现有船用发动机的结构改造方法和改造的船用发动机

1.本发明属于船用高功率密度柴油机燃烧优化领域，具体涉及一种结合燃烧室涂层的现有船用发动机的结构改造方法和改造的船用发动机。


背景技术：

2.运输是人类社会正常运动的基础，而船舶运输作为国际贸易往来的主要载体，其承载重量、行驶路程、工作稳定性等要求都超过常规运输方式。而柴油机热效率、功率密度高、扭矩大等优点。所以传统船舶的动力装置基本以柴油机为主。但相应的，柴油机内部工作温度较高，燃烧室各壁面通过的热流量较大，以某中速四冲程发动机为例，通过活塞的热流量可达50％，瞬时热流量达70kj/s。而因长时间高温产生的热应力会造成燃烧室壁面金属疲劳，影响动力装置的稳定性。本发明结合隔热涂层技术，提出一种在燃烧室施加隔热涂层，并在缸内燃烧最剧烈时通过四周布置的四个喷气阀向活塞表面吹扫空气，形成隔热气膜，从而达到降低缸内局部热负荷、热应力。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种结合燃烧室涂层的现有船用发动机的结构改造方法。本发明通过仿真模型确定燃烧室传热最剧烈阶段对应的活塞位置作为涂层在缸套内壁覆盖区域，无须在缸套内全部涂覆涂层，只需局部覆盖即可达到良好的隔热效果；而且依据仿真模型进而得到喷气阀的位置和喷射时刻，能使未燃烧的燃料与空气混合得更加均匀，使得热量快速释放，达到较高的热效率和功率密度。
4.现有船用发动机的结构改造方法，包括：
5.步骤一：建立现有的船用发动机的三维模型，设置边界条件与实验机型进行标定；仿真输出缸套热流情况，选取满负荷上止点后热流急剧增加的曲轴转角，通过输出的活塞运动曲线计算其对应的活塞位置；
6.此时所述活塞位置的活塞顶部边缘与缸套的接触部分形成垂直于气缸中轴的圆环，以此圆环的z轴坐标为起点，向上涂覆涂层至缸套顶部，涂覆区域即为缸套局部涂层的涂覆区域；
7.步骤二：进行初次原机改造及更新模型
8.根据步骤一确定的燃烧室缸套局部涂层的涂覆区域，燃烧室内缸套局部涂覆涂层，其余缸盖、活塞全涂覆涂层；
9.然后在步骤一建立的模型上添加涂层模型，仿真输出缸套热流情况，选择上止点0
°
10.后传热开始剧烈增加的起始角度对应的活塞位置作为喷气阀在燃烧室缸套的位置，以及确定喷孔直径；
11.步骤三：再次进行原机改造及喷气阀的喷气控制设置
12.根据步骤二的仿真结果确定的喷气阀位置，在燃烧室缸套上设置多个喷气阀，所
述喷气阀的端部伸入缸盖的侧壁，其端部有喷孔；所述喷气阀与缸外的压力容器相连接，由系统控制其喷气；所述喷气阀设置成能够在任意的正时以任意量向燃烧室内部喷入空气；
13.在步骤二的模型基础上再添加喷气阀模型，仿真输出缸套热流情况，选择上止点0
°
14.后传热开始剧烈增加的起始角度对应的活塞位置作为喷气阀喷气的位置；
15.系统控制当活塞向下经过喷气阀的喷孔时立刻喷入小股温度值为300-330k的新鲜空气，形成气膜；喷入空气持续3-5
°
ca，喷气阀快速关闭，缸内燃烧继续进行，直到排气-进气-压缩再循环。
16.进一步的，所述喷气阀的喷孔的口径为1mm，喷气的压力为10-30mpa。
17.进一步的，燃烧室局部涂覆的涂层为双层结构，表面为8ysz(掺杂8％质量比例的氧化钇稳定氧化锆)陶瓷涂层，燃烧室内壁与陶瓷涂层之间的粘结层选用nicral。
18.进一步的，一种改造的船用发动机，包括缸盖、缸套、燃烧室和活塞，所述缸盖上设置有进气门、排气门和四个对置分布喷气阀；所述发动机缸盖、缸套与活塞共同组成燃烧室；所述燃烧室缸套为局部涂覆涂层，涂层的位置由现有船用发动机的结构改造方法的步骤一仿真确定；其余缸盖、活塞全涂覆涂层；所述喷气阀的位置也由现有船用发动机的结构改造方法的步骤二仿真确定；所述喷气阀沿缸套水平四周对称布置，相对的设置于缸盖的侧壁上，且所述喷气阀的喷孔仅穿透缸壁；所述喷气阀与缸外的压力容器相连接，由系统控制其喷气。
19.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
20.本发明基于内燃机的隔热涂层技术，在尽量减少涂层材料损耗的、保证改进后装置的使用寿命的基础上，通过增加系统控制的喷气设置，不但可以降低发动机的散热损失，还能加剧缸内的混合燃烧，增加热效率。而且能够延长易受高温高应力损坏的活塞涂层的使用寿命。
附图说明
21.图1是本发明所述的现有船用发动机的结构改造方法的流程图；
22.图2是本发明所述的缸套、活塞壁面热流简图；
23.图3是根据本发明所述的发动机结构改造方法改造后的发动机简图。
24.其中，
25.1：缸盖2：缸套3：活塞4：喷气阀
26.5：燃烧室隔热涂层
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
28.如图1所示，一种现有船用发动机的结构改造方法，具体包括如下步骤：
29.步骤一：通过converge等cfd软件，建立现有的船用中速四冲程柴油发动机的三维模型进行网格划分，设置边界条件与实验机型进行确定，设置喷油参数和相关的模型，进行原机的仿真计算。仿真结果中的缸压和放热率曲线是标定过程的重点，应与实验测得的曲
线走势一致，数值吻合。此时完成仿真模型的标定工作。
30.步骤二：仿真输出的热流文件如图2所示，图中已将缸套和活塞所表示的曲线标出。从图2可以看出，在0
°
～40
°
转角间，缸套散热占其总散热近50％，活塞散热占其总散热近80％，即认为0
°
～40
°
转角间为满负荷上止点后热流急剧增加的曲轴转角，其中缸套涂层的位置由燃烧的状况决定，保证涂层覆盖的部分是传热最剧烈的一部分。通过输出的活塞运动曲线算出0
°
～40
°
转角对应的活塞位置，此时所述活塞位置的活塞顶部边缘与缸套的接触部分形成垂直于气缸中轴的圆环，以此圆环的z轴坐标为起点，向上涂覆涂层至缸套顶部，涂覆区域即为缸套局部涂层的涂覆区域，其余缸盖、活塞可以直接涂覆涂层。
31.燃烧室缸套局部涂覆区域、缸盖、活塞的涂层均为双层结构，表面为陶瓷涂层，燃烧室内壁与陶瓷涂层之间的粘结层选用与基体、陶瓷涂层结合较好的材料，优选nicral/8ysz的材料组合。所述粘结层经由激光熔覆在燃烧室缸套、缸盖、活塞内表面上，且陶瓷涂层在粘结层后由aps大气等离子喷涂技术涂覆在粘结层外壁。
32.步骤三：进行初次原机改造及更新模型
33.s301：进行原机改造；根据步骤二获得的燃烧室缸套涂层的涂覆位置在所述船用中速四冲程柴油发动机的燃烧室缸套涂覆涂层，其余位置不涂覆涂层，保证涂层覆盖的部分是传热最剧烈的一部分。按此方法设计的发动机，燃烧室缸套只是部分涂覆涂层，缸盖(包括气门底部)、活塞为全涂覆；这种涂覆方式一方面可以减少涂层材料的使用，节约成本。另一方面，由于大型船用柴油机的缸套尺度较大，全覆盖的涂层很容易在与活塞环的摩擦接触和高温带来的热应力作用下发生结构断裂，影响动力装置的使用。
34.s302：在步骤一建立的模型上添加涂层模型；再次进行如步骤一的标定计算，得出添加燃烧室涂层后活塞涂层表面热流曲线。同样如步骤二的操作，选择上止点0
°
后传热开始剧烈增加的起始角度对应的活塞位置作为喷气阀在燃烧室缸套的位置。
35.步骤四：再次进行原机改造，即按照s302仿真的结果，将喷气阀安装在燃烧室缸套上。
36.改造后的发动机如图3所示，一种船用中速四冲程柴油发动机，包括缸盖1、缸套2、燃烧室和活塞3，所述缸盖1上设置有进气门、排气门和4个喷气阀4；所述发动机缸盖1、缸套2与活塞3共同组成燃烧室。所述燃烧室缸套的涂层已在s301中根据步骤二的仿真结果完成涂覆。根据s302的仿真结果，确定所述喷气阀4在缸套上的位置以及确定喷孔直径；所述喷气阀沿缸套水平四周对称布置，相对的设置于缸盖1的侧壁上，形成系统控制的四侧对称布置空气喷射阀，且所述喷气阀4的端部喷孔穿透缸盖1的侧壁，但不伸入缸内以免影响压缩行程。所述喷气阀与缸外的压力容器相连接，由系统控制其喷气；所述喷气阀设置成能够在任意的正时以任意量向燃烧室内部喷入空气；喷孔的口径尽量小，喷气的压力尽量高以在短时间内达到吹扫活塞表面的目的。
37.步骤五：喷气阀的喷气控制设置
38.在步骤s302的模型基础上，添加喷气阀的模型，喷气阀在缸套的位置选择上述起始转角对应的活塞位置。系统控制当活塞向下经过喷气阀的喷孔时立刻喷入小股温度较低的空气。四个所述喷气阀向缸内四周迅速喷入空气，吹扫活塞表面，形成温度较低的气膜，大大减少缸内气体与活塞涂层表面的热应力。此外，所述喷气阀也能使未燃烧的燃料与空气混合得更加均匀，使得热量快速释放，达到较高的热效率和功率密度。对比某中速四冲程
发动机，四个负荷下活塞表面的热流走向趋势几乎完全一致。因此将喷气阀固定在某一位置也足以保证空气在各工况下可以在活塞表面形成气膜。
39.当喷气达3-5
°
ca，喷气阀快速关闭，缸内燃烧继续进行，直到排气-进气-压缩再循环。
40.经本发明所述船用发动机的结构改造方法，所述喷气阀在进气、压缩过程关闭，以避免进气和喷油的损失。燃料喷入缸内，在缸内高温高压气体内迅速破裂混合，而后发生剧烈燃烧。此时所述燃烧室涂层具有良好的隔热性能，能大幅减少燃烧过程对缸外的放热，增加缸内的温度。
41.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.现有船用发动机的结构改造方法，其特征在于，包括：步骤一：建立现有的船用发动机的三维模型，设置边界条件与实验机型进行标定；仿真输出缸套热流情况，选取满负荷上止点后热流急剧增加的曲轴转角，通过输出的活塞运动曲线计算其对应的活塞位置；此时所述活塞位置的活塞顶部边缘与缸套的接触部分形成垂直于气缸中轴的圆环，以此圆环的z轴坐标为起点，向上涂覆涂层至缸套顶部，涂覆区域即为缸套局部涂层的涂覆区域；步骤二：进行初次原机改造及更新模型根据步骤一确定的燃烧室缸套局部涂层的位置，燃烧室内缸套局部涂覆涂层，其余缸盖、活塞全涂覆涂层；然后在步骤一建立的模型上添加涂层模型，仿真输出缸套热流情况，选择上止点0
°
后传热开始剧烈增加的起始角度对应的活塞位置作为喷气阀在燃烧室缸套的位置，以及确定喷孔直径；步骤三：再次进行原机改造及喷气阀的喷气控制设置根据步骤二的仿真结果确定的喷气阀位置，在燃烧室缸套(2)上设置多个喷气阀(4)，所述喷气阀(4)的端部伸入缸盖(1)的侧壁，其端部有喷孔；所述喷气阀与缸外的压力容器相连接，由系统控制其喷气；所述喷气阀(4)设置成能够在任意的正时以任意量向燃烧室内部喷入空气；在步骤二的模型基础上再添加喷气阀模型，仿真输出缸套热流情况，选择上止点0
°
后传热开始剧烈增加的起始角度对应的活塞位置作为喷气阀喷气的位置；系统控制当活塞(3)向下经过喷气阀(4)的喷孔时立刻喷入小股温度值为300-330k的新鲜空气，形成气膜；喷入空气持续3-5
°
ca，喷气阀(4)快速关闭，缸内燃烧继续进行，直到排气-进气-压缩再循环。2.根据权利要求1所述的现有船用发动机的结构改造方法，其特征在于，所述喷气阀(4)的喷孔的口径为1mm，喷气的压力为10-30mpa。3.根据权利要求1所述的现有船用发动机的结构改造方法，其特征在于，燃烧室局部涂覆的涂层为双层结构，表面为陶瓷涂层，燃烧室内壁与陶瓷涂层之间的粘结层选用nicral。4.一种改造的船用发动机，包括缸盖(1)、缸套(2)、燃烧室和活塞(3)，所述缸盖(1)上设置有进气门、排气门和4个对置分布喷气阀(4)；所述发动机缸盖(1)、缸套(2)与活塞(3)共同组成燃烧室；其特征在于，所述燃烧室缸套为局部涂覆涂层，涂层的位置由权利要求1所述的现有船用发动机的结构改造方法的步骤一仿真确定；其余缸盖、活塞全涂覆涂层；所述喷气阀(4)的位置也由权利要求1所述的现有船用发动机的结构改造方法的步骤二仿真确定；所述喷气阀沿缸套水平四周对称布置，相对的设置于缸盖(1)的侧壁上，且所述喷气阀(4)的端部喷孔仅穿透缸盖(1)的侧壁，但不伸入缸内；所述喷气阀(4)与缸外的压力容器相连接，由系统控制其喷气。

技术总结
本发明公开一种现有船用发动机的结构改造方法及改造的船用发动机，所述改造方法包括仿真现用船用发动机的缸套热流情况获得满负荷上止点后热流急剧增加的曲轴转角获得活塞位置，进而获取缸套局部涂层的涂覆区域；根据获得的缸套局部涂覆区域进行初次原机改造和更新模型；在模型上添加涂层模型后继续仿真，确定喷气阀的位置，再次进行原机改造和喷气控制设置。本发明通过仿真模型确定燃烧室传热最剧烈阶段对应的活塞位置作为涂层在缸套内壁覆盖区域，只需局部覆盖即可达到良好的隔热效果；而且依据仿真模型进而得到喷气阀的位置和喷射时刻，能使未燃烧的燃料与空气混合得更加均匀，使得热量快速释放，达到较高的热效率和功率密度。功率密度。功率密度。


技术研发人员：王洋 张凯 马炳成 刘龙
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/9