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大功率柴油机燃烧过程参数化分析及系统参数优化匹配研究

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大功率柴油机燃烧过程参数化分析及系统参数优化匹配研究

作者：牛有城北京交通大学

学位级别：硕士

柴油机燃烧过程受油、气、室系统多参数的制约和影响。应用CFD技术对多参数进行优化匹配可以大幅降低成本,缩短研发周期,但关键问题是要确保仿真的置信度。为此,本文对喷雾过程进行了V&V验证。在此基础上,以某型大功率直喷式柴油机为平... 详细信息

柴油机燃烧过程受油、气、室系统多参数的制约和影响。应用CFD技术对多参数进行优化匹配可以大幅降低成本,缩短研发周期,但关键问题是要确保仿真的置信度。为此,本文对喷雾过程进行了V&V验证。在此基础上,以某型大功率直喷式柴油机为平台进行了多维仿真,试图参数化分析燃烧系统设计单参数及两参数匹配对混合气形成及燃烧过程的影响。同时,引入优化理论对燃烧系统多参数进行优化匹配,并对优化结果进行分析,取得了较好的效果。首先,本文进行了喷雾过程的V&V验证,获得了最佳的网格尺寸大小,时间步长等。在此基础上,建立了某型大功率直喷式柴油机的计算网格,对喷雾和燃烧模型参数灵敏度进行了仿真分析,取得了与发动机运行情况较吻合的多维仿真结果。同时,对该柴油机缸内燃烧过程的不足进行了深入分析。其次,在定性研究涡流比、喷孔数(孔径)、喷油压力、油束夹角和燃烧室口径比等燃烧系统设计参数对缸内工作过程影响的基础上,构建了表征油气混合及燃烧过程的特征参数,包括湍流混合强度、混合气浓度方差、各当量比区间对燃烧的贡献率及燃烧平均化学反应速率等。研究了设计参数对特征参数的影响规律,揭示了设计参数对燃烧性能影响的作用机制。另一方面,由于燃烧系统设计参数对燃烧过程的影响并不是孤立的,参数间往往存在着耦合作用,本文通过大量的仿真计算,获得了以动力性为优化目标时6对设计参数之间的匹配结果。并通过研究两参数匹配对特征参数的影响规律,实现了对两参数匹配机制的分析。最后,引入正交设计法和遗传算法分别对燃烧系统多参数进行了优化匹配。正交设计优化获得了各因素及其交互作用对柴油机动力性的影响权重大小,并通过不同分析方法获得了以动力性为优化目标时的燃烧系统参数优化组合。在此基础上,进一步开展了遗传算法全局优化,获得了性能更优的参数组合,并基于特征参数对两种优化结果与原型机进行了对比分析。

关键词：大功率柴油机燃烧过程多维仿真参数化分析参数优化匹配

大功率柴油机主轴承弹性流体动压润滑特性研究

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大功率柴油机主轴承弹性流体动压润滑特性研究

作者：李涵中北大学

学位级别：硕士

主轴承是柴油机中重要的摩擦副之一。随着柴油机的飞速发展,高转速,大功率,高密度,低耗能成为其重要的发展方向,这就对柴油机关键运动副主轴承提出了更高的要求。主轴承的润滑性能和工作状况直接影响了整机的耐久性和效率。高爆发、高... 详细信息

主轴承是柴油机中重要的摩擦副之一。随着柴油机的飞速发展,高转速,大功率,高密度,低耗能成为其重要的发展方向,这就对柴油机关键运动副主轴承提出了更高的要求。主轴承的润滑性能和工作状况直接影响了整机的耐久性和效率。高爆发、高转速使得主轴承需要承受更大的交变载荷,工作情况更加苛刻,因此考虑多种实际因素,分析功率提升下柴油机主轴承的润滑性能对柴油机优化设计具有重要意义。本文以V12大功率柴油机作为研究对象,基于弹性流体动压润滑理论、有限元理论以及非线性多体动力学理论,在EXCITE Power Unite中建立了该柴油机主轴承的弹性流体动压润滑仿真模型(EHD2);分析了标定转速下该柴油机主轴承的润滑性能,其中润滑性能主要有轴承的最小油膜厚度、峰值油膜压力、粗糙摩擦损失功率、液动摩擦损失功率和摩擦损失总功等;选取第六主轴承进行了润滑性能影响因素分析,根据分析结果,提出了相应的改进方案,为大功率柴油机的设计提供指导。研究结果表明:1、各个主轴承的最小油膜厚度均大于最低许用值1μm,满足要求,但第六和第七主轴承的最小油膜厚度偏低;第一到第六主轴承的峰值油膜压力均小于最高许用值150MPa,满足要求,但第七主轴承由于受到飞轮的影响,轴颈倾斜较为严重,峰值油膜压力较高,超过了最高许用值150MPa;结合主轴承2D云图发现各个主轴颈均有不同程度的倾斜,轴承下瓦和轴承两端处油膜压力偏高油膜厚度偏低。2、轴承间隙、润滑油的粘度、油槽参数、轴承表面形貌、轴瓦形状误差、轴承宽度、轴颈直径以及曲轴的平衡对主轴承润滑性能影响较大,供油压力和油孔参数对主轴承的润滑性能影响相对较小,分析结果可为提高主轴承润滑性能提供参考依据。3、对V12大功率柴油机进行结构参数改进设计,主要包括主轴承参数和曲轴参数,改进后所有主轴承的最小油膜厚度增加;所有主轴承的峰值油膜压力均小于150MPa,尤其第七主轴承峰值油膜压力降低明显;所有主轴承的摩擦损失总功降低。

关键词：大功率柴油机主轴承弹性流体动压润滑多体动力学有限元

大功率柴油机曲轴平衡重对主轴承润滑与振动特性的影响研究

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大功率柴油机曲轴平衡重对主轴承润滑与振动特性的影响研究

作者：章朝栋中北大学

学位级别：硕士

随着大功率柴油机向高转速、高爆压、轻量化、低能耗方向发展,柴油机在不断强化过程中,气缸压力和惯性力等冲击载荷进一步加剧,曲轴不平衡将引起轴颈弯曲或倾斜,进而导致曲轴轴承润滑和振动特性的恶化。本文通过基础理论分析、仿真计算... 详细信息

随着大功率柴油机向高转速、高爆压、轻量化、低能耗方向发展,柴油机在不断强化过程中,气缸压力和惯性力等冲击载荷进一步加剧,曲轴不平衡将引起轴颈弯曲或倾斜,进而导致曲轴轴承润滑和振动特性的恶化。本文通过基础理论分析、仿真计算、优化分析等手段,以12V150大功率柴油机为研究对象,建立了曲轴轴承系统动力学与摩擦学模型,分析了曲轴平衡重对主轴承润滑和振动特性的影响。在曲轴轴承系统运动学和动力学的基础上,分析了柴油机的内外平衡性,发现12V150柴油机旋转惯性力和往复惯性力及力矩达到完全外部平衡。为克服12V刚性曲轴完全外平衡仍存在高转速引起振动加剧及润滑恶劣的不足,提出高速柴油机柔性曲轴平衡重配置方法,建立了六平衡重、八平衡重、十二平衡重的曲轴动力学模型,分析了欠平衡、临界平衡、50%过平衡和100%过平衡四种平衡状态下的曲轴各主轴承载荷,确定合适曲轴平衡重配置方案。综合对比各主轴承最大和平均主轴承载荷,发现十二平衡重布置的曲轴优于六平衡重和八平衡重,为曲轴平衡重的配置提供了参考。采用十二平衡重配置方案,研究了柔性曲轴平衡率对轴承润滑特性、振动特性的影响。现有文献针对轴承润滑和曲轴振动特性的影响分析集中于轴承宽度、轴承间隙、润滑油粘度等因素,论文综合考虑柴油机系统动力学、运动件弹性振动和动力润滑特性,分析了不同平衡率对轴承润滑与曲轴振动的影响,结果表明曲轴平衡率对润滑和振动特性影响显著,不能忽略。针对平衡率在内的十个影响因子,采用分辨率为Ⅳ的2析因试验、因子效应图、统计量分析、残差概率图等方法,筛选并验证了对曲轴润滑特性影响显著的因子为平衡率、轴承宽度、轴承间隙、轴瓦修型和机油粘度。同时建立了五个因子的正交试验,通过极差分析方法确定了平衡率对轴承润滑和曲轴振动特性的影响权重,结果表明平衡率对最小油膜厚度、峰值粗糙接触压力、平均摩擦损失总功、轴向振动和扭转振动的影响权重最大,而平衡率对最大油膜压力的影响权重仅次于轴瓦修型和轴承宽度,对弯曲振动的影响权重仅次于轴承间隙。利用正交试验数据作为样本,建立了五个设计变量与平均摩擦损失总功和自由端扭转振动之间的改进神经网络非线性关系。通过仿真值与预测值的对比发现了所建立的遗传算法优化神经网络模型有较高的预测精度。并将此非线性关系作为适应度函数,采用NSGA-Ⅱ遗传算法对模型多目标优化,得到了Pareto最优解集。将原始参数与优化参数进行对比分析,发现了优化后的曲轴主轴承润滑和振动特性有了明显的改善。研究结果对大功率柴油机强化过程中的平衡重设计具有重要的理论意义及工程使用价值。

关键词：大功率柴油机曲轴平衡重弹性流体动力润滑三维振动多目标优化

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大功率柴油机SCR系统仿真分析与试验研究

大功率柴油机SCR系统仿真分析与试验研究

作者：赵英良青岛大学

学位级别：硕士

氮氧化物作为一种柴油机有害排放物,对大气环境、人类健康具有巨大危害。随着国家环境法规升级,对柴油机NO排放限值要求越来越严格。SCR技术作为一种能有效处理NO的技术越来越受到社会关注。本文针对适用某型大功率发电用柴油机的SCR催... 详细信息

氮氧化物作为一种柴油机有害排放物,对大气环境、人类健康具有巨大危害。随着国家环境法规升级,对柴油机NO排放限值要求越来越严格。SCR技术作为一种能有效处理NO的技术越来越受到社会关注。本文针对适用某型大功率发电用柴油机的SCR催化器进行建模仿真,设计了匹配大功率柴油机SCR催化器的三种尿素混合管方案,三种方案设计分别是:空管结构、后置混合器结构、前/后混合器结构。设计了三种尿素喷雾锥角与混合管方案进行耦合,三种喷雾锥角分别是50°、60°、70°。在研究混合管、喷雾锥角对SCR系统的影响之前,简要分析影响SCR性能的各种因素,据此提出评价SCR性能的指标:分布均匀性、背压、结晶风险、NO转化效率、NH泄漏等。本文选取Star-CCM+软件作为仿真工具,首先依据试验条件和实际工况,选择合理的物理数值模型,并设置合适的边界参数,最后进行CFD仿真计算。仿真分析了三种混合管方案分别对SCR系统分布均匀性、背压、结晶风险的影响,结果表明前/后混合器结构中前置混合器可以产生旋流,促进尿素液滴与排气充分混合,NH分布均匀性能够达到0.95,相比后置混合器结构NH分布均匀性提高了约4.0%,背压增高0.33kPa;相比空管结构NH分布均匀性提高了6.7%,背压增高了0.77 kPa。三种混合管方案的速度分布均匀性相差不大。前/后混合器结构并不会影响混合管内壁液膜分布,但是因为旋流的影响,促进尿素水溶液的蒸发分解,降低后置混合器表面的液膜分布。耦合分析了混合管和尿素喷雾锥角,发现50°尿素喷雾锥角SCR系统尿素分解程度低于60°、70°尿素分解程度,50°、60°喷雾锥角SCR系统混合管内壁上液膜分布低于70°液膜分布。按照排放法规要求,结合实际试验条件分别制定了排放测试循环试验方案和尿素结晶试验方案,并进行试验研究。试验结果表明,前/后混合器结构SCR系统NO比排放为1.14 g·(kW·h),相比后置混合器结构NO转化效率提高约6.2%,通过标定优化使NO比排放降低到0.47 g·(kW·h);60°喷雾锥角可以降低SCR系统尿素结晶可能性,在低温工况点相比70°喷雾锥角发生结晶的工况点数量少,能够适用更高排放限值且不发生尿素结晶。

关键词：大功率柴油机 Urea-SCR CFD 混合器喷雾锥角

船用高速大功率柴油机运行可靠性与再设计技术

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内燃机学报 2008年第S1期26卷 40-46页

作者：欧阳光耀海军工程大学船舶与动力学院湖北武汉430033

针对高速大功率船用柴油机在运行过程中出现的连杆断裂、轴瓦异常磨损等问题,提出了二次模型的分析方法,即以整体计算的结果作为边界条件,对局部模型再进行有限元分析。结果表明,二次模型分析方法适合于分析具有大型复杂结构、复杂边界... 详细信息

针对高速大功率船用柴油机在运行过程中出现的连杆断裂、轴瓦异常磨损等问题,提出了二次模型的分析方法,即以整体计算的结果作为边界条件,对局部模型再进行有限元分析。结果表明,二次模型分析方法适合于分析具有大型复杂结构、复杂边界条件的力学分析,能准确反映模型局部的细微特征。实船运行验证了方法的有效性,为高速大功率柴油机运行可靠性及再设计提供了有益的思路。

关键词：大功率柴油机结构设计有限元二次模型

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大功率柴油机颗粒捕集器数值模拟研究

大功率柴油机颗粒捕集器数值模拟研究

作者：林凌锋大连理工大学

学位级别：硕士

随着日益严格的排放法规的实施,柴油发动机尾气中的颗粒净化问题越来越受到重视。颗粒捕集器(DPF:Diesel Particulate Filter)凭借其高效的捕集效率,在车用柴油机上得到了广泛使用。DPF在工作过程中,如果流场分布不均匀,会导致捕集器内... 详细信息

随着日益严格的排放法规的实施,柴油发动机尾气中的颗粒净化问题越来越受到重视。颗粒捕集器(DPF:Diesel Particulate Filter)凭借其高效的捕集效率,在车用柴油机上得到了广泛使用。DPF在工作过程中,如果流场分布不均匀,会导致捕集器内的微粒分布不均匀从而降低捕集效率;同时微粒不断的积累在捕集器孔道内,如果不及时清理掉,会导致排气背压升高,柴油机的燃油经济性降低和输出功率减小。所以,研究颗粒捕集器内部的流场分布情况以及再生过程尤为重要。目前,车用柴油机上已经基本普及颗粒捕集器,但是对于大功率的船用柴油机,对颗粒后处理技术的研究较少。本文依托工信部、财政部高技术船舶科研项目“船舶柴油机颗粒物排放控制先期研究”,以潍柴WP12大功率发动机为样机,开发了一套大尺寸的颗粒捕集器。通过三维建模软件ProE对颗粒捕集器建模,并用网格划分软件ICEM对DPF三维模型网格划分,生成六面体网格,最后利用计算流体软件Fluent对模型进行边界设置和求解计算。本文在计算过程中,引入均匀指数来分析流场分布情况。通过模拟分析排气管入口速度、入口扩张管道锥角、载体管道直径与入口管道直径比、载体长径比和前置氧化催化器DOC对速度和压力分布的影响。结果表明：入口排气速度越大,载体区域的压降越大,但是载体入口端面速度和压力均匀指数几乎不随入口速度变化;载体管道直径与入口管道直径比越小,流动均匀性越好;载体长径比为1.1时,流动均匀性最好;前置DOC对流动起到弥散作用,速度均匀指数由0.855提高到0.934。本文还利用AVL Fire ESE Aftertreatment模块对颗粒捕集器的压降特性和再生特性进行分析。结果表明：捕集器的压降主要由入口压降、进气孔道压降、碳烟滤饼层压降、壁面压降、出气孔道压降和出口压降组成,洁净壁面时,DPF压降主要由壁面压降组成,所占比例达到64.4%,随着碳烟的不断累积,滤饼层压降逐渐增大,300s时,所占比例高达82.6%,占据主导地位。壁厚越大,颗粒捕集器的压降也越大;孔道目数越小,颗粒捕集器内的总压降越大;初始碳载量越大,颗粒捕集器的压降也越大。颗粒捕集器再生时,从入口端开始沿着轴向向孔道末端缓慢再生,再生过程中,孔道末端碳烟密度仍会持续增加。入口温度越高,越有利于碳烟的再生,最佳入口温度应该为850-900K左右;尾气中颗粒浓度越大,颗粒捕集器内部堆积的颗粒质量越多,捕集器压降越大,再生时所需要的时间也越多,捕集器处于高温的时间越长,会加剧捕集器的热损坏。

关键词：大功率柴油机颗粒捕集器流动均匀指数压降分析再生特性

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高强化大功率柴油机冷却系水流分布研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2001年第8期29卷 77-80页

作者：屈盛官黄荣华孙自树华中科技大学能源与动力工程学院山西车用发动机研究所

通过对高强化大功率柴油机冷却系统的分析 ,研制了高强化大功率柴油机冷却系水流分布试验装置 ,采用流量测量法测定了水泵在不同转速下通过左、右缸排及各缸的冷却水流量与阻力 ,同时对不合理的水道给予了改进设计 .试验结果表明改进后... 详细信息

通过对高强化大功率柴油机冷却系统的分析 ,研制了高强化大功率柴油机冷却系水流分布试验装置 ,采用流量测量法测定了水泵在不同转速下通过左、右缸排及各缸的冷却水流量与阻力 ,同时对不合理的水道给予了改进设计 .试验结果表明改进后的冷却系左、右缸排及各缸冷却水流量与阻力分布均匀、合理 ,从而使改进前的整机各缸冷热不均得到较大改善。

关键词：大功率柴油机水流分布流量阻力可靠性冷却系统流量测量

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中速大功率柴油机球铁曲轴的研究

铁道机车车辆 2010年第1期30卷 41-47页

作者：牟恕宽孙永才孙喜运梁圣童中国北车集团大连机车车辆有限公司企业技术中心辽宁大连116022 中国北车股份有限公司北京100078

较详细地介绍了3680kW(5000马力)16V240ZJE型柴油机球铁曲轴的由来和发展,具体结构设计和主要技术性能参数及有关计算分析,曲轴实物的试验、台架试验和实际运用情况,以及与国内外同类柴油机曲轴技术水平对比,从中可以看出该球铁曲轴完... 详细信息

较详细地介绍了3680kW(5000马力)16V240ZJE型柴油机球铁曲轴的由来和发展,具体结构设计和主要技术性能参数及有关计算分析,曲轴实物的试验、台架试验和实际运用情况,以及与国内外同类柴油机曲轴技术水平对比,从中可以看出该球铁曲轴完全具有自主知识产权,是具有中国特色的豪诺技术产品,达到了国际先进水平,其中某些重要特性指标处于世界领先地位。

关键词：球铁曲轴锻钢曲轴中速大功率柴油机 16V240ZJE

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基于工况协同的大功率柴油机循环性能优化

舰船科学技术 2024年第7期46卷 106-111页

作者：张英黄文庆魏立江中海油能源发展股份有限公司天津300452 上海海事大学商船学院上海201306

建立某型大功率柴油机的三维仿真模型并进行实验验证,基于验证模型的仿真结果对该型大功率柴油机循环工况的整体性能进行优化,在优化过程中提出“正向工况”和“协同工况”的概念和确定方法。结果表明,在仅对喷油角度进行调整的情况下,... 详细信息

建立某型大功率柴油机的三维仿真模型并进行实验验证,基于验证模型的仿真结果对该型大功率柴油机循环工况的整体性能进行优化,在优化过程中提出“正向工况”和“协同工况”的概念和确定方法。结果表明,在仅对喷油角度进行调整的情况下,通过“正向工况”和“协同工况”间多工况的协同匹配,在保持循环比油耗基本不变时,循环NOx排放相比原机降低了6.43%;在保持循环NOx排放基本不变时,循环比油耗相比原机降低了1.53%,降幅达到3.18 g/(kW·h)。本研究提出的优化方法和过程对大功率柴油机循环工况或多工况整体性能的优化具有指导意义。

关键词：大功率柴油机循环工况性能优化多工况协同