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原文传递船用中速柴油机高压共轨系统性能分析与配机技术研究

论文题名：	船用中速柴油机高压共轨系统性能分析与配机技术研究
关键词：	船舶中速柴油机;高压共轨系统;技术改造;燃油经济性;排放性能
摘要：	船用柴油机是船舶的动力心脏，占船舶动力系统市场份额的95%以上。日趋严格的排放法规对在役船用柴油机的排放性能和寿命周期提出了严峻的挑战，降低排放的同时具备良好的燃油经济性一直是柴油机技术发展的驱动力。我国政府已颁布了《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》（GB15097-2016），规定自2021年7月1日起实施。大部分内河船舶的发动机有相当高比例的低负荷运行工况，并且所配置的机械燃油系统无法适应工况变化的要求，导致在非设计工况点的排放性能和燃油经济性变差。针对上述问题，本文作者开展了适用于在役船舶的中速柴油机燃油系统改造、升级与配机技术研究。不改变原机燃烧室结构和进、排气系统，将原机的机械燃油喷射系统改造升级为高压共轨系统，实现柴油机全工况范围的高压燃油喷射的柔性控制，并试验对比改造前后的氮氧化物（NOx）排放和燃油经济性。优化在役船舶柴油机的整机性能，为NOx排放满足IMO TierⅡ标准或中国第一阶段标准的同时，降低全工况燃油消耗率。论文研究工作具有一定的理论意义和工程应用价值，论文的主要研究工作内容如下：　　（1）分析了目标船用中速柴油机高压共轨系统升级的设计和技术需求；对电控喷油器和高压油泵等关键执行部件进行了集成优化设计，在高压共轨系统性能试验平台上开展了高压密封与泄漏、功能完整性、液力波动特性和燃油喷射特性等系列试验研究；分析了高压油路中压力波的形成机理和影响因素，试验分析了共轨结构形式对燃油喷射一致性的影响。　　（2）采用DOE研究方法优化了高压共轨系统的液力网布局；分析了不同喷射次序和共轨管供油次序对高压共轨系统压力稳定和喷射一致性的影响。建立并试验验证了高压共轨系统多物理场仿真模型，采用Monte Carlo随机和MOGA-Ⅱ算法相结合的方法，分析了高压共轨系统液力特性和燃油喷射特性的影响因素，找到了影响高压共轨系统主要性能指标的关键结构参数和全局最优组合。　　（3）建立了原机的燃烧三维仿真模型并进行了试验验证；分析了高压燃油喷射对缸内混合气形成和燃烧过程的影响，揭示了高压燃油雾束与燃烧室内壁相互作用对缸内燃烧过程和整机排放性能的影响规律；预测分析了高压共轨电控柴油机不同工况的整机性能，研究了不同喷射参数组合对缸内燃烧过程、机械负荷、热负荷、燃油经济性和排放性能的影响；采用多目标优化算法针对燃油喷射提前角、燃油喷射实际脉宽以及燃油喷射量等参数进行了仿真试验，为高压共轨电控燃油喷射控制策略的开发提供了理论基础和数据支撑。　　（4）将高压共轨系统特性试验平台、虚拟发动机和电子控制系统进行集成，搭建了船用中速柴油机硬件在环仿真试验平台；建立了可对高压燃油喷射过程进行仿真计算的柴油机实时仿真模型，并通过共轨压力信号、喷油速率和喷射延迟试验数据，将燃油系统执行机构的运行状态与实时仿真模型的计算结果相关联；在硬件在环仿真平台验证了控制系统的软硬件功能及可靠性，虚拟标定和优化了高压共轨系统的燃油喷射控制策略。　　（5）在船用中速柴油机台架将原机的机械燃油系统改造升级为高压共轨系统，进行了高压共轨系统与柴油机的匹配试验，优化了整机全工况的燃油经济性和排放性能，在燃油经济模式下，NOx排放指标满足IMO TierⅡ排放法规限制，燃油经济性最大提升幅度达到11.95%，降低约32.8g/kWh；在排放控制模式下，进一步优化高压共轨系统喷射参数，使得NOx排放满足《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》（GB15097-2016）第一阶段排放法规要求，燃油经济性最大提升幅度达到9.58%，约26.32g/kWh。
作者：	胡颖
专业：	轮机工程
导师：	杨建国
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2020