CN109030008B - 一种船用低速柴油机Tier III性能的模拟测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种船用低速柴油机Tier III性能的模拟测试方法，该船用低速柴油机包括母型机和子型机，其特征在于：所述子型机的废气通过排气集管后直接进入增压器，在所述排气集管连接增压器的管路中设置一节流孔板，用以替代和模拟HPSCR装置的“喉口”功能，实现Tier III状况下的性能模拟测试以及Tier III状况下的柴油机性能参数验证，根据柴油机热力学原理以及Tier III状况下柴油机性能数据，计算出节流孔板的节流孔直径。本发明采用节流孔板来模拟Tier III状况下柴油机性能数据，实现了不安装HPSCR装置，即可完成柴油机Tier III状况下的性能参数模拟测试以及柴油机的性能参数验证，从而避免了由安装HPSCR装置所带来的诸多不利影响，适用于安装HPSCR装置船用低速柴油机机组其子型机车间台架试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种船用低速柴油机性能的测试方法，具体涉及一种船用低速柴油机Tier III性能的模拟测试方法，属于柴油机技术领域。
背景技术
随着Tier III排放法规的实施，2016年1月1日以后新造的船用低速柴油机在排放控制区域需要满足Tier III排放规范，船用低速柴油机必须满足Tier III排放规范已是大势所趋。HPSCR(高压选择性催化还原)是解决船用低速柴油机Tier III排放达到规范的一个非常有效技术措施，目前广泛应用Tier III排放船用低速柴油机之中。
对于安装HPSCR装置的船用低速柴油机，如图1所示，当柴油机4需要满足Tier III排放规范时，HPSCR废气排出控制阀1和HPSCR废气排出控制阀3打开，增压器废气进入控制阀2关闭，柴油机废气通过HPSCR装置发生选择性催化还原反应后再经过增压器5，在HPSCR装置中进行选择性催化还原将废气中的氮氧化物还原为氮气，从而满足Tier III排放规范要求。当柴油机4只需要满足Tier II排放规范时，HPSCR废气进入控制阀1和HPSCR废气排出控制阀3将关闭，增压器废气进入控制阀2打开，柴油机废气将不经过HPSCR装置直接进入增压器5。
根据国际海事组织MARPOL公约相关法规，同一配置的一个船用低速柴油机机组，可以仅在母型机(首台机)上进行柴油机排放测试，但需要对其子型机的性能参数进行验证，以确认其子型机是否符合该柴油机机组要求。
这样，对于带HPSCR装置的船用低速柴油机机组来说，当其子型机在车间进行台架试验与性能调试时，为了验证该柴油机Tier III状况下的性能参数是否符合其相关机组要求，尽管不需要测试柴油机排放，但为了模拟柴油机Tier III状况的性能状况，仍然需要安装完整HPSCR装置。由于HPSCR装置体积庞大，占用空间大，安装与调试周期相对较长，并且HPSCR装置在车间台架试验后还需要再拆除发送船厂安装，这样将耗费大量的金钱与时间。此外由于其体积庞大，HPSCR装置的布置也将会影响其他相关车间试验台位的柴油机调试与试验，因此子型机在车间台架试验时如果也安装完整的HPSCR装置，势必影响其它柴油机的正常调试。
因此，对于安装HPSCR装置的船用低速柴油机机组来说，在其子型机的车间台架试验时，如何在不安装HPSCR装置的情况下，同样实现其子型机的性能参数验证，就成为船用低速柴油机生产过程中的一个难题与挑战。
发明内容
本发明的目的在于，解决带HPSCR装置的船用低速柴油机机组，在其子型机车间台架试验中进行Tier III性能状况模拟时，需要安装完整的HPSCR装置所面临的诸多困难与不便，提出一种船用低速柴油机Tier III性能的模拟测试方法，实现在车间台架试验时其子型机能够不需要安装HPSCR装置，即可完成柴油机Tier III状况下的性能参数模拟测试以及柴油机的性能参数验证，从而避免了由安装HPSCR装置所带来的诸多不利影响。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：
一种船用低速柴油机Tier III性能的模拟测试方法，该船用低速柴油机包括母型机和子型机，其特征在于：所述子型机的废气通过排气集管后直接进入增压器，在所述排气集管连接增压器的管路中设置一节流孔板，用以替代和模拟HPSCR装置的“喉口”功能，实现Tier III状况下的性能模拟测试以及Tier III状况下的柴油机性能参数验证。
进一步地，所述的节流孔板的节流孔直径通过下列公式来确定：
当Πt1或
时，
Dt1或
当Πt1或
时，
其中，
D为节流孔板的节流孔直径，单位为cm，
S为节流孔板节流孔对应面积，单位为cm2，
Fc为节流孔板流量系数，取0.8，
Fs为节流孔板的有效流通面积，
Qt为柴油机废气质量流量，单位为kg/s，
Pm为大气压力，常数，单位为kgf/cm2，
Dt1为母型机HPSCR装置质量流量函数，即节流孔板废气质量流量函数，
Pe1为母型机Tier III状况下HPSCR进口处废气压力，即节流孔板前所用来计算的废气压力，单位为kgf/cm2，
Pe2为母型机Tier III状况下增压器前废气压力，单位为kgf/cm2，
Te1为母型机Tier III状况下HPSCR进口处废气温度，即节流孔板前所用来计算的废气温度，单位为℃，
Te2为母型机Tier III状况下增压器前废气温度，单位为℃，
Ft为增压器有效透平流通面积，
Frest为增压器透平当量面积，可以从增压器的透平特性曲线中得到，
αt为流量系数，可以从增压器的透平特性曲线中得到，
Pb1为母型机Tier III状况下增压器后背压，单位为kgf/cm2，
Kt为废气气体常数，取1.36，
g为重力加速度，单位为m/s2，
R为废气气体常数，单位为kg f/kg K，取29.27kgf/kg K。
进一步地，所述的柴油机废气质量流量Qt从柴油机设计参数中得到。
进一步地，所述的柴油机废气质量流量Qt采用所述母型机Tier III状况下所计算的废气质量流量。
与现有技术相比，本发明采用节流孔板来替代和模拟HPSCR装置对柴油机性能参数的影响，通过柴油机热力学原理计算出节流孔板尺寸，从而达到模拟柴油机Tier III状况下的运行效果，从而解决了带HPSCR装置柴油机机组其子型机车间台架试验时，必须安装HPSCR装置来模拟柴油机Tier III性能状况的问题，达到了柴油机Tier III状况性能模拟，以及柴油机性能参数验证的目的。
附图说明
图1是在Tier III状况下带HPSCR装置的船用低速柴油机的示意图。
图2是本发明的测试状态示意图。
图中，
1——HPSCR废气进入控制阀，2——增压器废气进入控制阀，3——HPSCR废气排出控制阀，4——柴油机，4.1——子型机，5——增压器，6——节流孔板。
具体实施方式
本发明所述的一种船用低速柴油机Tier III性能的模拟测试方法，适用于安装HPSCR装置船用低速柴油机机组其子型机车间台架试验。
以下进一步分析HPSCR装置在柴油机Tier III状况下所起的作用，以及对柴油机性能参数的影响。柴油机运行在Tier III状况时，如图1所示，HPSCR废气进入控制阀1和HPSCR废气排出控制阀3打开，增压器废气进入控制阀2关闭，柴油机废气经过HPSCR装置发生选择性催化还原反应后进入增压器5。柴油机废气经过HPSCR装置时，柴油机废气会存在废气能量与压力损失，由于废气在HPSCR装置中所发生的选择性催化还原反应为放热反应，该放热反应产生的热量能够补偿柴油机废气经过HPSCR装置所带来的热量损失，此外根据柴油机性能试验表明，通过HPSCR废气进入控制阀1与HPSCR废气排出控制阀3的柴油机废气的温度基本上是一致的，也就是说可以忽略柴油机废气经过HPSCR的温度变化，仅需要考虑柴油机废气经过HPSCR装置产生的压力损失。
因此，对于安装HPSCR装置的柴油机机组，其子型机在车间台架试验时，如果要免除安装HPSCR装置而实现Tier III状况下柴油机性能测试模拟，就要寻找一种替代方法来模拟HPSCR装置对柴油机性能参数带来的相关影响。在这种情况下，可以将HPSCR装置看作为一个绝热封闭管道，或进一步简化为一个“喉口”或“喷嘴”，这样根据柴油机热力学原理以及Tier III状况下柴油机性能数据，就可以计算出“喉口”或“喷嘴”的直径，也即本发明所采用的节流孔板的节流孔直径。
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实例。凡依据本说明书的内容所做的等效变化及修改，都属于本发明申请的技术范围。
所述的Tier III性能模拟测试方法为，将HPSCR装置简化为一个“喉口”或“喷嘴”，所述子型机4.1的废气通过排气集管后直接进入增压器5，见图2，在所述排气集管连接增压器5的管路中设置一节流孔板6，用以替代和模拟HPSCR装置的“喉口”功能，根据母型机TierIII状况下柴油机性能数据，可以计算出“喉口”或“喷嘴”截面积直径，也即节流孔板6的节流孔直径。这样，该机组其子型机车间台架试验时，可以采用节流孔板6来模拟Tier III状况下柴油机性能数据，实现Tier III状况下的性能模拟测试以及Tier III状况下的柴油机性能参数验证，避免了子型机4.1安装完整的HPSCR装置所带来的诸多不便。
根据柴油机热力学原理，可知经过“喉口”或“喷嘴”，也即节流孔板处或HPSCR装置的柴油机废气流量为：
则，
Fs＝S×Fc，
其中，
Qt为柴油机废气质量流量，单位为kg/s，Qt可以从柴油机设计参数中得到，或采用该柴油机机组其母型机Tier III状况下所计算的废气质量流量，
此时，
Pe1为母型机Tier III状况下HPSCR进口处废气压力，也即节流孔板前所用来计算的废气压力；Pe2为母型机Tier III状况下增压器前废气压力，单位均为kgf/cm2，
Te1为母型机HPSCR进口处废气温度，也即节流孔板前所用来计算的废气温度；Te2为母型机Tier III状况下增压器前废气温度，单位均为℃，
Pm为大气压力，单位为kgf/cm2，
Fs为节流孔板有效流通面积，
Fc为节流孔板流量系数，Fc一般取0.8，
S为节流孔板孔径对应面积，单位为cm2，
D为节流孔板节流孔直径，单位为cm，
Ft为增压器有效透平流通面积，Ft＝Frest×αt，其中，Frest为增压器透平当量面积，αt为流量系数，Frest与αt可以从增压器的透平特性曲线得到，
Dt1为母型机HPSCR装置质量流量函数，也即节流孔板废气质量流量函数，该函数与经过母型机HPSCR装置前后的废气压力差Πt1有关；Dt2为增压器透平废气质量流量函数，该函数与经过增压器透平前后的废气压力差Πt2有关：
其中，
Pb1为母型机Tier III状况下增压器后背压，单位为kgf/cm2，
当Πt1或时，
Dt1或
(常数)
当Πt1或
时，
其中，
Kt为废气气体常数，一般取1.36，
g为重力加速度，单位为m/s2，
R为废气气体常数，单位为kg f/kg K，一般取29.27kgf/kg K，
根据上述公式，
可计算取得节流孔板6节流孔直径D，即可得到节流孔板6相关尺寸。
求得了节流孔板6节流孔直径，这样对于安装HPSCR装置的船用低速柴油机机组，在其子型机车间台架试验时，可以采用节流孔板6替代HPSCR装置，实现柴油机Tier III状况下性能模拟测试，以及柴油机性能参数验证。其中，节流孔板6的安装位置如图2所示，在所述排气集管连接增压器5的管路中。
本发明要求的保护范围不仅限于上述实施例，也应包括其他不经过创造性劳动即能够获得的显而易见的等效变换和替代方案。
Claims (3)
1.一种船用低速柴油机Tier III性能的模拟测试方法，该船用低速柴油机包括母型机和子型机，其特征在于：所述子型机的废气通过排气集管后直接进入增压器，在所述排气集管连接增压器的管路中设置一节流孔板，用以替代和模拟HPSCR装置的“喉口”功能，实现Tier III状况下的性能模拟测试以及Tier III状况下的柴油机性能参数验证；
所述的节流孔板的节流孔直径通过下列公式来确定：
当Πt1或
时，
Dt1或
当Πt1或
时，
其中，
D为节流孔板的节流孔直径，单位为cm，
S为节流孔板节流孔对应面积，单位为cm2，
Fc为节流孔板流量系数，取0.8，
Fs为节流孔板的有效流通面积，
Qt为柴油机废气质量流量，单位为kg/s，
Pm为大气压力，常数，单位为kgf/cm2，
Dt1为母型机HPSCR装置质量流量函数，即节流孔板废气质量流量函数，
Pe1为母型机Tier III状况下HPSCR进口处废气压力，即节流孔板前所用来计算的废气压力，单位为kgf/cm2，
Dt2为增压器透平废气质量流量函数，
Pe2为母型机Tier III状况下增压器前废气压力，单位为kgf/cm2，
Te1为母型机Tier III状况下HPSCR进口处废气温度，即节流孔板前所用来计算的废气温度，单位为℃，
Te2为母型机Tier III状况下增压器前废气温度，单位为℃，
Ft为增压器有效透平流通面积，
Frest为增压器透平当量面积，可以从增压器的透平特性曲线中得到，
αt为流量系数，可以从增压器的透平特性曲线中得到，
Pb1为母型机Tier III状况下增压器后背压，单位为kgf/cm2，
Kt为废气气体常数，取1.36，
g为重力加速度，单位为m/s2，
R为废气气体常数，单位为kg f/kg K，取29.27kgf/kg K。
2.根据权利要求1所述的船用低速柴油机Tier III性能的模拟测试方法，其特征在于：所述的柴油机废气质量流量Qt从柴油机设计参数中得到。
3.根据权利要求1所述的船用低速柴油机Tier III性能的模拟测试方法，其特征在于：所述的柴油机废气质量流量Qt采用所述母型机Tier III状况下所计算的废气质量流量。
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