1、关关键键技技术术子子技技术术高效高压比增压系统设计技术低速机增压系统匹配技术研究二级增压系统关键技术研究二级增压系统压缩机、涡轮设计仿真优化研究增压压力闭环控制策略计算研究低速机鼓风机匹配技术及其切换规律研究低速机可变几何涡轮增压系统关键技术研究双燃料机控制系统关键技术微喷引燃双燃料机控制系统总体设计技术研究微喷引燃双燃料机控制策略与控制规律研究本质安全的燃料供给技术与气体燃料喷射阀设计技术研究本质安全的燃料供给技术研究气体燃料喷射阀设计技术研究微喷引燃柴油高压共轨微量喷油器设计技术研究双燃料机状态监测与健康管理技术研究低速柴油机智能控制技术高压共轨燃油喷射控制技术研究双燃料机控制系统关键技术
2、电控可变气阀正时控制技术研究柴油机监测诊断与健康状态评价技术研究摩擦与润滑技术低速机运动副动力学与摩擦学耦合性能预报高强化指标条件下的缸套润滑与气缸润滑油消耗控制技术研究润滑系统设计与优化技术研究低速机排放后处理与能量利用系统集成匹配技术研究低速柴油机智能控制技术高强化、高可靠性低速机零部件疲劳分析与设计技术研究减振降噪技术缸内激励及其与机械源耦合预报技术研究机械运动部件动力学规律及激振特性分析技术研究关键运动副动力学预报与分析技术研究轴系纵横扭强耦合动力学分析技术复杂激励及结构的整机振动噪声预测及优化技术研究进排气噪声控制及系统设计技术研究能量综合利用有机工质朗肯循环余热回收技术研究EGR废
3、气再循环能量利用技术数字化低速机及智能与先进制造技术低速机智能化研发设计技术减振降噪技术应应用用背背景景随着增压比的提高，增压器的匹配矛盾较为突出，增压器的匹配难以同时满足柴油机所有工况运行时的燃烧空气的需要，在部分负荷下扭矩不足，热负荷增大。因此，使柴油机在所有工况范围内获得良好的运行性能，已成为急需解决的问题。为了解决涡轮增压器和柴油机的匹配问题，优化柴油机全工况运行性能，多种增压系统应运而生，如高工况放气、低工况进排气旁通、谐振复合系统、变截面涡轮系统、VMP（可变多脉冲）系统、Hyperbar（海泊巴）系统、顾氏系统和相继增压系统等。综合对比各种增加技术的优势和缺点，相继增压技术具有改
4、善低速大扭矩特性，扩大运行范围，提高经济性能和减少排放等优点被广泛应用于高增压发动机上。目前，相继增压柴油机是我国船舶和装甲车辆等特殊领域的重要发展机型。相继增压技术虽然较为成熟，但相继增压控制的选择方法和确定标准还没有统一。如何根据发动机的主要性能参数，研究相继增压系统控制规律已成为各个柴油机厂商的研究重点。传统的单级涡轮增压器与发动机匹配时，无法实现全工况的良好匹配。若将匹配点选在采油机低速区，则发动机高转速时增压器可能会出现超速状况；若将匹配点选在发动机高转速区，则低速时的压比会大幅降低，发动机会出现低速扭矩不足、加速迟滞等问题。而采用二级增压技术，可以有效提高发动机低速扭矩特性和响应性
5、；同时避免高速时过高的增压压力。二冲程的发动机需要新鲜的油气混合气将燃烧后的废气“挤”出汽缸外，该过程称为扫气。由于柴油机在低负荷时的转速很低，使得压气机不足以提供柴油机工作所必须的新鲜空气，因此选用辅助鼓风机来增加供气，成为一个重要的辅助措施。船舶大型低速柴油机主机一般都装有一台或二台输出功率较大的辅助鼓风机，也叫应急鼓风机，它是在主机输出功率较低，换气质量较差时使用，使主机能保持低速正常运转。一般是在船舶进出港，船舶机动用车或在透平增压器损坏的情况下使用，平时仅作为备用。对于低速鼓风机的匹配性研究主要有以下两个内容：1.匹配特性：研究鼓风机能否满足柴油机低负荷时的扫气要求。2.切换规律：研
6、究柴油机负荷增加至多大时，鼓风机关闭。柴油机负荷降低至多少时鼓风机打开。传统的废气涡轮增压器存在油耗大、低速扭矩特性差、启动响应慢和低速排放烟度大等缺点。可变几何涡轮增压系统根据发动机转速来自动调整涡轮流通截面积，解决传统增压器的缺陷。在发动机低速时，流通截面积关小，增加压气机的做功能力，提高低速时的进气量，改善发动机的低速扭矩特性和加速响应特性；在发动机高速时，流通截面积放大，壁面增压器超速。因此有必要对可变几何涡轮增压系统的关键部件涡轮增压器进行设计和优化研究。天然气由于其较好的燃烧经济性、排放性，并且储量丰富，开采方便，现已成为柴油最主要的替代燃料。微喷引燃技术正是以寻求最小引燃油量获得
7、最佳引燃效果为目标的，他为解决替代率和排放等问题开辟了一条新的道路。随着双燃料机的应用研究越来越深入，对于其中非常复杂的控制策略和控制规律的研究也越来越多。目前国内所研制的双燃料发动机的气体燃料供给系统多采用混合器供气形式，机械控制。一方面控制不灵活，柴油替代率低，性能较差；另一方面控制精度低，不能准确地控制空燃比，使柴油机的排放性能较差。采用电控气体喷射系统可以很好地解决这一问题。采用电控气体喷射技术是双燃料发动机的发展方向，对于气体燃料喷射阀的优化设计技术进行深入研究非常重要。实现柔性控制功能是燃油喷射系统发展的必然趋势。高压共轨燃油系统正是顺应这些需求而诞生。高压共轨电控燃油喷射系统主要
8、由电控单元、高压油泵、共轨管和喷油器等组成，其中喷油器是高压共轨喷油系统的核心部件，高压共轨喷油系统的优良性能要通过喷油器来实现。所以对喷油器的优化设计进行详细研究就显得非常重要。高压共轨整体式喷油器中发生的过程即复杂又迅速，而且影响的参数众多，如果在高压系统开发的初期就采用试验的方法确定喷油器的众多参数，将会使研究工作带有较大的盲动性，给研究带来巨大的耗费，严重影响研发进展。因此在整体式喷油器开发初期进行高压共轨喷油器工作仿真，对喷油器的设计参数对系统的影响进行模拟，从而在理论上确定合适的参数是一条比较合理的研究途径。近年来，在曼恩、瓦锡兰等柴油机巨头的带动下，双燃料发动机技术发展非常迅速，
9、而双然料发动机的泄漏和爆炸问题成为其主要安全问题，对双燃料发动机进行状态监测与健康管理研究意义重大。传统的机械调节式喷油系统由于控制精度低，反应不灵敏，无法满足进一步改善柴油机性能的要求。高压共轨燃油喷射系统与常规燃油喷射系统相比，具高压喷射，可改善低转速、低负荷的性能，可调节喷油形状，喷油定时和喷油量可自由选择，能够改善柴油机综合性能等优势。基于可变气阀正时技术可以提高柴油机充气效率、实现内部EGR（废气再循环系统）、提高进气速度、提高怠速稳定性、改善燃油经济性等特点，柴油机可变气阀正时技术的研究已成为未来发展的方向。而可变气阀正时技术的控制策略优劣，直接关系到能否根据发动机工况较灵活地调节
10、配气相位角，实现对进气流速、进气量、残余废气系数的控制，进而改善发动机在各个工况下的充气效率以及燃烧过程，最终起到提高发动机综合性能的目的，因此有必要对电控可变气阀正时的控制技术进行研究。中速柴油机作为远洋船舶发电机组的原动机需要长时间连续工作，其安全运行是保证船舶航行安全的关键。由于柴油机具有零部件多且相互关联，运动复杂、工作环境恶劣等特点，且经常在高负荷下运行，发生故障的可能性非常大。往复机械一旦出现故障，将产生巨大的经济损失和人员伤亡，因此研究船舶柴油机性能监测与故障 诊 断 技 术 ， 开 发 柴 油 机 监 测 诊 断 与 健 康 状 态 评 价 系 统 是 非 常 必 要 的曲轴轴
11、承系统中滑动轴承在工作中，轴颈与轴承被润滑油液隔离开，处于液体摩擦状态，油膜需保持足够的厚度、合适的油膜压力和机油填充率，以便保持良好的工作状态。实际工作中工况复杂，如果设计不合理，油膜厚度未必足够，因此要在设计阶段做流固摩擦热耦合分析，指导和改进轴承设计柴油机的润滑油消耗集中在气缸内、气门导管、增压器的涡轮轴密封以及曲轴箱通风等处，其中气缸内润滑油消耗占据了主要部分。在高强化指标条件下，缸内润滑油消耗受发动机工况的影响最为明显，除此之外，影响缸内润滑油消耗的因素还有缸套、活塞和活塞环的结构、材料、工艺及其运动形式。气缸润滑油的注入量希望能达到恰到好处，最好保持在正常范围内接近下限值，因此研究
12、缸套润滑油消耗，保证气缸正常工作的润滑油注入量成为了重点。同时，传统的内燃机气缸润滑都是通过凸轮轴驱动机械注油器来注油的，这种设计的结果就是对气缸油耗量，喷射时刻和排放污染的折中，注油压力低，定时比较粗放，并且不能随柴油机的负荷变化而变化，如何控制气缸润滑油注入量随柴油机工况的变化也是轮机设计中的一大难题。润滑系统的设计对柴油机的动力性和工作可靠性具有直接影响，润滑系统如果发生故障，就会加速零件的磨损，更有可能造成重大事故。然而在提倡节能环保的今天，对润滑系统的要求不仅要满足工作的可靠性，更要满足排放规则。这就需要优化润滑系统的设计，在满足润滑系统基本性能的情况下，尽量减少润滑油的消耗量。目前
13、大型船用低速柴油机的热效率大致是50%，这就意味着有50%的能量随着排汽和冷却水排入环境中。这样既造成了资源浪费又污染了环境。目前研究人员已经开展了各种能量回收研究，对于船舶柴油机中的能量研究主要有两种利用方式：一种是利用排气直接驱动动力涡轮做功，另外一种通过余热锅炉回收排气中的热能，用以产生蒸汽发电或者直接供给船舶设备使用。发动机结构受力状态复杂，包含摩擦、润滑油压、振动、惯性力等载荷来源，综合以上载荷，进行耦合分析，评估零部件的疲劳寿命，以便指导和改进结构设计气缸内燃料燃烧产生大部分振动能量是通过活塞、连杆、曲轴、主轴承传至机体外表面，使机体尤其机体裙部产生强烈的结构振动，从而辐射出噪声，
14、大约有 80的燃烧噪声是通过第一条途径传播的，而约 20燃烧噪声通过第二条途径即气缸盖传递出来。因此研究燃烧噪声的传声零件如机体、活塞、连杆、曲轴、主轴承等动态特性对降低燃烧噪声具有十分重要的意义。机体作为柴油机的“骨架”，其动态特性对整机运转状态，振动噪声等动态特性影响很大。柴油机机体结构复杂，包含大量薄板结构。在燃料燃烧产生的气体压力;活塞往复运动产生的侧压力；曲轴旋转运动产生的主轴承力的共同作用下，其动态特性较为复杂。多体系统运动学与动力学分为多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究关键运动副动力学性能的分析方法。多刚体动力学是以系统中各部件均抽象为刚体，但可计及各部件间连接节点处的弹
15、性、阻尼等影响为其分析模型。柔性多体动力学则是在多刚体动力学基础上可以考虑原来忽略的各部件变形行为的分析模型，变形运动与刚性运动的同时出现及其稱合是其核心特征。轴系的耦合振动计算是轴系振动领域一个新的研究方向。传统的轴系振动研究是以纵、横、扭互不联系为基础分别进行的、使得在某些情况下，计算结果与实际测量有较大差别。近年来，在轴系纵扭藕合振动的理论计算方法和实船测试技术方面取得显著进展，计算方法由近似(能量)法发展到对连续模型的三维有限元法空间杆件有限元法以及空间传递矩阵法。横向与纵向采用不同的模型，其分析结果无法反映纵向与横向、纵向与扭转的耦合模态，为了解决这一问题，要进行纵横扭一体化建模，建
16、立三维空间模型。国内外对柴油机结构噪声的预测做了大量研究，中低频结构噪声预测方法已趋成熟。结构振动响应与辐射噪声之间的关系非常复杂，目前根据强迫振动响应计算辐射噪声的计算方法主要有平板理想化法、有限元法和边界元法等。噪声预测技术的发展使得整机在设计阶段进行进行整机振动及结构噪声预测评价成为可能。柴油机进排气系统噪声属于空气动力噪声，是由于气体扰动以及气体与其它物体的相互作用而产生的，在柴油机总噪声中占有重要分量。排气噪声是发动机最主要的噪声源，往往比柴油机本体噪声高出1015dB(A)。柴油机噪声不仅降低产品的性能，而且危害人们的生活环境，为了满足舒适性和日益严格的噪声法规的要求，对柴油机进排
17、气系统噪声进行研究和控制非常有必要。内燃机气缸内燃料燃烧释放的部分能量被排气和冷却介质带走并浪费，所以对内燃机余热能量进行回收利用可以提高内燃机的热效率，减少能源消耗，降低污染物排放。有机朗肯循环（ORC）系统可以将中低温余热能转化为有用功输出。EGR技术（废气再循环技术）利用EGR阀将少量废气引入进气管与新鲜空气混合后进人气缸进行燃烧，降低燃烧速度和燃烧峰值，从而破坏NO高温富氧的生成条件，EGR就是在进行废气再循环的过程中对EGR废气冷却来降低混合气燃烧的温度，从而更大程度上抑制NOx的生成，EGR不仅可以降低柴油机的NOx排放，而且可以降低HC排放。相关柴油机研制单位目前已配置CAD/C
18、AE相关研发手段，但研发数据分散存贮、研发软件孤立利用、研发流程未能统一，这导致相关研发知识无法实现积累与沿承，项目研制过程难以有效控制。技技术术方方案案与与技技术术路路线线简简述述相继增压系统主要控制参数为切换点和切换延迟。根据相继增压柴油机的使用场合不同，选择切换点时的出发点也不相同。另外在切换过程中，为防止增压器喘振，即将切入增压器的涡轮控制阀先于压气机控制阀开启，这段时间称为切换延迟。应用软件建立相继增压柴油机的仿真计算模型，选取柴油机按螺旋桨特性的适当工况点，对增压器与柴油机进行匹配计算。通过计算结果分析不同组合增压器与柴油机的匹配效果，选取较佳的增压器组进行后续分析。建立相继增压模
19、型，对相继增压系统的增压器切换过程进行模拟，研究影响相继增压系统不稳定的主要因素，获得相继增压系统切换规律。建立相继增压柴油机瞬态性能工作过程仿真模型，对柴油机稳态波动中增压器切换过程进行研究，获得切换延迟对柴油机性能影响。进一步对相继增压柴油机加速和减速过程进行仿真研究，以深入研究切换点和切换延迟对柴油机加速和减速过程的影响，改善柴油机的瞬态性能，避免压气机喘振。根据柴油机性能需求的增压系统总压比、两级压比分配、调节能力和调节阶段等增压系统参数确定两级涡轮、压气机的相关性能参数。将获得的性能参数作为压气机、涡轮初始设计的输入边界，获得基础型的压气机、涡轮几何。进一步采用专业仿真软件对设计出来
20、的压气机、涡轮进行仿真验证、优化，获得最终满足柴油机二级增压系统的零部件。面对复杂的发动机系统和柴油发动机增压系统的高效高压比技术要求，建立低速柴油机发动机仿真模型是柴油机控制策略研究中的重要工具。以增压压力为控制目标，建立可调二级涡轮增压系统控制仿真模型，分析系统高压级涡轮旁通阀对增压压力的动态响应特性。以某型号二冲程柴油机为例，配有2台涡轮增压器和2台鼓风机，具体实施的技术方案和路线如下：1.采用GT-Power建立带鼓风机的二冲程柴油机模型。其中缸内模块采用有限容积法模型，燃烧放热规律采用单Weibe函数，得出100%负荷时Weibe函数放热率与实测放热率的对比曲线。2. 扫 气 模 型
21、 研 究 ： 采 用 鼓 风 机 特 性 曲 线 建 立 鼓 风 机 模 型 ， 并 应 用 到 GT-Power 模 型 中 。 2.1评 定 柴 油 机 扫 气 情 况 ： 假 定 了 完 全 扫 气 、 完 全 混 合 和 完 全 短 路 3种 理 论 上 的 扫 气 极 端 情 况 。 2.2确定扫气模型指数：利用不同扫气模型，针对100%负荷工况进行性能计算，并与试验结果对比，最终确定了扫气模型指数。3.低负荷鼓风机匹配特性：计算结束后，查看带鼓风机的柴油机在低负荷时的输出功率、扫气压力和排气压力。查看鼓风机的运行点曲线。4.鼓风机切换规律研究：对无鼓风机和有鼓风机两种条件下的柴油机
22、性能进行模拟计算，并选取扫气关键参数（过量空气系数、扫气量和排气温度）随负荷变化情况进行分析。增压器（涡轮、压缩机、喷嘴导叶、蜗壳）的气动设计直接关系到发动机各种工况下的气动效率和调节性能。首先通过与发动机的性能匹配计算分析提出合理的可变几何涡轮增压器性能指标，将获得的性能指标参数作为压气机、涡轮初始设计的输入边界，获得基础型的压气机、涡轮几何。进一步采用专业仿真软件对设计出来的压气机、涡轮进行仿真验证、优化，获得最优的气动设计模型。（需针对多种工况即多种涡轮流通截面积）按照微喷双燃料机的计算原理，利用AVL Boost或者GT Suite软件按照进排气边界、涡轮增压、中冷器、进气总管、扫气箱
23、、气缸、排气总管等，利用管道元件将发动机模型中的每个子部分按照发动机工作时气体工质流动方向依次顺序连接起来，完成发动机模型建立。通过计算可以获得，不同喷气时刻下的发动机工作性能和燃油消耗等结果，以此来总体判断柴油机性能。在整个柴油机微喷技术中，主要以两个ECU来控制双燃料，一个是原柴油机ECU，控制柴油机喷油嘴的实时通断以及其他的执行器件；另一个是自主开发的双燃料ECU，它需要采集柴油机的各种信号，如发动机转速、冷却液温 度 、 油 门 踏 板 位 置 、 氧 传 感 器 信 号 和 原 始 喷 油 脉 宽 信 号 等 ， 同 时 发 出 指 令 给 执 行 器 件 。整个柴油机微喷和控制系统
24、，可以采用Flowmaster结合控制软件Matlab或者Simulink实现，Flowmaster可以仿真整个燃油和天然气管路系统，然后结合控制软件进行总体研究。柴油机双燃料动力供给系统是由原船用柴油机、天然气供给和电子控制三部分组成。整个供给系统由泄油孔、阀控腔、柱塞泵、针孔阀、凸轮机构、挺杆、喷油、管路、断气阀、过滤器、调压装置、混合器及喷射阀等元部件组成。采用专业一维流体系统仿真软件对柴油机燃料供给系统进行仿真计算、验证及优化，对不同类型的柴油机燃料供给系统进行研究，分析燃料供给系统的性能，如定量分析喷射系统的燃油输出量及时间；定量分析压力波对喷射性能的影响；优化喷射泵的尺寸；预测和设
25、计排除有害的压力峰值；优化燃料箱供应系统和通风系统设计等等。性能良好的气体燃料喷射阀是柴油机燃料供给系统的关键部件。采用三维CFD软件分析气体燃料喷射阀的性能是目前对喷射阀进行优化设计时最常用的手段。采用专业三维CFD软件对喷射阀内部流场进行稳态、瞬态计算分析，计算喷射阀内部流速、压力、马赫数等参数分布情况，评估喷射阀结构对内部气体流动的影响、出口流量与阀体受力等参数，对喷射阀结构进行优化设计。高压共轨系统中的电控液压喷油器是机械、电气、电磁和液压技术一体化的产品，结构精巧性能优异，电磁阀响应周期最低达到0.2ms，最小稳定喷油量精确至lmm/st，喷油压力高达160Mpa甚至更高，可灵活地改
26、变喷油正时和喷油量，可实现预喷射和后喷射，工作过程复杂，设计影响参数很多，而且参数之间相互作用，相互耦合。为了尽可能保证设计出来的产品能够满足性能要求，需要用计算机模拟喷油器的工作过程和性能，分析和比较不同结构参数及其组合对性能的影响，以期找到最优的设计： 1、为了验证喷油器零部件在高压载荷下的工作性能，需要用计算流体力学方法进行喷油器内部流场仿真计算，分 析 喷 油 器 内 部 流 体 的 流 动 特 性 及 喷 油 器 内 部 受 力 情 况 ， 从 而 为 改 进 结 构 提 供 参 考 ； 2、为了验证喷油器零部件在高压载荷下的强度和密封性，需要用有限元方法进行零部件的组合刚度计算，分
27、析零件的变形和应力，从而为改进结构提供参考；1、船室安全故障通风机不能正常工作，出现的最大原因是供电线路故障或者通风机损坏，结果会导致舱室通风不畅，发生可燃气体泄露时，可能会造成气体堆积发生爆炸等危险状况。通过烟雾报警器和气体探测器来监测。2、气体燃料供应管系的故障（1）阀、联锁气体阀故障在于阀损坏，当收到信号，阀不采取动作，如果阀门不能正常幵启，则双燃料模式不能正常运行。通过压力变送器来监测 （2） 汽化器出口温度低，对管路部件的正常运行会造成影响，对发动机的工况也会造成影响。通过温度传感器来监测。3、发动机的故障（1）单缸排气温度高，单缸点火失败或单缸排气温度和平均温度偏差大，通过温度传感
28、器 （2）发动机停车，通过转速传感器来监测高压共轨燃油喷射控制系统主要由燃油系统和电控系统两部分组成。燃油系统主要包括油箱、滤清器、油泵、油管、喷油器等。电控部分主要包括ECU、各种传感器和执行器等。Flowmaster软件中有专门的液压元件，可以建立高压共轨燃油喷射系统，并模拟其喷油速率“先低后高”的趋势，反映了一定的规律。可采用数值仿真的方法对发动机工作过程的可变配气相位技术进行数值仿真。结合发动机参数和试验数据，在数值仿真软件中建立发动机模型，结合已有试验数据的对比，对可变气阀正时的控制效果进行预测，判定可变气阀正时技术在发动机低速、中速以及高速各个工况下的匹配性，并通过仿真结果对可变气
29、阀正时的控制技术进行优化，使优化后的控制技术满足发动机在不同转速工况下的最佳配气正时和充气效率。柴油机常用的故障诊断方法主要有热力参数分析法、瞬时转速监测法、振动监测法和油液监测法等：1、柴油机热力参数蕴含着大量的故障信息，具有外界干扰小、信息质量好、诊断范围广和可用性强等特点，具有较大的故障诊断应用价值。2、由于柴油机是往复运动机械，其工作时瞬时转速存在着有规律的波动，包含了丰富的柴油机工作状态信息。通过对瞬时转速信号的分析处理可以得到柴油机的运行状态和故障的丰富信息。3、在柴油机运行中，各种零部件间磨损间隙过大时，机械动力学性能将发生改变，产生的振动也会随之变化。因此，通过监测关键部位的振
30、动现象，分析其振动信号可以了解被测对象内部的运行状态，达到诊断故障原因、程度、部位和发展趋势的目的。4、油液监测分析技术是通过分析柴油机机油的性能变化和携带的磨损微粒的情况，获得柴油机的润滑和磨损状态的信息，评价柴油机的工作状态和预测故障，并确定故障原因。1 、 建 立 流 固 耦 合 模 型 ， 模 拟 工 作 过 程 中 油 液 的 厚 度 分 布 、 油 压 场 等 ；2、建立曲轴系统柔性体Adams模型，根据油液厚度，确定各区域摩擦系数，编制Adams子程序，进行含摩擦的柔性体多体仿真；3、建立仿真数据库，评估润滑特性，对轴承设计进行指导改进。缸 套 润 滑 受 缸 套 的 变 形 、
31、 环 和 环 槽 的 间 隙 、 环 组 结 构 等 因 素 的 影 响 较 大 。随着计算机技术的发展和有限元方法的应用，可以通过建立有限元模型来计算非工作状态下缸套的变形情况，以及在工作状态下，通过添加缸套热边界条件，可进一步分析不同柴油机工况下的缸套变形。在此基础上，考虑活塞环组对润滑油消耗的影响，通过建立流、热、固耦合分析模型，利用CAE方法研究活塞环组的追随性、油环环高、油环面压等因素对润滑油消耗的影响。通过上述分析可以确定柴油机各工况下的润滑油效率量，为了确保润滑油的注入量在合理范围内，需要对气缸润滑油注入控制系统进行研究。气缸注油润滑系统需能提供一种能够实现精确定量、定时注油的功
32、能，以实现在不同工况下气缸润滑的柔性控制。在控制系统当中，主要研究内容包括研究并制定注油的控制策略，设计系统的控制软件，对作为控制系统执行机构的步进电机设计相应的控制方法。典型船舶柴油机润滑系统由主机油泵、机油滤清器、机油冷却器、调压阀、止回阀、油气分离器、机油管路等组成。通过Flowmaster软件建立整个润滑系统模型并进行仿真计算，可以快速的评判润滑系统性能，获得润滑流量，油压和油温的分配情况，进而优化润滑油道的尺寸，泵、油冷器等部件的性能。船舶柴油机总热回收装置由双压经济器、多级双压蒸汽轮机、动力涡轮、由汽轮机和动力涡轮驱动的发电机、供水预热装置和轴带电动机/发动机系统组成。为了充分利用
33、排气能量，该装置主机排气有一部分送往废气涡轮（与使用省油器供给蒸汽的蒸汽涡轮联动）发电，获得的电能足以补偿主机增加的油耗。Flowmaster提供两相流以及燃气轮机计算模块，支持脚本和用户自定义的部件特性曲线，可以用于柴油机总热回收装置的仿真，能通过仿真计算快速评估余热回收装置中各个部件的特性以及部件内流体的参数。1、计算各工况下，油液分布情况、油压情况；2、根据油液分布情况计算摩擦力；3 、 摩 擦 力 、 油 压 力 、 惯 性 力 叠 加 成 载 荷 谱 ， 施 加 在 零 部 件 上 ， 计 算 零 部 件 的 疲 劳 寿 命 ；4、建立仿真数据库，识别各部分载荷对疲劳寿命的贡献率，有
34、针对性的改进设计方案。1、利用柴油机实体模型建立有限元计算模型，通过理论分析与实验研究两种不同手段，对柴油机进行实验模态分析和有限元模态分析，并将结果进行对比，来验证所建立有限元计算模型的合理性。2、根据多体动力学的基本理论，对柴油机的曲柄连杆机构进行了动力学分析，利用 Adams 建立虚拟样机模型，计算出柴油机在标定工况下的活塞侧向力曲线、缸内压力曲线以及主轴承力曲线，并在时间和空间上进行离散化处理，编制了载荷施加命令流程序，将载荷合理地施加到机体的有限元模型上。3、建立机体结构动态响应模型，计算得出机体在联合载荷激励下的表面位移响应等值线、应力等值线、速度以及加速度曲线。并对结果进行了后处
35、理，分析了机体表面振动响应量的分布，以及活塞侧向力、螺栓轴向力和主轴承载荷对机体振动的影响。1、通过理论计算获得机体上包括侧压力在内的各激振载荷，获得有限元动态分析的载荷边界条件。2、基于有限元软件AnsysWorkbench，在考虑侧压力时变性条件下，对某型号柴油机机体，套筒，主轴承座及螺栓组件进行了时域及频域动态响应分析，以及动态响应分析的前置工作，模态分析。3、动态响应时域分析考虑侧压力作用点的时变性，更加真实的模拟了侧压力的作用情况，得到了该机体在各时变载荷下的应力云图，关键点的位移，加速度曲线。1、利用模态综合法，缩减有限元模型得到各部件柔性化、单元数量少且能满足计算精度要求的有限元
36、模型，通过非线性弹簧-阻尼连接或者弹性动力混合润滑模型连接各柔性部件，建立整机柔性多体动力学计算模型，并用时域逐步积分法中的向后微分法求解高度非线性的柔性体的振动方程，计算能够考虑的因素更加全面。2、能够较为全面系统地计算轴系的三维耦合振动，机体与轴系之间的相互影响。包括能够计算计及轴系不对中情况、轴承间隙大小、船舶双层底刚度变化等对机体和轴系的整机耦合振动的影响。建立基于离散系统模型的轴系纵横扭藕合振动计算的系统矩阵法。在藕合效应的考虑上，柴油机曲轴由当量藕合刚度表示，其它附件以质量的当量加速度藕合系数和阻尼的当量速度藕合系数描述。通过对柴油机轴系纵横扭藕合 振 动 的 计 算 与 实 测
37、分 析 ， 对 轴 系 纵 横 扭 藕 合 振 动 的 内 在 规 律 进 行 研 究 与 分 析 。建立动整机各主要部件的有限元模型，通过多体动力学软件进行动力学分析，输出激励载荷，然后采用结构有限元分析计算柴油机的振动响应。根据表面振动速度结果利用声学软件进行结构噪声预测，并对结构表面的辐射声功率排序，在此基础上进行噪声最优化设计可开发出NVH性能优异的柴油机。通过声学软件数值建模计算，选择与柴油机排量相匹配的消声容积，确定消声器所需消声目标值，根据不同性能消声器（阻性、抗性、阻抗复合型消声器）的消声频段特征对消声器进行设计，得到低噪声消声器来控制进排气噪声。柴油机-有机朗肯循环联合系统主
38、要由柴油机、蒸发器、膨胀机、回热器、冷凝器、储液罐和工质泵组成，有机工质储存在储液罐中，工质泵将有机工质加压后送入回热器，有机工质在回热器中预热后进入蒸发器，柴油机排气在蒸发器中与有机工质进行换热，吸热后的有机工质变为高温高压气体推动膨胀做功，膨胀后的有机工质进入回热器将剩余热量传递给液态有机工质，膨胀放热后的气态有机工质进入冷凝器被冷却为液态有机工质并流回储液罐。Flowmaster可以调用NIST数据库，能够很好的仿真有机工质，并且其能源电力版本对于朗肯循环的应用已经非常成熟。通过应用一维流体系统仿真软件，可以研究整个EGR系统和其中的控制系统，包括反馈控制、水泵转速的控制，比如通过控制电
39、动水泵的转速从而达到用控制冷却水的循环量来控制EGR温度等。1、通过结构化的统一环境管理企业设计、分析、仿真、试验过程的流程和数据，改进和优化企业多学科协同的数字化工程研发流程，提高产品设计、仿真、流程开与管理控制、知识积累、数据管理等价值环节相关的众多功能模块均已集成在平台之中，同时易于扩展与定制。2、用户共享统一的中心数据库，实现数据的集中管理、共享、查询，数据的调用与传递过程将大为简化。3、建设知识管理系统，捕捉和固化最佳实践，建立统一的设计、仿真、优化知识库、流程库和数据库。4、基于SOA架构开发强大的集成能力，联合与核心业务相匹配的设计、仿真软件与数据管理平台，深层次发挥现有投资的效
40、能，实现综合研发能力的真正提升。5、将部件级设计、仿真与控制系统的设计、仿真分析、半实物仿真、试验、数字化工厂相结合，深入验证上下游业务流程之间的相互影响，进一步提高产品性能与可靠性。6、确保项目相关的设计、分析、试验人员和主管领导具备不同的软件操作与数据访问权限，明确项目成员的相互认知，从而实现高效协同。项项目目经经验验与与所所取取得得的的成成果果所所采采用用的的工工具具与与软软件件对某型汽车用涡轮增压器进行了仿真分析，并对涡轮和压气机进行了结 构 优 化 ， 使 涡 轮 效 率 增 加 了 3.2% ， 压 气 机 效 率 增 加 2.8% 。对某型船用大小增压器相继增压 V 型柴油机的性
41、能及其控制系统进行了相关研究，建立大小增压器相继增压柴油机仿真计算模型并对系统涡前排气管进行模拟计算。对某型柴油机相继增压技术进行了研究，建立了相应的仿真模型，在负荷特性以及限制特性的基础上绘制了柴油机处于不同工作状态下的万有特性曲线。Matlab/SimulinkGT-PowerCFturboPumpLinx曾先后为一汽、长安汽车、江铃汽车、70所、201所等主机厂商、研究所做了增压器及系统相关的产品设计和计算仿真服务，计算结果得到客户认可，许多仿真技巧已经被客户写进相应的仿真流程，且一直保持长期的合作关系。CFturboPumpLinx曾先后与玉柴、70所、天津大学内燃机重点实验室、海马汽
42、车、长安汽车、长城汽车等合作，研究发动机增压系统的效率和压比，并根据设计优化要求对增压系统进行优化，提高增压系统的增压比和效率，并最终满足设计以及节能减排的要求。Flowmaster1.采用扫气模型指数k=3的组合扫气模型可以反映船用二冲程柴油机的扫气过程，扫气量既能满足柴油机做功，热负荷不至于过大，同时又能满足最高燃烧压力要求。各计算参数误差基本的在5%以内。2.柴油机负荷增加和减小时鼓风机的切换负荷不一致。当柴油机负荷增加时，在41%负荷时关闭鼓风机；当柴油机负荷减小时，在35%负荷时打开鼓风机。负荷增加和减小时的不同切换点避免了鼓风机在同一个切换点频繁开关，造成鼓风机损坏。试验+一维仿真
43、软件：GT-Power曾先后为一汽、长安汽车、江铃汽车、70所、201所等主机厂商、研究所做了增压器及系统相关的关键产品设计和计算仿真服务，计算结果如压比曲线，效率曲线等与试验高度吻合，许多仿真技巧已经被客户写进相应的仿真流程，作为客户研发设计的必要研究流程，目前一直保持长期的合作关系。CFturboPumpLinx具备发动机性能仿真的能力和经验FlowmasterGT SuiteAVL Boost具备燃油喷射系统建模及分析的能力和经验，具备Flowmaster与Matlab耦合接口的能力FlowmasterMatlab/Simulink与广西玉柴发动机合作实施发动机燃料供给系统、冷却系统及润
44、滑系统的仿真及优化，成功优化了发动机各个系统。与河南重柴合作实施发动机燃料供给系统的仿真及优化，通过对燃油输出时间和输出量的预测和系统性的匹配性研究，最终优化了燃料供给系统性能。Flowmaster与中船重工下属单位合作燃油喷射系统以及燃油泵和燃料喷射阀的仿真、验证以及优化项目，通过对燃油泵和燃料喷射阀进行三维分析，验证并优化了燃油泵和燃料喷射阀的性能，并对其压力脉动和噪声进行了细致研究，并最终获得理想结果。在燃油泵和燃料喷射阀得到优化的基础上对燃油喷射系统进行了数值仿真和优化，最终圆满完成了燃油喷射系统的设计工作。PumpLinx曾与某发动机企业合作进行液压系统零部件的设计及分析项目，采用三
45、维CFD分析方法对喷油器进行数值仿真，考虑三种不同形式的喷油器与电磁阀的联合作用，预测喷油器在不同高压条件下的喷油量，最终选定最优方案。将最优方案的流场结果输出，并加载结构软件实施流固耦合分析，预测喷油器零部件在高压载荷下的变形及应力分布，并针对分析结果给出了优化建议。PumplinxNastran通过设计一套以PLC为控制器的监测系统，基本完成了安全监测系统的要求。电子控制软件部分的算法和控制策略是双燃料发动机正常运行的核心1、传感器：转速传感器、温度传感器、压力变送器、气体探测器、烟雾报警器、电流感应开关和按钮开关 2、执行机构：电磁阀、警铃、指示灯和高频电磁阀 3、可编程控制器（ PLC
46、 ） 4 、 人 机 界 面具备液压系统建模仿真分析能力和经验。FlowmasterAMESim曾与某主机厂合作，针对某车用发动机可变气阀正时的控制技术进行研究，采用工程数值软件对发动机进行仿真，并以试验数据提前判定可靠性，误差在5%以内。在此基础上对原有的可变气阀正时的控制技术进行优化，优化后发动机可变配气相位技术在中低速段上的性能有较大提升，在高速段上有小幅提升，最大扭矩值在原有值上提高了近9%个点。PumpLinxGT-Power1、热力参数分析法相对只适合简单的机械设备故障判断。对于柴油机管理者而言，由于这种标准值是确定不变的，而柴油机在实际的工作过程中，尤其是在船舶实际应用中，其受到
47、恶劣工况的影响，并不一定能够完全准确的反应柴油机的工作状态，还需要借助其它的监测诊断 方 法 予 以 辅 助 监 测 诊 断 ， 进 一 步 增 加 诊 断 结 果 的 可 信 性 。2、柴油机瞬时转速主要受气体压力和往复惯性力的影响，气体压力的波动直接体现在瞬时转速的波动中。其波动情况能够反映气缸内燃烧情况。并且瞬时转速传感器在价格、寿命，安装等方面的优势，使得瞬时转速法更具实用性。3、动监测法在动力设备监测诊断中得到广泛应用，但反映故障特征的敏感测点难以选取，并且对于复杂设备，振动源多，信号间存在干扰等原因，需要借助复杂的信号分析处理方法，以满足实际工程的应用。1 、 热 力 参 数 检
48、测 法 ：LabVIEW平台+自带的常规热力参数监测系统。2、振动监测法：振动信号检测仪。3、瞬时转速监测法：状态检测仪（光电解码器、磁电解码器）与兵器某所合作完成摩擦副动力学性能分析项目AdamsPumpLinx对某型低速船用柴油机新型电控气缸注油润滑系统进行了设计，通过实验结果表明系统的注油压力可达2MPa，注油定时控制精度为0.1 ms，注油持续时间为20 ms。对某型车用发动机活塞环组对润滑油消耗的机理进行了分析，包含发动机的技术运行条件、润滑油品质、活塞环与缸套的配合间隙、气门杆与气门导管的间隙等，其中活塞、活塞环、缸套与发动机的润滑油消耗的关系尤为密切。Ansys FluentAb
49、aqusMpCCI具备润滑系统仿真分析能力和经验，并且与多个船舶研究所完成过类似的柴油机润滑系统分析项目。Flowmaster具备尾气能量回收利用仿真能力和经验，并且已完成多项两相流和燃气轮机项目。Flowmaster具备各类部件级疲劳分析项目经验。NastranFatigue运用机械产品动态设计的理论和方法，研究柴油机机体在燃烧和机械联合激励下的振动响应，探讨一种求解复杂机构在多激励源联合激励下的振动响应的有限元求解方法，在设计阶段对柴油机振动进行预测与 控 制 ， 以 指 导 基 于 振 动 控 制 的 柴 油 机 结 构 设 计 。实验与计算结果相吻合，表明采用有限元方法来预测柴油机的振
50、动响应是可行的。对机体结构提出了改进方案，仿真计算结果表明，改进后的机体振动，特别是机体裙部的振动状况得到了较为明显的改善。PatranNastranAdamsActran通过谐响应分析得到了机体在固有频率激振下的共振情况，验证了机体的模态振型，得到机体在机体在强迫振动下的稳态响应；通过对机体的瞬态动力学分析，模拟侧压力加载于时变的套筒曲面上，求解机体动态响应，得到机体和套筒在计算周期内的应力云图，找到应力较大的区域，提取了几个关键点的振动位移和加速度的时域图，并在最后比较了时变侧压力加载与非时变侧压力加载下的振动曲线，发现前者要比后者大出许多。NastranAdams柴油机、中间轴承座和尾轴
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