基于GT-POWER的涡轮—活塞式柴油机热力分析及仿真研究

论文摘要

随着柴油机功率密度的不断提高，增压技术的形式不断翻新。针对某柴油机的设计需求，本文提出了一种涡轮-活塞式柴油机理念，通过GT-POWER软件仿真优化，最终确立了适合本文需求的柴油机废气热能利用方案。在热力学分析的基础上，参照Hyperbar超高增压发动机的补燃室和绝热复合发动机的动力涡轮模式，提出了5种可能满足本文设计要求的方案并有一定创新；在GT-POWER软件中按照分块建模的理念，针对某增压柴油机搭建原机模型，并根据原机试验参数对该模型进行校核，且给出增压系统速度系数、流量系数、膨胀系数和效率系数等参数对柴油机性能的影响规律；基于原机模型，分别建立了上述5种方案的仿真模型，最终确定了一种满足本文柴油机设计要求的方案，并应用热力学分析中的火用分析法对此方案进行分析验证，以此证明此方案的可行性。实现柴油机高的功率密度，关键是高效的燃烧技术，目前有高压喷射燃油系统、高燃烧压力设计和高增压技术。本文所设计柴油机的工作要求是在低速时扭矩特性好，并且在必要时发出较大的功率，这对单一的往复式柴油机通过改进燃油系统或燃烧压力是很难做到的，只有采用高增压技术来实现。本文提出了2种串联式、2种并联式和1种复合式废气热能利用方案。在GT-POWER建模的过程中，采用分块建模的思想，将实际柴油机划分为增压、进排气、中冷器、气缸及曲轴箱等子系统，实现从实际模型到物理模型的转化；结合所给柴油机结构参数，根据热力学、传热学等方面的知识，将物理模型进行定量的数学描述，将收集的数据及资料输入相应的模型中，实现从物理模型到数学模型的转化；结合实际柴油机的结构，联接各模块以构成完整的模型，实现从数学模型到仿真模型的转化，最终完成模型的建立。在对柴油机废气能量利用方案分析之前，由于建模过程中对柴油机进行了简化处理，所以模型建立完成后需对模型进行校核和调整，以保证原机模型的仿真结果与其试验结果相一致。根据实际情况通过调节模型中的参数，最终使仿真结果与试验结果之间的相对误差小于3%。在校核过程中由于增压系统与发动机之间是气动联接，且增压器为自平衡原件，即其自身的输出与其本身和发动机输出输入有关，在校核过程中比较复杂，因此本文总结出了关于增压器的具体校核方法与增压器对柴油机性能的影响规律。在对柴油机废气能量利用方式方案分析过程中，结合5种方案中补燃室和动力涡轮布置位置，在校核后的原机模型基础上建立各自的模型，通过分析，找出各方案的优缺点，对方案进行优化，确立最终方案，并结合热力学中的火用分析法对其进行验证，证明了其可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 问题的提出
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 高强化柴油机研究现状
• 1.3.2 复合发动机的研究现状
• 1.3.3 柴油机与高增压系统匹配的研究现状
• 1.3.4 柴油机性能优化方法的研究现状
• 1.3.5 发动机数值模拟的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 涡轮-活塞式柴油机热力分析与仿真的理论基础
• 2.1 发动机工作过程仿真原理
• 2.1.1 汽缸模型的参数分析
• 2.1.2 进排气阀模型的参数分析
• 2.1.3 进排气系统的模型的参数分析
• 2.1.4 中冷器参数模型的参数分析
• 2.1.5 涡轮增压器模型的参数分析
• 2.2 热力学分析理论
• 2.2.1 火用分析方法
• 2.2.2 发动机热力过程分析
• 2.3 本章小结
• 3 增压柴油机模型的建立及校核
• 3.1 增压柴油机模型的建立
• 3.1.1 增压柴油机边界条件的设置
• 3.1.2 气缸参数设置
• 3.1.3 喷油器参数设置
• 3.1.4 气门参数设置
• 3.1.5 增压器参数设置
• 3.1.6 中冷器参数设置
• 3.1.7 整机模型及其他部件参数设置
• 3.2 增压柴油机的校核
• 3.2.1 增压柴油机中冷器的校核
• 3.2.2 增压柴油机增压器的校核
• 3.2.3 其他参数的校核
• 3.3 本章小结
• 4 涡轮-活塞式柴油机的提出及优化分析
• 4.1 涡轮-活塞式柴油机的提出
• 4.2 涡轮-活塞式柴油机方案的建立及分析
• 4.2.1 涡轮串联补燃室后置方案
• 4.2.2 涡轮串联补燃室前置置方案
• 4.2.3 涡轮并联补燃室驱动动力涡轮方案
• 4.2.4 涡轮并联补燃室驱动废气涡轮方案
• 4.2.5 复合式方案
• 4.3 复合式柴油机热力学分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢