涡轮活塞组合发动机系统仿真与控制

发布时间：2017-09-24 19:25

  本文关键词：涡轮活塞组合发动机系统仿真与控制

  更多相关文章： 涡轮活塞组合发动机 理论循环 GT-Power 动态仿真 控制策略

【摘要】：高热效率和高功率密度是特种车用发动机的重要追求。柴油机热效率高但功率密度提升困难,燃气轮机功率密度高但热效率低。本文针对一种新型的能集合柴油机和燃气轮机优点以满足未来动力系统对高功率密度和部分负荷低油耗要求的“涡轮活塞组合发动机”展开研究。涡轮活塞组合发动机(Diesel Brayton Combined Cycle Engine)由一台增压中冷柴油机和一台燃气轮机组合而成,通过4个电磁阀可以根据车辆不同工况需求改变柴油机和燃气轮机的进排气回路,从而实现柴油机单独工作、燃气轮机单独工作和柴燃联合工作等三种工作模式。本文对涡轮活塞组合发动机的各个工作模式进行了理论循环分析,推导了各工作模式下的理论循环热效率和比功算式,分析了柴油机压缩比、压力升高比、预膨胀比、空气流量分配系数和燃气轮机压气机压比、环管燃烧室增温比等因素对理论循环的影响。选取了一款柴油机和一款燃气轮机组成了涡轮活塞组合发动机样机,建立了GT-Power仿真模型,分析了排气背压、引气阀直径、引气管径对柴油机性能的影响,分析了采用降低柴油机转速或减小引气阀开度来限制柴油机引气量的方法对组合发动机性能的影响,估算了组合发动机功率密度和比油耗。在Matlab/Simulink环境下,基于容积惯性法和实验数据MAP图搭建了组合发动机动态仿真模型,对组合发动机的稳态工作点和工作模式切换过程中的动态特性进行了仿真分析。针对组合发动机台架,设计了组合发动机控制系统结构,使用Labview搭建了上位机控制程序,提出了工作模式选择及工作模式切换过程中的控制策略,为进行组合发动机样机实验做好了必要的准备。
【关键词】：涡轮活塞组合发动机 理论循环 GT-Power 动态仿真 控制策略
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 引言9-17
• 1.1 研究背景与意义9-16
• 1.1.1 特种车辆动力发展现状9-11
• 1.1.2 柴油机燃气轮机联合动力装置发展现状11-16
• 1.2 研究内容与论文结构16-17
• 第2章 涡轮活塞组合发动机理论循环分析17-29
• 2.1 涡轮活塞组合发动机的构成及工作模式17-19
• 2.2 涡轮活塞组合发动机理论循环分析19-24
• 2.2.1 柴油机单独工作的理论循环19-20
• 2.2.2 燃气轮机单独工作的理论循环20-21
• 2.2.3 柴燃联合工作的理论循环21-24
• 2.3 理论循环关键参数影响分析24-28
• 2.3.1 燃气轮机压气机压比不变时各参数影响分析24-26
• 2.3.2 柴油机压力升高比不变时各参数影响分析26-27
• 2.3.3 柴油机空气流量分配系数对理论循环的影响分析27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 涡轮活塞组合发动机GT-Power仿真分析29-48
• 3.1 基础发动机及实验29-34
• 3.1.1 基础柴油机及实验29-33
• 3.1.2 基础燃气轮机及实验33-34
• 3.2 涡轮活塞组合发动机GT-Power仿真模型34-41
• 3.2.1 基础柴油机GT-Power仿真模型34-36
• 3.2.2 基础柴油机GT-Power仿真模型验证36-37
• 3.2.3 基础燃气轮机GT-Power仿真模型37-39
• 3.2.4 基础燃气轮机GT-Power仿真模型验证39-40
• 3.2.5 组合发动机GT-Power仿真模型40-41
• 3.3 涡轮活塞组合发动机GT-Power仿真分析41-47
• 3.3.1 排气背压对基础柴油机的影响42
• 3.3.2 引气阀直径对基础柴油机的影响42-44
• 3.3.3 引气管径对基础柴油机的影响44-45
• 3.3.4 两种基础柴油机限流方式对比45-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 涡轮活塞组合发动机动态仿真分析48-73
• 4.1 基础燃气轮机SIMULINK动态仿真模型48-57
• 4.1.1 容积模块49
• 4.1.2 压气机仿真模型49-50
• 4.1.3 燃烧室仿真模型50-51
• 4.1.4 增压涡轮仿真模型51-52
• 4.1.5 动力涡轮仿真模型52
• 4.1.6 转子仿真模型52-53
• 4.1.7 燃油调节机构仿真模型53-54
• 4.1.8 燃气轮机仿真模型54
• 4.1.9 燃气轮机仿真模型验证54-57
• 4.2 基础柴油机SIMULINK动态仿真模型57-61
• 4.2.1 柴油机压气机仿真模型57
• 4.2.2 柴油机涡轮仿真模型57
• 4.2.3 柴油机气缸仿真模型57-60
• 4.2.4 柴油机仿真模型60
• 4.2.5 柴油机仿真模型验证60-61
• 4.3 涡轮活塞组合发动机SIMULINK动态仿真模型61-66
• 4.3.1 电磁阀仿真模型61-63
• 4.3.2 引气管路仿真模型63-64
• 4.3.3 放气管路仿真模型64-65
• 4.3.4 测功机仿真模型65
• 4.3.5 组合发动机仿真模型65-66
• 4.4 涡轮活塞组合发动机SIMULINK仿真分析66-72
• 4.4.1 稳态工作点仿真67-68
• 4.4.2 工作模式切换过程动态特性仿真68-72
• 4.5 本章小结72-73
• 第5章 涡轮活塞组合发动机控制系统73-82
• 5.1 涡轮活塞组合发动机控制方案73-74
• 5.2 涡轮活塞组合发动机控制策略74-77
• 5.2.1 工作模式选择74-75
• 5.2.2 工作模式切换75-77
• 5.3 涡轮活塞组合发动机控制策略仿真验证77-80
• 5.3.1 柴油机单独工作模式向柴燃联合工作模式转换77-79
• 5.3.2 柴燃联合工作模式向柴油机单独工作模式转换79-80
• 5.4 涡轮活塞组合发动机控制程序80-81
• 5.5 本章小结81-82
• 第6章 总结与展望82-84
• 6.1 总结82
• 6.2 展望82-84
• 参考文献84-86
• 致谢86-88
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 梁超;吴新跃;;燃气轮机动态仿真容积效应法研究[J];机电工程;2013年10期

2 吴鹏;王银燕;王贺春;赵东辉;;基于Simulink的柴油机仿真计算程序的研究及界面设计[J];内燃机与动力装置;2013年02期

3 张均享;李新敏;;坦克燃气轮机的使用和未来[J];国外坦克;2012年11期

4 张均享;李新敏;;坦克混合动力系统之解析[J];国外坦克;2011年07期

5 常隽;屈卫东;;基于MATLAB/SIMULINK的燃气轮机系统动态模型仿真研究[J];微型电脑应用;2010年06期

6 田颖;李淑英;孙聿峰;;柴-燃联合动力装置(CODAG)控制策略研究[J];武汉理工大学学报;2010年10期

7 崔凝;王兵树;孙志英;邓勇;;燃气轮机燃烧室动态仿真模型研究与应用[J];华北电力大学学报(自然科学版);2007年06期

8 李淑英;李杨;孙聿峰;糜杰;王敏;;柴—燃联合动力装置(CODAG)的实验研究[J];燃气轮机技术;2007年01期

9 糜杰;王明为;李淑英;孙聿峰;;CODAG柴燃联合动力装置测试系统设计[J];燃气轮机技术;2006年01期

10 蒋德松;陈景锋;;柴燃交替联合动力装置模式切换过程时间参数的实验研究[J];江苏科技大学学报(自然科学版);2006年01期

，

本文编号：913045