烟气利用对大型二冲程主动力柴油机性能的影响研究毕业论文

2020-02-19 09:09:10

摘要

由于船舶行业的兴起，能源的消耗越来越大，如何对柴油机的废气进行二次利用已经成为人们需要关注的焦点。

本文基于柴油机的结构来学习GT-POWER软件，拟定以 MAN8S90ME-C10.2 柴油机为研究对象，收集该型号柴油机曲柄连杆系统、进排气系统、喷油系统、涡轮增压系统及相关的结构技术参数，在 GT-Power 软件平台对该型号柴油机进行建模仿真，并将仿真结果与柴油机参数对比，以确保仿真模型的有效性。然后通过改变柴油机排气旁路取气量，得到取气后的柴油机的的输出功率、平均有效压力、转速和转矩的变化，得出柴油机取气量改变对柴油机性能的影响。

研究结果表明：随着柴油机取其旁路取气量的增大，柴油机的转速不变，但转矩、输出功率，平均有效压力会变大。

关键词：余热利用；取气量；仿真建模；GT-POWER

Abstract

With the rapid development of the shipbuilding industry，the consumption of energy is increasing. People is paying attention to the focus that how to make secondary use diesel exhaust.

This article is based on the structure of diesel engine to learn GT-POWER software and draw up that it is considered MAN8S90ME-C10.2 diesel engine as the research object.The crank connecting rod system, intake and exhaust system, fuel injection system, turbocharging system and related structural and technical parameters of the diesel engine are collected. The model is simulated on the GT-Power software platform, and the simulation results are compared with the diesel engine parameters to ensure the validity of the simulation model. Then,you should change diesel engine Gas consumption and observe the parameter that output power, average effective pressure, speed and torque.

The results show that :With the increase of the intake capacity of the diesel engine ,the speed of the diesel engine is constant, but the torque, output power and average effective pressure will increase.

Key words：waste heat utilization; gas consumption; simulation modeling; GT-POWER

第1章绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 国内外船舶柴油机余热利用的研究现状 1

1.2.1 国外柴油机余热利用的研究现状 1

1.2.2 国内柴油机余热利用的研究现状 2

1.3本文研究的主要内容及拟定的技术措施 2

第2章柴油机数学及物理模型的建立 4

2.1气缸模型的建立 4

2.1.1 基本假设 4

2.1.2基本方程 4

2.1.3燃烧模型 5

2.1.4 传热模型 6

2.1.5 气缸的工作容积： 6

2.1.6进、排气流量计算： 7

2.2 进排气管内的工作过程 7

2.3 中冷器 8

2.4 废气涡轮增压器的数学模型 9

2.5 本章小结 10

第3章柴油机仿真模型的建立 11

3.1 GT-POWER介绍 11

3.2 GT-POWER的建模流程 11

3.3 柴油机一维仿真模型建立过程 13

3.3.1 建模所需基本参数 13

3.3.2中冷器模块 14

3.3.3 气缸模块 14

3.3.4 进气和排气模块 15

3.3.5 涡轮增压器模块 17

3.3.6 曲轴箱模块 17

3.4 整机模型的建立 18

3.6 本章小结 18

第4章模型的调试及运行结果分析 20

4.1 模型的调试 20

4.1.1 模型调试的步骤 20

4.1.2 柴油机模型的调试 20

4.2 数据记录与结果分析 23

4.2.1 数据记录 23

4.2.1 转速分析 24

4.2.2 转矩分析 24

4.2.3 平均优先压力分析 24

4.2.4 输出功率分析 25

4.3 本章小结 26

第5章总结及展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 27

参考文献 29

. 30

致谢 31

绪论

1.1 课题研究的背景和意义

随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，人们对能源的需求和消耗越来越大，能源作为人类的物质基础，能源开发利用尤为重要。据统计表明，近年来能源的消耗每年都在增长，从2005到2018的这几年，石油的产量低，但是消耗每年都在提高。节能问题已经被各国所重视。由于船舶内燃机发展的历史悠久，使得船舶各方面的技术日益成熟，而内燃机具有热效率高、动力性强、应用功率广泛、适应性能好、结构紧凑、重量轻等优点^[1]，得到了广泛应用。主要用于各类运输类车辆、船舶、工业发电等诸多领域，给人类的生活和工作带来了很大的便利，柴油机在人们的日常生活中起着不可或缺的作用。虽然柴油机机给人们带来了很多便利，但是凡事有利必有弊，内燃机同样也是，在给人们带来便利的同时，也随之带来了能源问题。内燃机作为一种主动力装置，提高了能源的利用并促进了中国经济的发展。船舶作为交通运输行业中的重要组成部分，对能源的消耗很大，并且能耗加大了柴油机的制作成本^[2]，同时对尾气排放问题产生了较大的影响，产生了许多环境问题。

为了满足各大行业对柴油机的各方面性能的需求，各种产品更新换代越来越快，当时的计算技术已经满足不了对柴油机的研究工作了，计算机模拟仿真技术为柴油机的研究提供了极大便利^[3]，成为了一项极为便捷的技术。采用精准的计算机仿真技术用来提高产品的生产效率，加快柴油机的生产进程，提高相关产品的质量，已经成为现代内燃机的生产厂家和内燃机相关工作者所认为的有效途径。由于柴油机热效率很高，在动力机械的相关运行过程中的油耗很低、功率大、启动迅速、运行安全、维修方便等优点并且广泛应用于社会生活中。柴油机的工作过程包括进排气系统和气缸的工作过程，涉及气体流动，燃烧做工并且伴有着有害气体，直接影响着柴油机的轻巧化、高功率、低油耗、低排放、低噪音、寿命高、成本低，以满足用户对柴油机工作的要求，这是内燃机工作者关注的焦点，也是我国柴油机工作者以及民众的共同愿望。

1.2 国内外船舶柴油机余热利用的研究现状

1.2.1 国外柴油机余热利用的研究现状

各国政府高度重视以降低石油资源的消耗、提高内燃机的热效率为目的，来进行船舶柴油机余热利用的研究工作，在政策和资金的研究给了很大的帮助。美国想通过柴油机余热利用技术来提高柴油机的热效率。上个世纪70年代ABB公司提出了一个关于船舶柴油机排气能量的回收相关技术，从1985年到1994年，安装了一个涡轮增压技术用以回收二冲程和四冲程柴油机的废气循环利用，并在2005年开发出了PTL 3200系列的动力涡轮，单独使用此动力涡轮可以回收最大主机功率的百分之五，结合汽轮机的使用最大可以回收百分之十。Wartsila公司开发出了一种总热量的回收装置，该装置包括许多系统，在此系统中，余热锅炉产生的蒸气一部分驱动发电，另一部分蒸汽日常使用。2005年6月，该系统用于发动机上最高可回收主机效率百分之十一。Siemens公司开发了一种有了余热利用系统的相关装置，此装置可以回收热量，将此装置应用于船舶柴油机中最多可以回收百分之十二主机功率^[4]。日本的三菱集团发明了涡轮发电系统，此系统利用废气产生电能，可以充分利用废气中的能量。MAN公司开发了热效率系统，该系统解决了二冲程柴油机排出温度过低的问题，单压的相关系统可回收百分之七到百分之十，双压可以达到百分之九到百分之十二的主机功率。除此之外，CUmmins公司、Jonh公司和BBTorbu公司也开发出了余热利用系统，部分应用于船舶，均取得了不错的效果^[4]。2010年初，美国能源部门启动了提高卡车和乘用车效率的相关研究的计划，在这其中发动机余热能回收利用是此部门支持的主要成分^[5]。2014年8月，美国启动了提升道路车辆燃油的经济型关键技术的研究计划，其中包括柴油机余热利用的回收技术^[5]。在欧洲，积极开展欧盟第七框架行动计划，继2009年启动为期的两年“HeatReCar”汽车发动机余热利用计划，在2011年又启动了“NOWASTE”车用发动机余热回收再利用计划，英国帝国理工将内燃机余热回收作为到2050年的关键技术^[5]。

1.2.2 国内柴油机余热利用的研究现状

对柴油机余热利用主要包括余热能量的回收以及尾气余压能量的回收，要想实现能量的回收所采用的相关手段有废气涡轮增压、余热制冷空调系统、斯特林循环、朗肯循环等技术。从目前来看，以上相干技术中涡轮增压技术使用比较广泛，其他技术的相关应用还处于初级阶段^[5]。国内大量的研究者和企业都对船舶主机的余热利用技术展开了研究，吴安民等人基于6S50ME—C8型船舶柴油机，对余热利用技术系统的性质进行了分析和相关计算,宋健等人对基于有机朗肯循环对某型船用柴油机余热回收系统进行了研究^[6],二十世纪九十年代初，广东的相关柴油机厂进行了柴油机余热利用系统的建设，发电功率大约为内燃机的发电功率的百分之四，还利用了余热锅炉生产的蒸汽进行了生活应用。Wartsila公司以Sulzerl2RT—flex96C号柴油机为模型，研究了余热利用系统在提高船舶主机经济性和排放性上的特点；2008年大连船舶柴油机厂生产了第一台带废热回收系统的柴油机型号为7RTA84TD，该柴油机采用了余热回收技术^[7]，并做出了简化，研究柴油机废气涡轮增压，得到了不错的科技成果并进行相关论文的发表；2010年我国科技部门赞同了国家的“973”项目的“高效、节能、低碳柴油机余热能梯级利用的基础研究”，科技部组织了5所名校及1个研究所开展相关研究，进行余热利用的相关研究并取得了一定的科技成果^[8]。

1.3本文研究的主要内容及拟定的技术措施

本文拟定以MAN 8S90ME-C10.2柴油机为研究对象，根据大型二冲程柴油机的工作原理和工作过程^[9]，进而研究的主要内容如下：

（1）先综合分析船舶内燃机的余热利用的基本组成系统和相关原理。

（2）介绍船舶柴油机的基础理论和模型的设计。

（3）收集该型号柴油机曲柄连杆系统、进排气系统、喷油系统、涡轮增压系统及相关的结构技术参数，在GT-Power软件平台对该型号柴油机进行建模仿真，并将仿真结果与实验数据对比，以确保仿真模型的有效性。

（4）改变柴油机排气旁路取气量，得到取气后的柴油机性能参数，并与柴油机正常工作参数作对比，研究柴油机排气旁路取气对柴油机性能的影响^[10]。

第2章柴油机数学及物理模型的建立

为了探索不同工况对船舶柴油机余热利用的影响，以MAN 8S90ME-C10.2柴油机为研究对象，船舶柴油机的余热利用系统，船舶余热利用系统主要包括船舶主机、余热锅炉、动力发电系统、汽轮机发电子系统、高温冷却水换热子系统、有机工质汽轮机发电子系统等装置^[6]。

2.1气缸模型的建立

首先，气缸是由汽缸盖、活塞顶、气缸体组成的一个密闭空间，空气经过进气系统进入气缸，经过一系列的做功，又经过排气系统排到大气中，整个过程中进行了物质交换，气体在气缸中进行了压缩、膨胀、做功，系统进行了能量交换，这个过程极其复杂，它包括物理、化学、传质、流动和传热等综合的过程。若将气缸看作一个热力平衡系统，假设气缸内某一瞬间各个空间工质的压力、浓度、温度、成分等都是均匀的，根据能量守恒、质量守恒、理想状态方程进行解析，算出求缸内工质的温度T、压力P、质量m的相对变化情。

2.1.1 基本假设

（1）缸内工质状态均匀，即同一瞬间各个点的浓度、温度、压力处处相等，并假定进气期间通过边界的空气与气缸的残余废气完全混合^[12]。

（2）缸内工质为理想气体，其内能、焓、比热等参数只与气体的温度以及气体的成分有关系^[8]。

（3）工质在流进或者流出时，气缸内的流动可以视为稳定流动，即有足够小的计算步长内视作稳定流动。

（4）工质的进口和出口的流动动能忽略不计。

（5）把燃料燃烧释放化学能的过程，看作为外界对系统进行加热的过程。

2.1.2基本方程