（动力机械及工程专业论文）涡轮复合柴油机热力学分析及仿真研究.pdf

图书分类号图书分类号 tk422 密级密级 非密非密 udc _621.4_ _ 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 涡轮复合柴油机热力学分析及涡轮复合柴油机热力学分析及仿真研究仿真研究 指导教师指导教师 苏铁熊苏铁熊 教授、教授、 张俊跃张俊跃 研究员、王强研究员、王强 副教授副教授 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 动力机械及工程动力机械及工程 论文提交日期论文提交日期 2013 年年 04 月月 20 日日 论文答辩日期论文答辩日期_年年_月月_日日 学位授予日期学位授予日期_年年_月月_日日 论文评阅论文评阅_ 答辩委员会主席答辩委员会主席_ _ _ 2013 年年 04 月月 20 日日 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学学校可允许学 位论文被查阅或借阅；位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定）。后遵守此规定）。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 涡轮复合柴油机热力学分析及涡轮复合柴油机热力学分析及仿真研究仿真研究 摘 要 随着柴油机增压技术的不断发展，涡轮输出功率不断增加，除了驱动压气机以外还 有功率可以输出，因此衍生出了不同形式的复合柴油机，为了进一步提高功率，在此基 础上添加补燃室以提高涡轮进气温度，提高涡轮输出功率。 本文以热效率和火用效率为指标对复合柴油机热力循环进行分析。对混合加热循环、 布雷顿循环等理想过程进行了热效率、火用效率的分析；结合复合柴油机实际工作过程中 空气流量先分流再混合的特点，引入了空气流量体积分数的概念，把气缸内工作过程和 补燃室热力过程合并为一个多变过程，推导出多变指数，并分析了体积分数、定压预胀 比、定容增压比、升温比、增压比等参数对多变指数的影响规律；分析了多变指数对复 合柴油机的影响规律；绘制了涡轮复合柴油机 p-v 图，完成复合柴油机热力学分析。 热力学分析表明：在柴油机供油量、压缩比不变的情况下，提高升温比有利于提高 复合柴油机热效率、火用效率，和净输出功；体积分数表征的是通过柴油机的空气流量在 总空气流量中的比例，降低体积分数，有利于提高复合柴油机热效率、火用效率，和净输 出功，同时，柴油机定压预胀比和定容增压比的提高也有利于复合柴油机热效率、火用效 率和净输出功的增大。 基于 gt-power 软件分块建模的理念， 建立并验证增压柴油机工作过程仿真模型。 在此基础上，添加补燃室及补燃室喷油器等模块，对增压系统进行适当简化，建立了涡 轮复合柴油机性能仿真模型； 引入空气质量功率的概念， 研究了增压比、 涡轮进气温度、 柴油机压缩比以及涡轮、压气机等主要部件效率变化对涡轮复合柴油机功率、燃油消耗 率、动力涡轮功率、空气质量功率以及功率分配等参数的影响规律。 仿真结果表明：增压比、涡轮进气温度以及主要部件效率对涡轮复合柴油机有直接 影响，当涡轮进气温度不变时，存在最佳压比；提高涡轮进气温度有利于提高动力涡轮 输出功率和空气质量功率，降低复合柴油机燃油消耗率；同时，提高涡轮进气温度还可 以降低复合柴油机空气流量，这有利于减小增压和进排气系统尺寸；提高柴油机压缩比 有利于提高复合柴油机输出功率，但影响幅度有限；同时，压缩比的降低有利于提高动 力涡轮功率以及动力涡轮功率在总功率中的比例；主要部件效率对涡轮复合柴油机性能 的影响强弱依次是涡轮、压气机和补燃室。 关键词：涡轮复合，动力涡轮，热力学分析，性能仿真 中北大学学位论文 turbo-compound diesel engine thermodynamic analysis and performance simulation abstract with the continuous development of turbocharger technology for the diesel engine, turbine output power is increasing to drive the compressor air and other components, so different forms of composite diesel engine were come into being. in this article, a combustion chamber was introducted to the diesle engine turbocharging system in order to further improve the power, improve the temperature of turbine intake air. adopt thermal efficiency and exergy efficiency as an indicators,evaluate the the composite diesel engine thermodynamic cycle analysis. analyze thermal efficiency and exergy efficiency of mixed heating cycle and brayton cycle analysis; actual combination of composite diesel engine air flow first shunt remixed characteristics, the introduction of the concept of air flow volume fraction, the cylinder working process and secondary combustion chamber thermodynamic processes combined into a changing process, derived polytropic index and volume fraction, constant pressure pre-expansion ratio, constant volume booster than warming ratio, pressure ratio and other parameters of the polytropic index the influence law; polytropic index of composite diesel engine investigated; draw turbo compound diesel engine pv complete the the composite diesel engine thermodynamic analysis. thermodynamic analysis showed that: the amount of fuel injection of engine and the compression ratio maintain a constant, increasing the turbine inlet temperature that help to improve the the composite diesel engine thermal efficiency, efficiency of exergy, and output power; volume fraction is characterized the proportion by the air flow of the engine in the total air flow, reduce the volume fraction, will improve the thermal efficiency of the composite diesel engine, exergy efficiency and output power at the same time, constant pressure pre-expansion ratio and constant volume pressure ratio of the diesel engine were increase, conducive composite diesel engine heat efficiency, efficiency and net exergy output power increases. based on the gt-power modeling concept, modeling the turbocharged diesel engine process simulation. on this basis, add the combustion chamber and the injector of combustion chamber, appropriately simplify the turbocharge system, establish the turbo-compound diesel engine performance simulation model; introduce the unit mass power of air, research pressure ratio, turbine inlet temperature, diesel engine compression ratio and turbine, compressor and other major components of efficiency impact on turbo-compound diesel engine power, fuel consumption, power-turbine powerand power distribution parameters. simulation results show that: the supercharging ratio, turbine inlet temperature and the major component efficiency has a direct impact on the, when the turbine inlet temperature is constant, there is the optimum supercharging ratio; enhance the turbine inlet temperature is conducive to improve the output of the power turbine and unit mass power of air, reducing the the a turbo-compound diesel engine fuel consumption; while increasing the turbine inlet temperature can also reduce the a turbo-compound diesel engine air flow, which is conducive to reducing the supercharger and the intake and exhaust system size; improve the engine compression ratio is conducive to improve the composite diesel engine output power, but the impact limited; and, the compression ratio of reduction in the proportion of the total power conducive to enhance the power of the power turbine and power turbine power; diesel engine performance impact strength of the main components of the efficiency of the turbo compound sequentially turbine, compressor, and the combustion chamber. keywords: turbo-compound, power turbine, thermodynamic analysis, performance simulation 中北大学学位论文 i 目目 录录 1 绪论 . 1 1.1 论文背景及意义 . 1 1.2 涡轮复合发动机的发展现状 . 2 1.3 内燃机工作过程仿真的发展现状 . 3 1.4 内燃机热力学分析的发展现状 . 5 1.5 本章小结 . 6 2 涡轮复合柴油机工作过程仿真理论基础 . 9 2.1 缸内工作过程数学模型 . 9 2.1.1 基本方程式 . 10 2.1.2 气缸容积 . 11 2.1.3 燃烧放热规律 . 11 2.1.4 传热规律 . 13 2.2 进、排气门数学模型. 15 2.2.1 进气门 . 15 2.2.2 排气门 . 16 2.2.3 流量系数 . 17 2.3 进、排气管道数学模型 . 17 2.4 涡轮增压器数学模型. 19 2.5 中冷器数学模型 . 21 2.6 补燃室数学模型 . 21 2.7 动力涡轮数学模型 . 22 2.8 本章小结 . 22 3 增压柴油机工作过程仿真模型的建立与校核 . 24 3.1 软件概述 . 24 中北大学学位论文 ii 3.2 建模步骤 . 25 3.3 增压柴油机仿真模型的建立 . 26 3.4 模型参数设置 . 27 3.4.1 进、排气边界条件 . 27 3.4.2 气缸模型 . 27 3.4.3 喷油器模型 . 29 3.4.4 进、排气门模型 . 30 3.4.5 曲轴箱模型 . 31 3.4.6 涡轮增压器模型 . 32 3.4.7 中冷器模型 . 32 3.5 模型的验证 . 33 3.6 本章小结 . 35 4 涡轮复合柴油机的热力学分析 . 36 4.1 理想热力循环 . 36 4.1.1 混合加热循环 . 36 4.1.2 布雷顿循环 . 40 4.2 多变过程的处理 . 42 4.3 涡轮复合柴油机的热力循环 . 44 4.4 多变指数的变化规律. 48 4.5 多变指数对复合柴油机的影响规律 . 50 4.6 热力学分析结果 . 51 4.6.1 升温比对复合柴油机的影响规律 . 51 4.6.2 体积分数对复合柴油机的影响规律 . 53 4.6.3 定压预胀比对复合柴油机的影响规律规律 . 56 4.7 本章小结 . 57 5 涡轮复合柴油机性能的仿真研究 . 59 5.1 涡轮复合柴油机仿真模型的建立 . 59 中北大学学位论文 iii 5.2 仿真计算结果分析 . 62 5.2.1 涡轮进气温度对复合柴油机的影响规律 . 63 5.2.2 压缩比对复合柴油机性能的影响规律 . 67 5.2.3 主要部件效率对复合柴油机的影响规律 . 69 5.3 本章小结 . 71 6 总结与展望 . 72 6.1 总结 . 72 6.2 展望 . 73 参考文献 . 74 攻读硕士期间发表的论文及研究成果 . 78 致 谢 . 79 中北大学学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 论文背景及意义 自 1978 年英国人安杰列 （konrad angele） 1发明二冲程有十字头的煤气机时将活塞 下侧就作为换气泵以来，发动机增压技术开始在各型发动机上应用。提高进气压力（提 高进气密度和进气质量）成为提高发动机功率、充分发挥动力机潜力、降低质量功率比 指标以及降低单位功率成本的有效途径2。 随着增压压力的提高，涡轮输出功率不断增大。当增压压力达到 0.30.5mpa 时， 涡轮输出功率将达到柴油机功率的 1/31/4， 除带动压气机外还有多余功率。 如果增压压 力达到 0.60.8mpa，则柴油机功率与压气机消耗的功率相当，柴油机如果用于驱动压气 机而不对外输出功率，则成为一台燃气发生器，功率则完全是燃气轮机输出，这样就出 现了不同形式的发动机组合3。因而，上世纪五十年代出现了内燃机循环的新进展，即 复合发动机的问世。复合式发动机，主要是是复合式柴油机，其主要特点是将柴油机与 废气涡轮增压器用机械方式联接起来（通过齿轮、液力联轴器等传动装置），使后者除 驱动压气机外，还可以与柴油机有直接的功率交流，还可以将剩余功率传递给柴油机曲 轴一并输出。所以复合式发动机是废气涡轮增压器柴油机的进一步发展。 复合式发动机主要是充分发挥往复活塞式柴油机和燃气轮机的各自优点4。柴油机 在体积、质量、提高单机功率方面有一定的限制，但循环温度高、燃料经济性好。燃气 轮机则正好可以与柴油机做到优缺点互补：燃气轮机则具有体积功率密度、质量功率密 度大的优点，但热效率较低，所以两者结合成复合式发动机还是很理想的。 复合式发动机包括三大类： （1）传统的废气涡轮增压柴油机，由柴油机输出功率； （2）往复活塞式燃气发生器与燃气轮机的复合式发动机，由燃气轮机输出功率； （3）活塞-涡轮复合式发动机。这种复合方式分为两种情况：对高压缩比柴油机情 况，涡轮增压后还有剩余功率可以传递给曲轴，和柴油机功率一并输出；对低压缩比柴 油机的情况， 则可用高增压比来大大提高柴油机功率， 还可汇入涡轮增压后的剩余功率， 使复合式发动机功率显著提高，质量功率比显著减小。 中北大学学位论文 2 1.2 涡轮复合发动机的发展现状 早期的涡轮复合发动机是在传统涡轮增压发动机基础上发展而来，在原涡轮增压发 动机上加装动力涡轮用于回收排气中的残余能量。早期比较著名的涡轮复合发动机主要 用于航空发动机和舰艇发动机等。车用发动机领域并没有得到显著的发展，主要原因在 于动力涡轮的匹配、传动机构的复杂和成本的昂贵。但是国内外的研究机构仍然对涡轮 复合发动机做了积极的尝试。 美国康明斯公司的 v-903 高速柴油机功率达到 735kw，动力涡轮位于发动机前段，全 负荷时动力涡轮发出功率为 95.6kw，膨胀比为 1.54，总得动力涡轮传动系统减速比为 9.65。该公司采用动力涡轮复合的还有 ntc-400 直列六缸机，其最低油耗率为 154.4g/kwh，比原机节油 14.8%，功率由 299kw 提高到 336kw6。 美国卡特彼勒（catpillar）公司的 3064 机型是一台采用轴流式动力涡轮的六缸涡轮 复合柴油机，总排量为 14.6l，涡轮传动机构减速比为 27.5。 瑞典斯堪尼亚（scania）汽车公司的六缸涡轮复合柴油机，排量 11l，动力涡轮与 增压器涡轮串联，通过速比为 25 的减速齿轮将动力涡轮功率传动曲轴，使该机功率由 268.4kw 提升到 294.1kw，经济型提高了 5%。 法国的皮尔斯蒂克 （pielstick） 公司 pc4-2 中速柴油机在 400rpm 时每缸 1213.2kw 6， 且动力涡轮（rpt）与增压器涡轮是并联布置的。动力涡轮只有在负荷大于 60%标定工 况下才使用， 此时燃油消耗率降低了 3%， 排温升高 40； 另一涡轮复合机型 pc40l （八 缸，长冲程，中速机）相比于 pc4-2 燃油消耗降低约 10%。 国外采用涡轮复合发动机技术的还有 benz 公司基于 om442lav 型 8 缸中冷增压车 用柴油机基础上的 br100 机型、日本三菱公司的 zf10 柴油机以及苏尔寿（sulzer）公 司的 6rta58 柴油机等7。 国内方面， 我国大连柴油机厂生产的 5s60mce 柴油机引进了 bbc 公司的动力涡轮 技术。我国舰艇高速柴油机上使用的 42-160 轻型柴油机（四冲程）和 k48e 柴油机（二 冲程）也采用了涡轮复合增压方案。 与传统增压柴油机相比，采用涡轮复合方案后发动机经济性提高 35，功率提 高 10%13%，因此仅仅增加动力涡轮对提高功率的幅度是有限的。但随着增压度的提 中北大学学位论文 3 高，废气能量所占的比重越来越大，采用低压缩比后膨胀比也随之降低，膨胀终点废气 的温度、压力均较高，在高增压柴油机中喷油延续时间长，使初膨胀比增大，废气温度 高。因此，为提高排气能量和增大动力涡轮的作用，涡轮复合机进一步与补燃增压系统 相结合，形成旁通补燃增压系统与动力涡轮相结合的涡轮复合联合循环被公认为是一种 必然的发展趋势，涡轮复合联合循环方案在法国 poyaud520v8x 发动机已经被证实，该 机所配的 mt307 增压器带有启动和发电两用电机，正常的高负荷工况已经可以利用多 余废气能量发电。 除此之外，国内外对于旁通补燃增压系统与动力涡轮相结合的新型涡轮复合柴油机 研究可供查阅的资料较少，但动力涡轮技术却在不断的发展和走向成熟。国外方面，对 动力涡轮的研究和开发已经颇具规模， 并已经形成系列， 如德国 man b&w 公司的 ptg 系列、瑞士 abb 公司的 ntc 系列（有 184、214、251、304 等变型）和日本三菱的 pt33 系列等。国内方面，清华大学对动力涡轮完成了研制、改进，并用试验验证了所设计涡 轮是成功的8。因此，从动力涡轮技术的不断发展和系列化我们也可以确定，国内外对 于新型涡轮复合柴油机的研究并没有停止。 1.3 内燃机工作过程仿真的发展现状 在发动机工作过程仿真技术出现以前，人们对发动机工作过程的研究都是将实际工 作过程简化为稳态过程，用循环平均值来代表气体的状态参数，对发动机性能进行定性 范围内的有限定量估算，并且在这一过程中要根据丰富的经验选取适当的参数，对发动 机工作过程中的某些特定点进行计算9。这种定性分析方法简单，计算结果直观，但计 算误差较大，并更重要的是无法对缸内燃烧放热规律、传热规律、进排气系统气体流动 以及涡轮增压器的匹配等进行研究，这已经越来越不能满足现代发动机的设计研发要 求。 受益于计算机科技的发展，人们可以将复杂的工作过程研究转化为计算机模拟计算 10,11。模拟计算过程中，结合发动机缸内燃烧、传热、工质流动12以及涡轮增压器等实 际过程，建立对应的物理模型和数学模型，利用计算机求解气体状态参数随时间的变化 规律，用来研究各参数对发动机工作过程的影响，为发动机设计研究提供理论依据。 随着发动机工作过程仿真研究的不断深入，人们根据缸内工质简化假设条件不同， 中北大学学位论文 4 将仿真模型分为三种：零维模型、准维模型和多维模型13。 三种模型仿真计算各有针对性和优缺点。零维模型将工质看成均匀场，工质的状态 参数不随空间位置变化，只随时间变化，该模型的控制方程是常微分方程。优点是方法 简单，计算速度快；缺点是燃烧放热规律需要设定，无法研究燃烧室几何形状与发动机 性能之间的关系。适用于预测发动机整机性能，研究主要运行参数对发动机性能的影响 14。 准维模型是在零维模型的基础上对其进行分区处理，可以用于近似的预测发动机燃 烧室几何形状的变化对燃烧放热过程的影响15。 多维模型是用理论对发动机物理过程、过程参数随时间和空间的变化规律进行描 述，结合质量守恒、动量守恒、能量守恒方程，控制方程是一组多自变量的偏微分方程。 根据自变量中空间坐标数目又细分为一维模型、二维模型和三维模型。多维模型缺点是 模型复杂，计算量大，优点是可以研究前两类模型无法研究的燃烧室几何特征和工质流 动等相互影响关系1618。 国外方面，各大学与发动机研究机构较早的尝试了对发动机工作过程的仿真研究 19,20，针对不同的研究工作相继开发出了不同的工作过程仿真软件21。随着商业仿真软 件的发展，发动机工作过程仿真研究已经成为了发动机行业从产品开发到优化设计中不 可或缺的内容。 比如道依茨公司在 bfhtl015 系列水冷柴油机的研发过程中22,23， 为了对六缸机和八 缸机进气系统进行优化，对柴油机进气系统进行仿真计算，在所有方案均满足安装要求 的基础上，对比分析各增压方案，仿真优化结果表明，仿真计算不仅使柴油机获得最佳 的进气效果，同时还解决了各缸气流分配不均匀的问题2426。另外，柴油机的排气系统 也利用计算机仿真进行了优化设计27。 同国外相比，国内的研究时间上并不落后：上世纪七十年代，北京大学、中国科学 院计算所等开始进行发动机仿真技术的研究工作；紧接着，天津大学、北京理工大学、 华中理工大学等高校科研单位也相继开展了这方面的研究，陆续开发了一些仿真计算程 序。但仅限于各自的科研单位甚至程序开发者个人，都未能进入仿真软件的商业开发过 程，因此，仿真软件的应用程度以及功能的完善与国外相比还有不小的差距。 中北大学学位论文 5 1.4 内燃机热力学分析的发展现状 在内燃机中，为了完成功能转换，气体需要完成压缩、吸热、膨胀、放热等热力过 程。对这些热力过程分析的目的在于分析气体状态参数的变化规律以及功能转换情况， 并进一步找出最能影响功能转化的因素，为提高热力循环经济性提供优化改进的方向和 途径28,29。 热力学研究方法总体分为两大类：一类是宏观的研究方法；另一种是微观的研究方 法。应用宏观的方法研究热力学叫做宏观热力学，也叫经典热力学，它以热力学第一定 律、热力学第二定律等基本定律为基础，采用适当假设和简化的方法建立实际热力过程 的理想模型，通过公式推导，得出结论。由于其基础定律的可靠性和普遍适用性，所以 应用经典热力学分析热力过程的结果是可靠的30。 应用微观的研究方法的热力学叫做微观热力学，也叫统计热力学，应用统计法则和 概率法则对热力学进行研究，但是由于微观热力学对分子微观结构的假设不够精确，尽 管运算过程非常复杂，但是所求的的理论结果往往不能达到要求的精确度31。 相比较宏观和微观的研究方法，尽管宏观研究方法不能说明热现象的本质及其内在 原因，但是相对于微观热力学理论结果不够准确的缺陷，宏观研究方法所得到的的可靠 结果更能帮助人们实现热力学的分析目标。 目前经典热力学研究的主要方法是“第一定律分析法”和“第二定律分析法”。 第一定律分析法，即循环分析法32，是建立在热力学第一定律的基础上研究热力过 程中能量数量上的变化规律，它以能量的数量为立足点，以热效率为指标，从能量转换 的数量关系上来评价循环的经济性。 第一定律分析法在分析过程中仅考虑能量的数量关系，但是，能级分析理论认为能 量不仅有数量的多少，还有质量的高低之别：在“质”和“量”完全统一，能够完全转 换的能都是高级能；而在转换过程中，不能完全转换的能就称为低级能。 第二定律分析法以第一定律和第二定律为依据，结合能及分析理论，以“做功能力 损失和火用效率”为指标，不仅考虑能量的数量，还考虑不同能量的质量，其分析方法主 要包括熵分析法和火用分析法33。火用是能量中可转化为有用功的最高份额，火用分析方法的 引入更加完善了经典热力学分析理论，该方法基于系统火用平衡方程，引入了火用损失的概 中北大学学位论文 6 念，揭示出系统中不同质能量包含火用的关系，进一部确定出各个热力过程中的火用损失和 火用效率34,35。 第一定律分析法发展到第二定律分析法的过程中，热力学分析指标也从能量数量过 渡到了数量和质量的综合考虑，第二定律分析法不仅能够揭示能量损失的数量，而且能 够揭示能量损失的部位以及不同部位的影响程度；不仅从能量的数量上，而且从能量的 质量上展示热力过程的本质，因此，火用分析法更能够科学地评价能量系统的效率以及经 济性。 1.5 本章小结 通过查阅、总结复合发动机国内外发展现状，不难发现，国外方面对复合发动机的 研究比