CN117252041A - 一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，属于发动机技术领域，基于查询到的柴油机行业技术水平限制和客户需求的发电功率需求，如增压压力、活塞平均速度、爆发压力等，可以快速、准确地计算出发电柴油机最大升功率时的缸径；解决超高强化程度发电柴油机设计过程中，无法快速确定柴油机缸径的问题，为发电柴油机设计过程减少设计周期、节约成本。

Description

一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，尤其是涉及一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法。

背景技术

大型移动载具（船舶、重型车辆等）常配备辅助动力系统，以满足其主动力系统未工作时，载具上部分设施对电力的需求，如重型车辆怠速时，使用辅助动力系统发电，给重型车辆上空调、显示设备等供电；船舶停泊码头时，启用副机发电，给全船用电设备供电。但是，移动载具安装设备众多，辅助动力系统安装预留的空间有限。而柴油机的缸径大小决定着其体积的大小，发电柴油机在功率输出不变的情况下，尽可能减小缸径，需要对对柴油机进行强化设计；如提升机体强度，使柴油机能够承受更高的爆发压力；提升活塞平均速度，使得柴油机每一循环的耗时更短；使用多级增压系统，回收废气能量，提高发动机的增压压力，提高进气密度等。但是对于传统的柴油机选型设计过程中，缸径的确定的比较复杂，十分考验工程师的技术水平，一般在柴油机选型设计过程中，缸径的确定需要经过建模仿真，发动机台架试验，并且需要进行反复迭代才可以确定最终的缸径（耗时长、成本高）。所以，亟需一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法来解决高强化发电柴油机设计过程中，缸径的确定过分依靠于工程师的技术水平和无法快速、准确地确定最小缸径的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，解决现有技术存在的高强化发电柴油机设计过程中，缸径的确定过分依靠于工程师的技术水平和无法快速、准确地确定最小缸径的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，包括以下步骤：

步骤1、查询发电柴油机的缸内爆发压力、活塞平均速度、增压压力的现有数据；

步骤2、确定发电柴油机的指示功率；

步骤3、根据发电柴油机的需求功率和指示热效率计算发电柴油机的燃烧消耗量B，单位：kg/h；

步骤4、根据发电柴油机的燃烧消耗量，计算发电柴油机的进气流量；

步骤5、以爆发压力和涡轮增压器回收废气能量的能力为限制，基于沙巴特循环，计算发电柴油机的进气压力；

步骤6、根据进气温度和进气压力计算进气密度；

步骤7、计算发电柴油机的缸径D；

步骤8、计算发电柴油机的额定转速N和冲程S；

步骤9、计算发电柴油机的机械效率；

步骤10、计算发电柴油机的最大升功率。

优选的，步骤3中指示热效率的具体确定方法如下：

S31、基于选取的高强化柴油机的结构、性能参数，在GT-SUITE软件中构建所述高强化柴油机的仿真模型；

S32、以所述高强化柴油机的缸压、燃烧放热率实验数据标定仿真模型，运行仿真模型，获得指示热效率的仿真结果；

S33、以指示热效率的仿真结果作为确定的指示热效率。

优选的，步骤3中发电柴油机的燃烧消耗量的计算公式如下：

;

其中，为发电柴油机的指示功率，单位为kW，/>为柴油的低热值，单位为kJ/kg，/>为指示热效率，B为燃烧消耗量，单位为kg/h。

优选的，步骤4中发电柴油机的进气流量的具体计算公式如下：

;

其中，L为柴油的空燃比，取值为14.3，为过量空气系数，取值范围为1.6-2.2，为扫气系数，取值范围为1-1.25，Q为发电柴油机的进气流量，单位为kg/s，B为燃烧消耗量，单位为kg/h。

优选的，步骤5中发电柴油机的进气压力的具体计算公式如下：

;

其中，为已知量，表示缸内爆发压力，单位为bar，/>为已知量，表示中冷器后进气温度，单位为K，/>为柴油机的压缩比，/>的取值范围为12-20，/>为定容放热量占累计放热量的比例，/>为空气的定容比热容kJ/kg·k，空气的定容比热容为0.717kJ/kg·k，/>为空气绝热指数，/>为1.4，/>为柴油的低热值，B为燃烧消耗量，单位为kg/h，Q为发电柴油机的进气流量，单位为kg/s，/>为进气压力，单位为bar。

优选的，步骤6中进气密度的计算公式如下：

;

其中，为空气气体常数，值为0.287kJ/kg·K，/>为进气压力，单位为bar，/>表示中冷器后进气温度，单位为K，/>为进气密度，单位为kg/m³。

优选的，步骤7中发电柴油机的缸径D的计算公式如下：

;

其中，为缸数，/>为充量系数，/>的取值范围为0.9-1.05，/>为扫气系数，的取值范围为1-1.25，/>为活塞平均速度，单位为m/s，/>为柴油机的冲程数，/>为进气密度，单位为kg/m³，Q为发电柴油机的进气流量，单位为kg/s。

优选的，步骤8中发电柴油机的额定转速N和冲程S的具体计算公式如下：

;

其中，表示冲程缸径比，D表示缸径，单位为m，S表示冲程，单位为m，N表示额定转速，单位为RPM，/>为活塞平均速度，单位为m/s。

优选的，步骤9中发电柴油机的机械效率的计算过程如下：

首先计算平均指示压力：

;

然后计算机械损失压力：

;

得出计算机械效率

;

其中，B为燃烧消耗量，单位为kg/h，为柴油的低热值，单位为kJ/kg，/>为指示热效率，D表示缸径，单位为m，S表示冲程，单位为m，N表示额定转速，单位为RPM，/>表示缸内爆发压力，单位为bar，/>的单位为Pa，/>的单位为Pa。

优选的，步骤10中发电柴油机的最大升功率的计算公式如下

其中，表示平均指示压力，单位为Pa，/>表示机械效率，D表示缸径，单位为m，S表示冲程，单位为m，/>表示缸数。

因此，本发明采用上述一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，具有以下有益效果：

（1）基于查询到的柴油机行业技术水平限制和客户需求的发电功率需求，确定柴油机最高升功率时的缸径，解决柴油机设计过程中反复迭代设计确定缸径的问题，减少设计周期；

（2）本发明可为超高强化发电柴油机的设计减少成本，确定发电柴油机最高升功率时的缸径，无需进行发动机台架试验，而且不需要高算力水平的计算，减少设计成本。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法的逻辑框图。

具体实施方式

以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，包括以下步骤：

步骤1、查询发电柴油机的缸内爆发压力、活塞平均速度、增压压力的现有数据，现有数据中爆发压力为210bar、活塞平均速度为15m/s、增压比为4；

步骤2、根据客户的需求确定发电柴油机的指示功率；

步骤3、根据发电柴油机的需求功率和指示热效率计算发电柴油机的燃烧消耗量；指示热效率的具体确定方法如下：

S31、基于选取的高强化柴油机的结构、性能参数，在GT-SUITE软件中构建高强化柴油机的仿真模型；

S32、以高强化柴油机的缸压、燃烧放热率实验数据标定仿真模型，运行仿真模型，获得指示热效率的仿真结果；

S33、以指示热效率的仿真结果作为确定的指示热效率。

发电柴油机的燃烧消耗量的计算公式如下：

;

其中，为发电柴油机的指示功率，单位为kW，/>为柴油的低热值，单位为kJ/kg，为指示热效率，B为燃烧消耗量，单位为kg/h。

步骤4、根据发电柴油机的燃烧消耗量，计算发电柴油机的进气流量，具体计算公式如下：

;

其中，L为柴油的空燃比，取值为14.3，为过量空气系数，取值范围为1.6-2.2，为扫气系数，取值范围为1-1.25，Q为发电柴油机的进气流量，单位为kg/s，B为燃烧消耗量，单位为kg/h。

步骤5、以爆发压力和涡轮增压器回收废气能量的能力为限制，基于沙巴特循环，具体为将柴油机缸内循环视为理想的混合加热循环，即柴油机加热过程包括定容加热和定压加热过程，定容加热结束时的压力为缸内爆发压力，此时的放热量约占累计放热量的12%左右，此外，中冷器后进气温度一般可以冷却到49℃左右，已知爆发压力、定容加热量以及进气温度，计算发电柴油机的进气压力，具体计算公式如下：

;

其中，为已知量，目前可以实现的爆压在210bar，表示缸内爆发压力，单位为bar，/>为已知量，具体是322.15K，表示中冷器后进气温度，单位为K，/>为柴油机的压缩比，/>的取值范围为12-20，/>为定容放热量占累计放热量的比例，一般在12%左右，/>为空气的定容比热容kJ/kg·k，空气的定容比热容为0.717kJ/kg·k，/>为空气绝热指数，/>为1.4，/>为柴油的低热值，B为燃烧消耗量，单位为kg/h，Q为发电柴油机的进气流量，单位为kg/s，/>为进气压力，单位为bar。

步骤6、根据进气温度和进气压力计算进气密度；进气密度的计算公式如下：

;

其中，为空气气体常数，值为0.287kJ/kg·K，/>为进气压力，/>表示中冷器后进气温度，单位为K，/>为进气密度，单位为kg/m³。

步骤7、在已知了进气流量、进气密度、活塞平均速度、缸数后计算发电柴油机的缸径D，具体计算公式如下：

;

其中，为缸数，/>为充量系数，/>的取值范围为0.9-1.05，/>为扫气系数，的取值范围为1-1.25，/>为活塞平均速度，单位为m/s，/>为柴油机的冲程数，/>为进气密度，单位为kg/m³，Q为发电柴油机的进气流量，单位为kg/s。

步骤8、在确定了柴油机的缸径后，根据冲程缸径比算出柴油机的额定转速，计算发电柴油机的额定转速N和冲程S，具体计算公式如下：

;

其中，表示冲程缸径比，D表示缸径，单位为m，S表示冲程，单位为m，N表示额定转速，单位为RPM，/>为活塞平均速度，单位为m/s。

步骤9、根据平均指示压力和平均机械损失压力计算发电柴油机的机械效率，具体计算过程如下：

首先计算平均指示压力：

;

然后计算机械损失压力：

;

得出计算机械效率

;

其中，B为燃烧消耗量，单位为kg/h，为柴油的低热值，单位为kJ/kg，/>为指示热效率，D表示缸径，单位为m，S表示冲程，单位为m，N表示额定转速，单位为RPM，/>表示缸内爆发压力，单位为bar，/>的单位为Pa，/>的单位为Pa。

步骤10、根据发动机排量、有效功率计算发电柴油机的最大升功率，具体计算公式如下

其中，表示平均指示压力，单位为Pa，/>表示机械效率，D表示缸径，S表示冲程，/>表示缸数。

实施例

以设计一台指示功率为650kW的四冲程发电柴油机为例，其预设计的压缩比为15，气缸数为6缸。根据步骤1，查询国内柴油机行业爆发压力、活塞平均速度、指示热效率实现的技术水平，如高强化柴油机的爆发压力约为210bar，活塞平均速度约为15m/s，增压比可达到4附近；根据步骤2确定柴油机的指示功率，指示功率为650kW；根据步骤3确定发电柴油机的燃油消耗量B（kg/h），先确定指示热效率，选取一台额定功率为600kW，缸数为6缸的高强化柴油机，在GT-SUITE构建发动机的仿真模型，仿真模型计算所得的指示热效率为41.85%， 再根据确定的指示热效率和指示功率确定燃油消耗量，计算所得燃油消耗量为130.03kg/h；根据步骤4确定进气流量，过量空气系数取值为1.6，扫气系数取值为1.05，计算所得的空气流量为0.867kg/s；根据步骤5确定进气压力，爆发压力限制为210bar，压缩比设计为15，计算所得的进气压力为3.603bar；根据步骤6确定进气密度，计算所得的进气密度为3.89776kg/m³；根据步骤7确定发动机的缸径，充量系数取值为1，确定缸径为0.10948m（109.48mm）；根据步骤8确定柴油机的冲程和额定转速，缸径冲程比取1.1，确定的冲程为0.12043m(120.43mm)，额定转速为3736RPM；根据步骤9确定发动机的机械效率，确定的平均指示压力为3069262Pa，机械损失压力为454280Pa，确定的机械效率为85.19%；根据步骤10确定柴油机的最大升功率；确定的升功率约为81.40kW/L。

因此，本发明采用上述一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，在已知发电需求指示功率时，基于发动机行业可实现的技术水平，如增压压力、活塞平均速度、爆发压力等，确定柴油机最高升功率时的缸径和额定转速，解决高强化发电柴油机设计过程中，缸径的确定过分依靠于工程师的技术水平和无法快速、准确地确定最小缸径的问题，为高强化发电柴油机设计过程中缸径的选择提供一种参考，减少设计时间和成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、查询发电柴油机的缸内爆发压力、活塞平均速度、增压压力的现有数据；

步骤2、确定发电柴油机的指示功率；

步骤3、根据发电柴油机的需求功率和指示热效率 计算发电柴油机的燃烧消耗量；

步骤4、根据发电柴油机的燃烧消耗量，计算发电柴油机的进气流量；

步骤5、以爆发压力和涡轮增压器回收废气能量的能力为限制，基于沙巴特循环，计算发电柴油机的进气压力；

步骤6、根据进气温度和进气压力计算进气密度；

步骤7、计算发电柴油机的缸径D；

步骤8、计算发电柴油机的额定转速N和冲程S；

步骤9、计算发电柴油机的机械效率；

步骤10、计算发电柴油机的最大升功率。

2.根据权利要求1所述的一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，步骤3中指示热效率的具体确定方法如下：

S31、基于选取的高强化柴油机的结构、性能参数，在GT-SUITE软件中构建所述高强化柴油机的仿真模型；

S32、以所述高强化柴油机的缸压、燃烧放热率实验数据标定仿真模型，运行仿真模型，获得指示热效率的仿真结果；

S33、以指示热效率的仿真结果作为确定的指示热效率。

3.根据权利要求1所述的一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，步骤3中发电柴油机的燃烧消耗量的计算公式如下：

;

其中，为发电柴油机的指示功率，单位为kW，/>为柴油的低热值，单位为kJ/kg，/>为指示热效率，B为燃烧消耗量，单位为kg/h。

4.根据权利要求1所述的一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，步骤4中发电柴油机的进气流量的具体计算公式如下：

;

其中，L为柴油的空燃比，取值为14.3，为过量空气系数，取值范围为1.6-2.2，/>为扫气系数，取值范围为1-1.25，Q为发电柴油机的进气流量，单位为kg/s，B为燃烧消耗量，单位为kg/h。

5.根据权利要求1所述的一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，步骤5中发电柴油机的进气压力的具体计算公式如下：

;

其中，为已知量，表示缸内爆发压力，单位为bar，/>为已知量，表示中冷器后进气温度，单位为K，/>为柴油机的压缩比，/>的取值范围为12-20，/>为定容放热量占累计放热量的比例，/>为空气的定容比热容kJ/kg·k，空气的定容比热容为0.717kJ/kg·k，/>为空气绝热指数，/>为1.4，/>为柴油的低热值，单位为kJ/kg，B为燃烧消耗量，单位为kg/h，Q为发电柴油机的进气流量，单位为kg/s，/>为进气压力，单位为bar。

6.根据权利要求1所述的一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，步骤6中进气密度的计算公式如下：

;

其中，为空气气体常数，值为0.287kJ/kg·K，/>为进气压力，单位为bar，/>表示中冷器后进气温度，单位为K，/>为进气密度，单位为kg/m³。

7.根据权利要求1所述的一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，步骤7中发电柴油机的缸径D的计算公式如下：

;

其中，为缸数，/>为充量系数，/>的取值范围为0.9-1.05，/>为扫气系数，/>的取值范围为1-1.25，/>为活塞平均速度，单位为m/s，/>为柴油机的冲程数，/>为进气密度，单位为kg/m³，Q为发电柴油机的进气流量，单位为kg/s。

8.根据权利要求1所述的一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，步骤8中发电柴油机的额定转速N和冲程S的具体计算公式如下：

;

其中，表示冲程缸径比，D表示缸径，单位为m，S表示冲程，单位为m，N表示额定转速，单位为RPM，/>为活塞平均速度，单位为m/s。

9.根据权利要求1所述的一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，步骤9中发电柴油机的机械效率的计算过程如下：

首先计算平均指示压力：

;

然后计算机械损失压力：

;

得出计算机械效率:

;

其中，B为燃烧消耗量，单位为kg/h，为柴油的低热值，单位为kJ/kg，/>为指示热效率，D表示缸径，单位为m，S表示冲程，单位为m，N表示额定转速，单位为RPM，/>表示缸内爆发压力，单位为bar，/>的单位为Pa，/>的单位为Pa。

10.根据权利要求1所述的一种超高强化程度发电柴油机缸径尺寸的优选方法，其特征在于，步骤10中发电柴油机的最大升功率的计算公式如下

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其中，表示平均指示压力，单位为Pa，/>表示机械效率，D表示缸径，单位为m，S表示冲程，单位为m，/>表示缸数。