柴油机是船舶主要的主动力设备,它具有扭力大、可靠性高、经济性优等特点,日益得到世界市场的青睐。近年来,由于我国海洋强国战略的实施,军民都需要优良的大功率船用柴油机,尤其大功率中高速机作为船舶的主机。某船舶由于需要在排气背压6.0k Pa和进气真空度4.0k Pa运行要求下,使用280mm缸径柴油机,而一般情况下船用柴油机的设计要求为排气背压与进气真空度均为2.5k Pa的工况,无法满足工况条件运行要求。本文基于GT-POWER的仿真模拟计算,设计出能满足排气背压6.0k Pa和进气真空度4.0k Pa运行要求下的船用大功率柴油机,并进行了台架试验分析。本次研究提高了设计的准确度和效率,缩短了产品开发流程,对于实现船用柴油机国产化具有重要意义。本文采用理论结合试验的方法进行以下的研究:首先,研究了船用大功率柴油机、增压器匹配、进排气系统等方面的国内外现状,根据柴油机主要性能设计要求,提出了280大功率柴油机总体设计方案;分析了所设计的大功率柴油机四大系统的原理,并根据柴油机工作性能影响因素和增压效果的评估,重点设计了设进、排气系统。其次,详细建立了所设计大功率柴油机工作过程的数学模型。将柴油机热力系统划分为气缸子系统、进气系统、排气系统、空冷器系统和涡轮增压系统五个系统,并重点对气缸、进排气系统、增压器系统进行研究;建立了采用准维燃烧的气缸内燃烧过程数学模型,并推导了基于Woschni公式的气缸传热模型;运用一维非定常有限容积法建立了进、排气系统计算模型;根据压气机和涡轮机的平衡条件,建立涡轮增压器的模型,为柴油机工作过程仿真提供了理论基础。然后,基于GT-POWER软件建立了大功率柴油机的仿真计算模型,分析进排气管内压力、充量系数和马赫数,从而优化了所设计的进排气管结构尺寸;通过匹配JP350增压器和TPR61增压器,经过对柴油机性能的工作指标的数据分析比对,并给出柴油机与增压器联合运行曲线,从而确定最优增压器;根据喷油提前角和气阀重叠角的优化,进行对比研究分析,将柴油机的经济性和动力性达到最优。最后,在排气背压6.0k Pa和进气真空度4.0k Pa的条件下,进行柴油机台架试验,得到增压压力、最高燃烧压力、燃油消耗率、涡轮前排温度、增压器效率、喘振裕度等柴油机主要性能数据,试验数据与仿真计算数据的对比,验证了仿真模型的正确性,所设计的大功率柴油机达到技术指标要求。