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原文传递船用二冲程柴油机废气再循环系统匹配与性能优化研究

论文题名：	船用二冲程柴油机废气再循环系统匹配与性能优化研究
关键词：	船用二冲程柴油机;废气再循环;并联涡轮增压器;性能优化;数值仿真
摘要：	废气再循环技术已被证明可以有效减少船用柴油机的氮氧化物排放。但考虑到柴油机及其子系统运行要求的矛盾，柴油机与涡轮增压系统的匹配出现了一些挑战。对于采用两个以上并联涡轮增压器的大型船用低速二冲程柴油机，在使用废气再循环技术时，涉及到包括并联涡轮增压器和废气再循环系统以及切断和旁路支路的复杂柴油机配置，此类挑战变得更加突出。另外，废气再循环系统的使用会显著增加柴油机燃油消耗，由此影响航运业务的碳足迹。对配备两个并联涡轮增压器和废气再循环系统的大型船用二冲程柴油机进行匹配和性能优化研究，以期望提出柴油机与涡轮增压系统的匹配建议，并探索在符合氮氧化物排放标准以及满足对涡轮增压器运行施加的约束的同时，降低柴油机燃油消耗的优化方法。相关研究成果将对应用废气再循环技术的船用柴油机在涡轮增压系统匹配、参数优化、运行管理、控制策略设计等方面工作具有一定的指导意义。　　采用GT-SUITE软件分别建立了安装废气旁通匹配（EGR-BP）和涡轮增压器切断匹配（EGR-TC）的废气再循环系统的7G80ME船用二冲程柴油机的零/一维稳态仿真模型。利用柴油机台架试验数据对仿真模型进行了校准和验证，结果表明预测数据和实测数据之间的百分比误差为小于3%。针对20%?40%的废气再循环率和柴油机的4个典型负荷，利用稳态模型仿真研究了具有四种容量比的涡轮增压系统配置的研究案例。通过分析仿真结果，揭示了柴油机性能和排放参数与涡轮增压系统配型的相互关系。提出了废气再循环系统鼓风机转速控制、废气旁通控制和气缸旁通控制三种调制方案并进行了性能改善评估，以解决涡轮增压器高负荷下超速和柴油机低负荷下部件流量不匹配的问题。研究结果表明，当大涡轮增压器与小涡轮增压器的容量比为70:30时，TierⅢ模式下柴油机加权平均油耗相对于TierⅡ模式仅升高了2.6%，在所有研究案例中油耗最低。废气再循环系统鼓风机转速控制措施可以使柴油机以较低的附加油耗运行，并有效避免高负荷下涡轮增压器超速，而气缸旁通控制适用于低负荷下改善涡轮增压器运行工况。基于对柴油机各部件的运行参数和相互作用的剖析，提出了EGR-TC发动机与涡轮增压系统的匹配程序。　　基于零/一维柴油机稳态仿真模型，考虑0?40%的废气再循环率和0?50%的气缸旁通率，针对废气再循环系统激活和停用两种情况下的柴油机运行工况进行了数值仿真和性能优化研究。仿真结果表明，为了使EGR-BP和EGR-TC两种柴油机配置都符合国际海事组织TierⅢ氮氧化物排放标准，高于30%的废气再循环率是必要的。EGR-BP发动机具有明确的油耗和氮氧化物权衡关系，而过高的废气再循环率会导致其油耗明显增加和涡轮增压器工况恶化。研究了气缸旁通措施对此问题的改善效果，并给出了优化的废气再循环率和气缸旁通率。对于EGR-TC发动机，分别对TierⅡ和TierⅢ运行模式进行了优化，给出了使柴油机油耗最低的优化方案；优化的TierⅡ模式使25%和50%负荷的柴油机油耗分别降低了2.9g/kWh和0.7g/kWh；优化的TierⅢ模式使25%和50%负荷的柴油机油耗分别降低了2.1g/kWh和1.7g/kWh，同时均衡了高/中/低负荷下大/小涡轮增压器的容量比，使其配型更容易。在对两种废气再循环系统进行综合对比评估之后，提出了推荐的柴油机废气再循环系统配置方案。　　为了深入理解和改善EGR-TC发动机的动态响应性能，采用MATLAB/SIMULINK软件建立柴油机和废气再循环系统的控制系统模型，并对已建立的EGR-TC发动机稳态仿真模型进行升级，通过将两者耦合构建了柴油机全工况动态仿真模型。利用7G80ME柴油机台架试验数据和相近机型的试验数据分别对柴油机动态耦合模型进行稳态和动态仿真校验。以此为基础，对TierⅡ模式向TierⅢ模式转换过程、TierⅢ模式向TierⅡ模式转换过程、以及TierⅡ和TierⅢ模式下柴油机加/减速过程进行动态仿真研究，量化分析和评估了EGR-TC发动机的瞬态响应性能和潜在的风险，并提出了相应的控制策略。仿真结果表明废气再循环支路和小涡轮增压器的切断和投入都会对柴油机和大涡轮增压器运行造成明显的冲击。TierⅢ模式下废气再循环支路切断和TierⅡ模式下小涡轮增压器切断会导致柴油机油耗和排温瞬间升高至某一峰值。此外，柴油机在高负荷运行时，上述操作会导致过高的排温和爆压。研究结果表明在上述操作过程中设定50%负荷为上限允许负荷可将排温和爆压控制在安全范围内。除此以外，延长废气再循环系统鼓风机和小涡轮增压器投入和切除过程的时间，可以有效减轻相关操作对柴油机和大涡轮增压器运行的冲击。
作者：	鲁道毅
专业：	轮机工程
导师：	张均东
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022