相继增压船用低速柴油机性能仿真研究
摘要
作为海洋运输首选的推进动力，船用低速柴油机具有广泛的发展前景。随着
柴油机功率密度以及全工况性能需求的不断提高，对增压系统的需求也越来越高。
然而，当柴油机运行于低负荷时，涡轮增压器与柴油机的联合运行线未处于压气
机的高效运行区，导致其低工况性能较差。相继增压技术可采用增压器切换的方
式有效地扩大柴油机的高效运行范围，提高了柴油机低速扭矩特性。因此，为了
改善低速二冲程柴油机的低工况性能，使其更好的满足大型运输船舶的推进需求，
本文将相继增压技术应用于某船用低速柴油机，并展开了以下研究：
首先，建立了该船用低速柴油机的一维仿真模型，并将试验数据与仿真数据
进行比较，验证了模型的准确性。按照螺旋桨推进特性，对采用相继增压系统的
柴油机进行了仿真计算，基于燃油消耗率最低化与柴油机运行不超过最大爆压、
最高排温等原则，确定相继增压的切换点为40%负荷，并分析了柴油机采用相继
增压技术后低工况的性能改善程度。
其次，绘制了柴油机运行在相继增压两种不同工作模式下的万有特性曲线，
包括等油耗线，等功率线，等排温线，以此确定了相继增压的最佳切换边界，得
出了在低转速，较高扭矩的范围内，柴油机采用相继增压1TC模式后提高了功
率，降低了排气温度，其中，功率最大提升546kW，排气温度最大降低20K。此
外，研究了低工况时，相继增压对辅助风机运行的影响，得出了采用相继增压不
同模式时，辅助风机的运行区域。结果表明，柴油机在低工况时，采用相继增压
1TC模式，可以结合或替代辅助风机来提升缸内的进气效果。
再次，为了避免在相继增压切换过程中可能发生的喘振，燃烧恶化等不良现
象，通过相继增压瞬态切换仿真平台，对阀门的控制策略，即切入过程的空气阀
延迟开启时间，阀门响应时间，阀门响应过程和切出过程的阀门响应过程进行了
研究。结果表明，切入过程空气阀最合适的延迟开启时间为3s，阀门响应时间为
1s，阀门采用先快后慢再快的开启方式；切出过程的阀门响应时间为1s，阀门采
用先慢后快再慢的开启方式，可以有效改善柴油机转速和燃油消耗率的波动，使
柴油机更加稳定地运行。
最后，构建了低速柴油机排气管的三维几何模型，通过一维/三维耦合仿真
计算对排气管的速度场和压力场进行分析，以此来研究相继增压对排气系统的影
响。此外，建立了该低速柴油机的三维缸内计算模型来研究相继增压对低速柴油
哈尔滨工程大学硕士学位论文
机燃烧和排放的影响。结果表明，在低负荷时，采用相继增压1TC模式的柴油
机平均排气速度更快，压力更高，提高了缸内扫气效果。除此之外，柴油机1TC
模式可以使缸内油气混合更加均匀，促进了燃烧的快速进行，使SOOT排放峰值
降低42.8%。然而，在增压压力较高，进气富氧的条件下，NOx的排放量增加
26.5%。
关键词：船用低速柴油机；相继增压；瞬态切换；流场分析；燃烧和排放
相继增压船用低速柴油机性能仿真研究
Abstract
Asthepreferredpropulsionpowerforoceantransportation,low-speedmarine
dieselengineshavebroaddevelopmentprospects.Withthecontinuousimprovementof
dieselenginepowerdensityandfullconditionperformancerequirements,thedemand
forturbochargingsystemsisalsoincreasing.However,whenthedieselengineoperates
atlowloads,thecombinedoperationlineoftheturbochargeranddieselengineisnot
intheefficientoperationzoneofthecompressor,resultinginpoorperformance