高原动力性的柴油机仿真设计(附件)
在高原环境下由于气压较低、含氧量较少等环境因素，导致普通自吸柴油机进气不足、动力性下降。本文在自吸柴油机的基础上，分析了可调二级涡轮增压系统对自吸柴油机的影响以及匹配状态，匹配成功后利用仿真软件对新型涡轮增压柴油机进行输出功率以及扭矩测试，分析研究对柴油机动力性的影响。第一步先用GT-Power建立某型号柴油机的一维仿真模型，输入其基本参数，然后建立可调二级涡轮增压系统的模型，然后根据实际情况列出多种方案，根据实验数据分析该方案中柴油机与增压器的切合程度，如果切合程度不高，则需要改进方案，最终将的增压器匹配给该型柴油机，在不同海拔下新型涡轮增压柴油机能够有出色的动力输出表现，之前普通自吸柴油机出现的动力性下降以及温度过高等现象能够得到有效解决。最后对新型柴油机进行性能测试，在高原地区时其输出的最大扭矩与功率提高了20%与18%，效果明显。关键词 高原，柴油机，可调二级涡轮增压系统，匹配
目录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 高原环境对柴油机性能的影响 1
1.3 改善柴油机高原适应性的技术措施 2
1.4 可调二级涡轮增压 2
1.5 小结 3
第2章 柴油机可调二级增压系统的匹配及调节的研究现状 4
2.1 国内研究现状 4
2.2 国外研究现状 5
2.3 小结 5
第3章 柴油机性能仿真模型及高原可调二级增压匹配 6
3.1 涡轮增压器模型 6
3.2 柴油机性能仿真模型的建立与校验 7
3.2.1 柴油机性能仿真模型的建立 8
3.2.3 柴油机可调二级增压系统模型 10
3.3 柴油机高原可调二级增压系统匹配 11
3.3.1 匹配方案 11
3.3.2 高、低压级压气机初选 12
3.3.3 涡轮流通能力匹配 14
3.3.4 匹配结果及方案优选 17
3.4 可调二级增压柴油机的高原适应性 21
3.5 小结 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27
第1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
章 绪论
1.1 引言
众所周知，海拔越高，温度越低，气压越低，空气越稀薄，这对普通自吸柴油机的动力性影响很大。有各项实际数据表明普通柴油机在高原地区工作时，动力不足，百公里燃油消耗量增加，排放不佳，冷车启动困难，散热性能下降，平均故障率上升，饱受高原地区人民诟病。
中国是举世闻名的高原面积大的国家，高原面积有几百万平方千米，占我国总面积的很大比重。其中我国出名的青藏高原平均海拔有四千五百米，面积是235万平方千米；新藏路全长1400千米，海拔在四千二百米以上，海拔在四千米以上的路程是910千米，整条路最高点是海拔5433米，海拔欺负有三千米，可以说是举世闻名的最高、路况最复杂困难的公路。这些严峻的路况是对车辆柴油机高原动力性的巨大挑战。另外，这几年来国家为了打击高原地区的恐怖主义、不法分子，亦需要满足高原动力性的一大批军用车辆柴油机。
1.2 高原环境对柴油机性能的影响
放眼全球，许多发达国家都没有像中国一样这般辽阔的高原地形，对柴油机高原动力性的需求不太强烈，所以对高原柴油机的研究没有平原柴油机那么深刻，所投入的人力物力也十分有限，但是近年来随着国家经济的复苏，百废待兴，各种工程项目也被提上日程，并且处在高原环境中的人民也对满足高原动力性的柴油机有很大需求。
气压是柴油机动力性因素中的重中之重。在海拔较高的地方，海拔越高，大气的压力越低，空气含氧量下降的也十分厉害。在其他条件相同的情况下，柴油机每次进气的量是一定的，不过在高原地区，气压、空气密度的降低导致进入气缸的空气质量逐渐减小。进气质量减少会导致柴油机动力性发生很大程度的降低。
柴油机在海拔较高的地方工作时，吸入气缸的空气质量的减少，会使柴油气体燃烧不足，即有剩余混合气剩余。在3公里以上的高度，额定功率和最大转矩明显恶化。
1.3 改善柴油机高原适应性的技术措施
在普通自吸柴油机的基础上搭建增压系统能在很大程度上提高柴油机的输出扭矩。增压系统能够在其他条件相同时，将更多的空气送入气缸中，而且压缩空气，使柴油机获得更大的空燃比，但是还是有很大缺陷。比如柴油机转速在比较低的情况下会喘振，转速较高时整个机器温度太高等一系列问题。
为了满足高原地区环境下有较大进气量的要求，需要给柴油机装备大流量、大压比的压气机。在高原地区，压气机的喘振线向大流量方向移动，这种机构会更加轻易的发生喘振现象。
对于车载柴油机而言,不管它的转速发生什么样的变化,驾驶者都希望能有一个稳定的功率及扭矩输出,所以涡轮增压器应该能够给予一个稳定的压力,但是普通的涡轮增压器确是随着柴油机转速上升而加大增压比,这与高原柴油机的要求发生冲突。如果以柴油机低转速时的状态作为匹配点，则高转速时气缸压力过高，不太稳定；如果以柴油机高转速时的状态作为匹配点，则低转速时气缸压力不足，空燃比小，则输出功率较小，不正常。本文所提到的新型装置正是解决了这种冲突，同时大大加强了柴油机的高原动力性。
1.4 可调二级涡轮增压
二级涡轮增压器的原理如图11所示。高压级增压器与低压级增压器串联布置，这高压增压器的吸入空气的量比低压增压器逊色，所以要加上旁通阀，在柴油机低速运转时，它是不工作的，这样可以减小吸入空气量，增大膨胀比，让吸入的空气能够有大的压力，增加柴油机的输出功率与扭矩。柴油机处于高转速时，旁通阀处于开启状态，致使一部分废弃绕过高压级涡轮而直接进入低压级涡轮，防止增加的压力太大。高压级压气降低转速，没有进行应有的增压，应在高压级压气机端装备进气旁通阀。
图11 可调二级增压原理图
二级涡轮增压器可以获得的总压力满足柴油机对进气的需求；各级压力比较小，在各级压气机压比，该区域的流量范围宽，能够避免发动机喘振和超速这一现象，这能有效解决柴油机功率恢复的问题。南京工业大学杨苗春、王东丽等【1】以一六缸柴油机为例，模拟单级增压器和二级增压器在不同海拔高度的模拟，最后的结果是在海拔五千米，二级涡轮增压柴油发动机的输出扭矩与功率相对于单级分别增加了百分之十五和百分之三十；二级涡轮增压器可以减少喘振。山东工业大学李春明、钱斌等人【2】对动力涡轮增压系统进行不同海拔高度下的仿真研究；二级可调涡轮增压系统可以使柴油机在海拔三千米至四千五百米的恢复一定的动力。
1.5 小结
本章介绍了我国有辽阔的高原地区的地理环境，针对这一特殊情况，普通柴油机在高原地区面临着各种各样棘手的问题，是高原地区人民前进发展路上的一个很大瓶颈，根据高原的特点，本章提出了一个加装新型涡轮增压装置的设想，如果测试后效果客观，可大大解决柴油机目前面临的严峻问题，加强在高原地区的动力性，提升人民生产力。同时介绍了部分科研人员在这方面的钻研成果，为后面的仿真提供了依据。
目录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 高原环境对柴油机性能的影响 1
1.3 改善柴油机高原适应性的技术措施 2
1.4 可调二级涡轮增压 2
1.5 小结 3
第2章 柴油机可调二级增压系统的匹配及调节的研究现状 4
2.1 国内研究现状 4
2.2 国外研究现状 5
2.3 小结 5
第3章 柴油机性能仿真模型及高原可调二级增压匹配 6
3.1 涡轮增压器模型 6
3.2 柴油机性能仿真模型的建立与校验 7
3.2.1 柴油机性能仿真模型的建立 8
3.2.3 柴油机可调二级增压系统模型 10
3.3 柴油机高原可调二级增压系统匹配 11
3.3.1 匹配方案 11
3.3.2 高、低压级压气机初选 12
3.3.3 涡轮流通能力匹配 14
3.3.4 匹配结果及方案优选 17
3.4 可调二级增压柴油机的高原适应性 21
3.5 小结 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27
第1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
章 绪论
1.1 引言
众所周知，海拔越高，温度越低，气压越低，空气越稀薄，这对普通自吸柴油机的动力性影响很大。有各项实际数据表明普通柴油机在高原地区工作时，动力不足，百公里燃油消耗量增加，排放不佳，冷车启动困难，散热性能下降，平均故障率上升，饱受高原地区人民诟病。
中国是举世闻名的高原面积大的国家，高原面积有几百万平方千米，占我国总面积的很大比重。其中我国出名的青藏高原平均海拔有四千五百米，面积是235万平方千米；新藏路全长1400千米，海拔在四千二百米以上，海拔在四千米以上的路程是910千米，整条路最高点是海拔5433米，海拔欺负有三千米，可以说是举世闻名的最高、路况最复杂困难的公路。这些严峻的路况是对车辆柴油机高原动力性的巨大挑战。另外，这几年来国家为了打击高原地区的恐怖主义、不法分子，亦需要满足高原动力性的一大批军用车辆柴油机。
1.2 高原环境对柴油机性能的影响
放眼全球，许多发达国家都没有像中国一样这般辽阔的高原地形，对柴油机高原动力性的需求不太强烈，所以对高原柴油机的研究没有平原柴油机那么深刻，所投入的人力物力也十分有限，但是近年来随着国家经济的复苏，百废待兴，各种工程项目也被提上日程，并且处在高原环境中的人民也对满足高原动力性的柴油机有很大需求。
气压是柴油机动力性因素中的重中之重。在海拔较高的地方，海拔越高，大气的压力越低，空气含氧量下降的也十分厉害。在其他条件相同的情况下，柴油机每次进气的量是一定的，不过在高原地区，气压、空气密度的降低导致进入气缸的空气质量逐渐减小。进气质量减少会导致柴油机动力性发生很大程度的降低。
柴油机在海拔较高的地方工作时，吸入气缸的空气质量的减少，会使柴油气体燃烧不足，即有剩余混合气剩余。在3公里以上的高度，额定功率和最大转矩明显恶化。
1.3 改善柴油机高原适应性的技术措施
在普通自吸柴油机的基础上搭建增压系统能在很大程度上提高柴油机的输出扭矩。增压系统能够在其他条件相同时，将更多的空气送入气缸中，而且压缩空气，使柴油机获得更大的空燃比，但是还是有很大缺陷。比如柴油机转速在比较低的情况下会喘振，转速较高时整个机器温度太高等一系列问题。
为了满足高原地区环境下有较大进气量的要求，需要给柴油机装备大流量、大压比的压气机。在高原地区，压气机的喘振线向大流量方向移动，这种机构会更加轻易的发生喘振现象。
对于车载柴油机而言,不管它的转速发生什么样的变化,驾驶者都希望能有一个稳定的功率及扭矩输出,所以涡轮增压器应该能够给予一个稳定的压力,但是普通的涡轮增压器确是随着柴油机转速上升而加大增压比,这与高原柴油机的要求发生冲突。如果以柴油机低转速时的状态作为匹配点，则高转速时气缸压力过高，不太稳定；如果以柴油机高转速时的状态作为匹配点，则低转速时气缸压力不足，空燃比小，则输出功率较小，不正常。本文所提到的新型装置正是解决了这种冲突，同时大大加强了柴油机的高原动力性。
1.4 可调二级涡轮增压
二级涡轮增压器的原理如图11所示。高压级增压器与低压级增压器串联布置，这高压增压器的吸入空气的量比低压增压器逊色，所以要加上旁通阀，在柴油机低速运转时，它是不工作的，这样可以减小吸入空气量，增大膨胀比，让吸入的空气能够有大的压力，增加柴油机的输出功率与扭矩。柴油机处于高转速时，旁通阀处于开启状态，致使一部分废弃绕过高压级涡轮而直接进入低压级涡轮，防止增加的压力太大。高压级压气降低转速，没有进行应有的增压，应在高压级压气机端装备进气旁通阀。
图11 可调二级增压原理图
二级涡轮增压器可以获得的总压力满足柴油机对进气的需求；各级压力比较小，在各级压气机压比，该区域的流量范围宽，能够避免发动机喘振和超速这一现象，这能有效解决柴油机功率恢复的问题。南京工业大学杨苗春、王东丽等【1】以一六缸柴油机为例，模拟单级增压器和二级增压器在不同海拔高度的模拟，最后的结果是在海拔五千米，二级涡轮增压柴油发动机的输出扭矩与功率相对于单级分别增加了百分之十五和百分之三十；二级涡轮增压器可以减少喘振。山东工业大学李春明、钱斌等人【2】对动力涡轮增压系统进行不同海拔高度下的仿真研究；二级可调涡轮增压系统可以使柴油机在海拔三千米至四千五百米的恢复一定的动力。
1.5 小结
本章介绍了我国有辽阔的高原地区的地理环境，针对这一特殊情况，普通柴油机在高原地区面临着各种各样棘手的问题，是高原地区人民前进发展路上的一个很大瓶颈，根据高原的特点，本章提出了一个加装新型涡轮增压装置的设想，如果测试后效果客观，可大大解决柴油机目前面临的严峻问题，加强在高原地区的动力性，提升人民生产力。同时介绍了部分科研人员在这方面的钻研成果，为后面的仿真提供了依据。
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