【船机帮】船用中速柴油机排气相位的优化研究

柴油机的工作循环由进气、压缩喷油、混合、燃烧、膨胀和排气等热力过程组成,与气流运动、涡轮增压、燃油喷雾、燃烧室、热量传递、工况等物理过程及化学过程有关,并且还直接影响到柴油机的功率大小油耗率高低、燃烧温度高低、排放特性及可靠耐久性能。

因此，国内外研究学者和生产厂家都对柴油机的工作循环过程进行了大量而卓有成效的研究。

目前对柴油机工作过程研究比较多的方法是数值模拟仿真法,它主要是通过一些软件对柴油机的各种性能指标进行模拟和仿真计算，并分析一些重要的参数对柴油机性能的影响，进而为柴油机的各种性能提高、优化整机和零部件设计方案以及产品的研发提供参考和依据。

本文采用AVL BOOST仿真软件，以6300型船用中速四冲程柴油机为实例，对其工作过程进行仿真和模拟计算分析,重点对排气正时(排气提前开启角和排气延迟关闭角)对柴油机性能的影响进行优化研究。

6300柴油机示意图

一、仿真模型的建立

6300型柴油机的类型为直列、排气涡轮增压、四冲程,工作行程为380mm,标定转速为500r/min,标定功率为550kW,燃油消耗率为217(g/kW.h),着火顺序为1-5-3-6-2-4应用AVL-BOOST软件建立的6300型柴油机仿真模型如图1所示。

其中,SB1和SB2是系统边界,TC1为排气涡轮增压器,C01为中冷器,PL1为进气总管，PL2和 PL3为两个排气歧管，9是压气机前 进气管，1是中冷器前进气管，8为中冷器后排气管，C1~C6为汽缸 ，2~7为汽缸进气管，10~15为汽缸排气管，MP1~MP11为定义的测量点。

二、排气正时的优化 

1、排气提前开启角对性能的影响

根据内燃机原理知识可知，选择和确定最佳的排气提前开启角必须综合考虑各种因素的影响，因此也存在一个最佳的数值。

根据图1的仿真模型，在柴油机的其他参数不变的前提下，改变排气提前开启角的大小，计算其对柴油机的输出功率、油耗率和燃烧温度的影响。

针对本文的6300型柴油机，所取的排气提前开启角是31°～47°CA，计算结果如图 2 所示。

图2 功率、有效油耗率和最高燃烧温度与排气提前开启角的关系曲线

由图2可知，随着排气提前开启角的增大，柴油机的输出功率增大，说明提高柴油机 的动力性能需要较大的排气提前开启角；

随着排气提前开启角的增大，柴油机的有效油耗率减小，说明提高柴油机的经济性能需要较大的排气提前开启角；

随着排气提前开启角的增大，柴油机的最高燃烧温度减小，说明降低柴油机的NOx排放需要较大的排气提前开启角 (因为最高燃烧温度是影响NOx生成的重要因素)。 

2、排气延迟关闭角对性能的影响

根据仿真模型，保持柴油机的其他参数不变，只改变排气延迟关闭角从12～28°CA计算其对柴油机功率、有效油耗率和最高燃烧温度的影响，如图 3所示。

图3 功率、有效油耗率和最高燃烧温度与排气延迟关闭角的关系曲线

三、结束语 

(1)本文以6300型船用中速柴油机为例，应用 AVL-BOOST软件建立了仿真模型。

(2)根据仿真模型计算分析了排气正时(排气提前开启角和排气延迟关闭角 )对6300型柴油机的输出功率、有效油耗率和最高燃烧温度的影响，并通过正交试验优化出了排气正时的最佳参数，为柴油机性能的进一步提高和优化设计指明了方向。

END