柴油机研制技术服务与产品方案一览表-2016.xlsx
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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
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