Προσομοίωση διβάθμιας στροβιλο-υπερπλήρωσης σε μόνιμη και μεταβατική λειτουργία με χρήση του υπολογιστικού πακέτου GT-Power

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με το θέμα της διβάθμιας στροβιλο-υπερπλήρωσης ενός εξακύλινδρου κινητήρα diesel και την μελέτη αυτού σε μόνιμες και μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας. Η διερεύνηση τόσο της μόνιμης, όσο και της μεταβατικής λειτουργίας των κινητήρων diesel, παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, λόγω της πληθώρας των εφαρμογών (βιομηχανία, οχήματα κλπ) στις οποίες αυτοί χρησιμοποιούνται. Βασικός στόχος της συγκεκριμένης εργασίας είναι η μοντελοποίηση του κινητήρα και του συστήματος υπερπλήρωσης με χρήση του υπολογιστικού πακέτου GT-Power, το οποίο είναι ένα εξειδικευμένο λογισμικό μοντελοποίησης με ευρεία χρήση στην βιομηχανία. Η διερεύνηση του μοντέλου σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας γίνεται με στόχο την κατανόηση και αξιολόγηση των επιδόσεων του κινητήρα και της εκπομπής ρύπων από αυτόν. Η εξέταση στο επίπεδο των ρύπων επικεντρώνεται στους δυο βασικότερους ρύπους των κινητήρων diesel, οι οποίοι είναι τα οξείδια του αζώτου (NOx) και η αιθάλη, και δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην δημιουργία τους κυρίως κατά την μεταβατική λειτουργία του κινητήρα. Τέλος, γίνεται σύγκριση του μοντέλου της διβάθμιας στροβιλο-υπερπλήρωσης με δύο αντίστοιχα μοντέλα για την απλή και την συνδυασμένη υπερπλήρωση σε μόνιμες και μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας, που είχαν ως βάση τον ίδιο κινητήρα και είχαν δημιουργηθεί κατά την εκπόνηση παλαιότερης διπλωματικής εργασίας.

This diploma thesis aims at the modeling of a six cylinder Diesel engine equipped with a dual turbocharging system and at the study of it at steady-state and transient conditions. The modeling and the study of the whole system is accomplished with the use of the GT-Power software. More specifically, the purpose of this study is the investigation of the model in several operating conditions and the evaluation of the results respectively to the performance of the engine and the emission of the main pollutants, i.e. the smoke opacity and nitrogen oxides (NOx). The examination of the system at steady-state conditions mainly focuses on the performance of the engine with the objective being the maximization of the power curve, whereas the study of the model at transient conditions focuses on the response of the engine and the emission of pollutants. The study at transient conditions investigates the impact of three different factors: speed demand acceleration and the initial load, the inertia of the load and the application of an extreme fuel limiter. Finally, a comparison of this model with a single-stage turbocharging system and a combined system, of the same diesel engine, is accomplished and through the above analysis arise the results for the behavior of the dual-stage turbocharging model. The most important ones for the examination of the system at steady-state conditions are the increase of the engine performance and the mechanical and the thermal stress of the engine, while for the investigation of the model at transient conditions is the important negative effect that the turbocharger phenomenon has on the response of the engine at low engine speeds.