柴油机性能

柴油机性能2020/2/2612020/2/262一、柴油机性能发展回顾及现状二、柴油机性能主要研究内容三、性能研究主要方法、手段及流程四、提高、改善性能的部分方法措施主要内容一、柴油机性能发展回顾及现状2020/2/2631.性能发展史简要回顾2020/2/264柴油机发展史上的里程碑事件1893年，德国人狄赛尔发明首台煤粉驱动的柴油机（压燃式）。1927年，德国Bosch公司推出首批成熟的柴油喷油泵，使柴油机以前所未有的速度在车用、船用及工程机械领域获得广泛应用。1905年，瑞士工程师AJBuch首先提出废气涡轮增压概念，并于1911年在单缸机上试验成功。1.性能发展史简要回顾2020/2/265柴油机发展史上的里程碑事件1925年，MAN公司等将废气涡轮增压首次应用于船用柴油机，随后增压技术在船用机获得广泛应用。中冷器的出现即中冷增压技术，使柴油机功率、性能进一步提高。上世纪70－80年代，是柴油机增压技术跨越式蓬勃发展的年代，增压器的转换效率运行范围大幅提高，同时推出各类改善提高柴油机性能的特殊增压系统。1.性能发展史简要回顾2020/2/266上世纪70年代，电子计算机技术开始进入柴油机领域，主要体现在两个方面：1）伴随计算机技术的高速发展，对柴油机性能、工作过程与系统匹配的大型仿真计算分析程序的出现与发展。目前已从单一的性能仿真计算到虚拟设计与数字化样机。1.性能发展史简要回顾2020/2/2672）电子控制技术的应用，首先在燃油喷射系统的应用（历经三代发展）：-位置控制（电子调速器）-时间控制（电控泵喷嘴）-压力与时间的柔性控制（电控共轨系统）。在解决排放方面几乎起到不可取代的作用（欧3标准以上）。目前已发展为整机电子管理系统，并朝智能化方向发展。2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标2020/2/268低速机（二冲程）缸径：500－980mm转速：150－60r/min活塞平均速度：8.0m/s平均有效压力：1.7－1.8MPa气缸最大爆发压力：14－15.5MPa单缸功率：1200kW-6000kW燃油消耗率:170g/kWh2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标2020/2/269低速机（二冲程）代表机型主要集中在3家：德国的MAN-B&W公司的MC系列：K90MC，K80MC-C，L60MC，S60MC等芬兰的Wartsila－Sulzer的RTA系列：RTA96C，RT-flex60C日本的UE系列（少量）。2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标2020/2/2610中速机（四冲程）缸径：210－480mm转速：1150－500r/min活塞平均速度：9.0–12m/s平均有效压力：2.4－3.0MPa气缸最大爆发压力：16－23MPa单缸功率：200kW-1200kW燃油消耗率:175-195g/kWh2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标2020/2/2611中速机（四冲程）代表机型：MAN-B&W公司L21/31,L27/38,48/60B,RK280等CaterpillarAK系列：M25，M32，M43等Wartsila公司:W26，W32，W38,W46日本Niigada的V26FX，6L32FX,韩国的HUNDAIH21/32,H25/33法国Pielstick的PC2－5及PA6德国MTU20V8000等2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标2020/2/2612高速机（四冲程）缸径：160－210mm转速：2100－1650r/min活塞平均速度：11.5–13.3m/s平均有效压力：2.3－3.0MPa气缸最大爆发压力：17－20MPa单缸功率：120kW-250kW燃油消耗率:195-215g/kWh代表机型：MTU16V4000M90，MTU20V595TE90,MAN-B&W18VP185,DeutzTBD620V16,Wartsila16V170,20V200,Niigata16V20FX等。2.当前船用大中功率柴油机的主要性能指标2020/2/2613机型技术参数MTU20V956系列(02型)MTU16V*396SE8412VPA6-280TBD620V16缸径(mm)230165280170单缸功率(kW)195110295110转速(r/min)1500180010001500燃油消耗率(g/kW.h)230231210191平均有效压力Pe(MPa)1.681.61.981.99活塞平均速度Cm(m/s)11.511.19.679.75强化指标Pe·Cm19.3212.2119.1519.4我国已引进的几种典型舰船柴油机的主要技术参数我国船用机现状：低速机全部引进，高速机基本引进，自行开发部分中速机，强化指标与与油耗均与国外存在较大差距。3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势2020/2/2614单级高增压＋二级中冷+特殊可控增压系统目的：提高功率密度，改善低工况性能高效等压燃烧技术目的：控制气缸燃烧压力、提高燃烧效率、改善排放电控电喷技术（另有专题介绍）目的：柔性控制，全工况性能优化，降低排放3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势2020/2/2615高、低温水二级中冷淡水回路海水回路3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势2020/2/2616等压高效燃烧示意图3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势2020/2/2617气缸爆压的发展历程3.船用柴油机主要性能技术的发展趋势2020/2/2618燃油耗与Nox排放的发展历程2020/2/2619二、柴油机性能主要研究内容1.工作原理202020/2/26四冲程柴油机工作循环原理图1.工作原理212020/2/26二冲程柴油机工作循环原理图1.工作原理222020/2/26六缸增压四冲程柴油机工作循环原理图1.工作原理232020/2/26a)非增压四冲程换气部分示功图b)增压四冲程换气部分示功图2.性能分类242020/2/26经济性动力性低工况性能排放性能*可靠性*2.性能分类252020/2/26按使用特性:推进特性（船用主机，螺旋桨特性)负荷特性（发电机组，等转速特性）扭矩特性（车用机，外特性）3.主要性能参数及影响因素262020/2/26燃油消耗率be主要影响因素：燃油喷射规律，油、气、室匹配，压缩比，空燃比及机械效率等气缸爆压Pz主要影响因素：压缩比、供油提前角、进气压力、燃烧持续角等排气温度Tb主要影响因素：空燃比、供油提前角、燃烧持续期、扫气系数、压缩比等3.主要性能参数及影响因素272020/2/26排放性能如NOx排放，主要与气缸最高燃烧温度相关。烟度、颗粒或HC排放，主要与油气混合物浓度及分布、燃烧速率等相关。动力性与低工况性能：与增压系统、燃油系统、调速机构的选型有关。其中对增压柴油机而言，增压系统部件的选型设计对上述两项性能的影响较为重要。4.主要性能工作内容282020/2/26主要性能参数分析选取如燃油耗率、压缩比、增压比、供油提前角、燃烧持续期等（根据总体设计指标要求）。气缸工作过程及热力参数的计算分析主要参数包括气缸压力、温度、进排气压力、温度、充气效率、扫气系数、燃烧始点、持续期以及配气相位、凸轮型线等。示功图及燃烧放热规律分析4.主要性能工作内容292020/2/26增压系统选型设计分析增压系统型式、增压器、中冷器选型匹配计算，主要参数包括：增压器压比、流量、效率，中冷器进出口温度等。燃油系统选型设计分析循环供油量、喷射压力、持续期、燃油凸轮、喷油泵、嘴主要规格参数燃烧系统选型分析设计燃烧方式，燃烧室型线与喷油孔径、孔数、夹角、喷射率、进气涡流、气量等的匹配设计分析。4.主要性能工作内容302020/2/26喷油器与燃烧室的匹配4.主要性能工作内容312020/2/26油束喷雾与燃烧室的匹配4.主要性能工作内容322020/2/260246810121416024681012气缸容积，L气缸压力，MPa计算气缸压力单缸实测气缸压力整机实测气缸压力计算与实测示功图的比较4.主要性能工作内容332020/2/260200400600800100012001400350360370380390400410420430440450460470曲轴转角，℃A放热率，J/℃A实测气缸燃烧放热率曲线4.性能分析常用曲线图342020/2/26柴油机主要性能参数曲线主要包括：油耗、功率、排温、气缸爆压、增压压力等，综合性能曲线图。压气机特性图匹配运行线，以增压比、空气流量分别为在纵横坐标，分析柴油机与增压器的匹配情况万有特性或限制边界特性图分析该型柴油机的整体工作范围及各个工况下的主要性能，分别以功率、转速为纵横坐标，绘制等油耗、等扭矩（Pe）、等烟度曲线等，以及不同转速下的功率（扭矩）限制边界。4.性能分析常用曲线图352020/2/26柴油机综合性能曲线4.性能分析常用曲线图362020/2/26常规增压推进特性运行线is=0.760.800.00.250.50.751.01.251.51.75V/Vref200180160140120100806040200-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.51.0u2=552m/s486m/s416m/s34m/s-5.9-5.0TotalheadHis[kJ/kg]PressureratioHakelberg0.780=25oC0=25oCCube-lawpropellercurve,2TCCube-lawpropellercurve,2TCGCL-curve,2TCGCL-curve,2TCGCL-curve,3TCGCL-curve,3TCGCL-curve,4TCGCL-curve,4TCis=0.760.800.00.250.50.751.01.251.51.75V/Vref200180160140120100806040200-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.51.0u2=552m/s486m/s416m/s34m/s-5.9-5.0TotalheadHis[kJ/kg]PressureratioHakelberg0.780=25oC0=25oCCube-lawpropellercurve,2TCCube-lawpropellercurve,2TCGCL-curve,2TCGCL-curve,2TCGCL-curve,3TCGCL-curve,3TCGCL-curve,4TCGCL-curve,4TC相继增压推进特性运行线4.性能分析常用曲线图372020/2/26增压柴油机运行限制边界MTU20V8000工作范围及油耗性能2020/2/2638三、性能研究主要方法、手段及流程1.统计分析2020/2/2639内燃机性能设计与参数选择在相当程度上倚赖于实际经验与统计及试验数据的积累，特别在初步设计阶段。需对国内外同类或相似机型的相关设计数据进行统计、归类、比较。了解国内与性能相关的主要元器件所能达到的实际水平，及其与国外的差距。1.统计分析2020/2/2640通过调研、统计、分析－才能提出比较符合实际的初步性能设计方案。其中：性能指标：油耗、爆压、排温等；几何参数：压缩比、配气相位，凸轮型线，燃烧室型线等。1.统计分析2020/2/2641国外几种先进机型的配气正时机型增压方式进气开ºCA进气关ºCA排气开，ºCA排气关ºCADK20MPC50355550L16/24定压48.232.45346.8RK280MPC54425755MTU396MPC36687528MTU8000估计)MPC37607042MTU956脉冲37.260.866.737.2MANB&WT23脉冲50305050MANB&WL23定压542454541.统计分析2020/2/2642国外几种先进机型燃烧室特征参数机型开口形式口径比（d/D）深径比（H/D）中心相对深度(h/H）济柴190扩口12°0.