039 内燃机性能设计与参数选择在相当程度上倚赖于实际经验与统计及试验数据的积累，特别在初步设计阶段。需对国内外同类或相似机型的相关设计数据进行统计、归类、比较。了解国内与性能相关的主要元器件所能到达的实际水平，及其与国外的差距。

1.统计分析2023/7/2040通过调研、统计、分析－才能提出比较符合实际的初步性能设计方案。其中：性能指标：油耗、爆压、排温等；几何参数：压缩比、配气相位，凸轮型线，燃烧室型线等。1.统计分析2023/7/2041国外几种先进机型的配气正时机型增压方式进气开ºCA进气关ºCA排气开，ºCA排气关ºCADK20MPC50355550L16/24定压48.232.45346.8RK280MPC54425755MTU396MPC36687528MTU8000估计)MPC37607042MTU956脉冲37.260.866.737.2MANB&WT23脉冲50305050MANB&WL23定压542454541.统计分析2023/7/2042国外几种先进机型燃烧室特征参数机型开口形式口径比（d/D）深径比（H/D）中心相对深度(h/H）济柴190扩口12°0.7090.12120.3975DK20直口0.80.10.1429大发170直口0.7960.0940.1372V20FX扩口50°0.830.1020.2849L16/24扩口38°0.740.110.5882zibo170直口0.61660.20.4412mtu396缩口0.68480.18180.5667mtu956缩口0.73040.11740.4815mtu4000扩口30°0.8130.134

mtu8000扩口50°0.770.09080.15国外几种先进机型燃烧室特征参数

1.统计分析2023/7/2043国外几种先进机型燃烧室特征参数阀盘直径和缸径关系气阀升程和缸径关系2.模拟计算分析2023/7/2044国外几种先进机型燃烧室特征参数物理模型及计算方法的改进开展情况以内燃机中气体流动为根底，从零维至三维模型：-零维容积法(充排法)-一维非定常流动特征线法-FEV－TED有限容积法

2.模拟计算分析2023/7/2045国外几种先进机型燃烧室特征参数对进排气系统的数值模拟内容：物理模型的建立数值方法的选择边界条件的正确处理。目的：小的质量流量误差和高的压力波模拟精度。

2.模拟计算分析2023/7/2046国外几种先进机型燃烧室特征参数物理模型：1〕零维模型容积法〔FillingandEmptyingmethod〕采用能量、质量守恒和气体状态方程。流量误差可防止，但压力波与实际差异较大。2)一维模型控制方程为一价偏微分方程，考虑排气管系内压力波轴向传递的影响。3〕多维模型〔考虑管接头处明显三维流动特性〕美国LOSALMOS国家实验室开发的KIVA，英国的PHOENICS。多维流动数值模拟，程序复杂，计算量巨大，边界条件难以准确确定，尚未完全实用。2.模拟计算分析2023/7/2047国外几种先进机型燃烧室特征参数一维非定常流计算模型的数值方法1〕

特征线法〔MOC〕早期广泛应用，20世纪60年代开始。压力波模拟较准，经不断改进，流量误差减少至1－2％，目前应用减少，边界处理复杂，不便计算EGR等多种混合成分的流动计算。2〕

有限差分法〔FDM〕差分格式，计算速度与精度一般优于特征线法。2.模拟计算分析2023/7/2048国外几种先进机型燃烧室特征参数3〕有限容积法〔FVM〕FVM是近来广泛应用的一种计算模拟内燃机进排气系统的方法，而TVD格式是20世纪80年代出现的总残差减少〔TotalVariationDiminution〕格式，在计算激波方面取得很好效果，具有高分辨率，高精度，随着各种TVD格式的相继构造，被认为是近20年CFD领域重大突破之一。有限容积法比有限差分法计算速度快，流量误差小，物理意义明确，在进排气管系计算节点与边界条件的处理上相对简单，为国外大型程序如Boost、GT－POWER等应用，国内交大开发的FVM－TVD程序用于模拟计算MIXPC取得良好效果。2.模拟计算分析2023/7/2049国外几种先进机型燃烧室特征参数当前国外大型性能模拟分析软件特点介绍模拟计算内容：

内燃机工作循环与性能参数内燃机进排气系统的气体流动

内燃机瞬态工况、动态特性

内燃机电控过程内燃机燃烧的排放、噪音

代表软件：

AVL－BOOST,FIRE,HYDSIMGT－POWER,STAR-CD,GT-FUEL

2.模拟计算分析2023/7/2050国外几种先进机型燃烧室特征参数2.模拟计算分析2023/7/2051国外几种先进机型燃烧室特征参数2.模拟计算分析2023/7/2052国外几种先进机型燃烧室特征参数2.模拟计算分析2023/7/2053国外几种先进机型燃烧室特征参数2.模拟计算分析2023/7/2054国外几种先进机型燃烧室特征参数1维与3维发动机CFD计算界面2.模拟计算分析2023/7/2055国外几种先进机型燃烧室特征参数发动机动态控制仿真计算界面

2.模拟计算分析2023/7/2056国外几种先进机型燃烧室特征参数MTU相继增压发动机过渡工况瞬态特性仿真3.试验研究分析2023/7/2057国外几种先进机型燃烧室特征参数常规性能试验测试参数：燃油耗，排温，增压压力，进气温度，气缸爆压，空气流量，烟度等

性能试验曲线3.试验研究分析2023/7/2058国外几种先进机型燃烧室特征参数专项性能工程测试：缸内燃烧放热规律燃烧分析仪〔AVL，Kistler－Devwtran，FEV，小野等〕高压燃油喷射规律排放〔物〕性能排放分析仪〔Horiba，AVL，FEV〕瞬态特性，动态工况高速数据采集仪〔NI，凌华〕3.试验研究分析2023/7/2059国外几种先进机型燃烧室特征参数3.试验研究分析2023/7/2060国外几种先进机型燃烧室特征参数3.试验研究分析2023/7/2061国外几种先进机型燃烧室特征参数3.试验研究分析2023/7/2062国外几种先进机型燃烧室特征参数3.试验研究分析2023/7/2063国外几种先进机型燃烧室特征参数专用单缸试验台:单缸，油气室匹配及气缸工作过程试验研究 活塞、连杆、缸套等关键零部件测试研究四、提高、改善性能的局部方法措施2023/7/20641.工作过程组织方面2023/7/2065常规设计优化：根据总体制定的总的技术指标，进行工作过程相关参数的设计、配机计算与优化。主要参数、型线〔计算选取确定〕包括： 压缩比、增压比、配气相位、供油提前角、压力升高比、凸轮型线、燃烧室型线、燃油系统、增压系统的匹配参数等。1.工作过程组织方面2023/7/2066特殊设计：可变进排气正时可变压缩比可变供油提前角米勒系统顾氏系统等2.增压系统方面2023/7/2067常规增压系统改进及参数优化〔增压器、中冷器，进排气管系，如MIXPC等〕可控特殊增压系统〔带有可控可调节元件的增压系统〕根据拟到达的主要目的，进行具体选用：相继增压－非常优良的低工况性能，主要适于V型高Pe机2.增压系统方面2023/7/2068进排气或废气旁通－局部改善低工况性能，实施简单，中速直列机选用较多可调喷嘴－适于宽广工作范围及低速大扭矩，结构较复杂，所见车用机较多进气加湿，喷水－可满足较为苛刻的排放要求，高性能民用机型。2.增压系统方面2023/7/2069MIXPC系统的一种连接方式