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目前，随着能源危机和生存环境等问题的日益严峻，人们对船舶柴油机的经济性能和排放性能要求越来越高。伴随柴油机相关排放法规的日益严格，尤其是国际海事组织（IMO）针对NO_x的排放标准越来越严格，如何降低柴油机NO_x的排放已成为行业内重要研究课题之一。采用米勒循环和两级涡轮增压相结合的方法是降低NO_x的有效方法。本文以TBD234V12柴油机为研究对象，以GT-Power仿真软件为平台，建立柴油机的仿真计算模型。为了预测NO_x的排放，在缸内工作过程计算时，选取以油滴蒸发燃烧模型和生成NO_x扩展的Zeldovich（泽尔多维奇）机理为基础的准维燃烧模型。首先，通过原机仿真计算结果与试验测量结果进行比较分析，验证了该仿真计算模型的正确性。并在验证后的原机模型上进行了米勒循环研究，分析其对柴油机的性能和NO_x排放的影响，通过对不同负荷下米勒循环的仿真计算结果可知，在高负荷时能使NO_x的排放降低达30%，并确定了柴油机在不同负荷下的最佳米勒配气定时角。在此基础上，按照N_c=Cn~3e推进特性对柴油机进行了两级增压匹配计算，通过对不同方案的计算结果对比分析，最终确定了高压级增压器型号为GT3788R，低压级型号为GT4294。采用两级增压后，在低负荷时，油耗降低了10%，高负荷时NO_x的降幅达30%。其次，为了更好地实现两级增压系统在柴油机上的布置，利用Pro/Engineer三维建模软件，建立了TBD234V12柴油机的三维模型。在此基础上，对该机两级增压系统进行设计，并在柴油机上进行了结构布置。根据柴油机进排气结构与所选取的增压器尺寸，设计了两级增压系统的进排气连通管，并利用Pro/Engineer软件建立其实体模型，并在柴油机推进特性的不同负荷下，使用Fluent软件对进排气管道进行流场计算分析。最后，根据TBD234V12柴油机的配气机构，设计了一种通用性较强的米勒循环定时机构，能实现进气阀配气定时的连续可变，并利用Pro/Engineer软件建立了本米勒循环机构的三维模型。