船用二級(jí)增壓柴油機(jī)工作過程計(jì)算模型簡(jiǎn)化研究

張雁鵬，安士杰

(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033)

柴油機(jī)工作過程計(jì)算是現(xiàn)代柴油機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究的有效方法之一。在工作過程模擬中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)的預(yù)測(cè)，并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值進(jìn)行比較，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)及其優(yōu)化起到積極的指導(dǎo)作用。

AVL BOOST軟件是能夠?qū)?nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)過程進(jìn)行模擬計(jì)算的專業(yè)軟件，以某型二級(jí)增壓柴油機(jī)為例，應(yīng)用該軟件建立計(jì)算仿真模型，并與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。AVL BOOST軟件中，最重要的數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置為氣缸燃燒過程的設(shè)置。對(duì)于燃燒過程的研究大體可以分為燃燒放熱率的計(jì)算、零維燃燒模型、準(zhǔn)維燃燒模型和多維燃燒模型。

1 柴油機(jī)計(jì)算過程數(shù)學(xué)模型

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

模型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 模型選擇

針對(duì)此型號(hào)柴油機(jī)采用零維燃燒模型，燃燒模型采用單vibe模型，缸內(nèi)傳熱模型采用Woschni1978換熱模型。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 柴油機(jī)工作模型

柴油機(jī)二級(jí)增壓工作模型見圖1，SB1、SB2為系統(tǒng)邊界，1～20為連接管道，PL1和PL2為進(jìn)排氣總管，CO1和CO2為空冷器，TC1和TC2為渦輪增壓器，C1～C6為氣缸，MP1～MP10為測(cè)量點(diǎn)。

表1 模型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 柴油機(jī)二級(jí)增壓工作模型

2.2 主要參數(shù)

關(guān)于噴油量的控制，在BOOST里可以通過空燃比或循環(huán)噴油量來定義，通過定義每缸每循環(huán)噴入氣缸的燃油克數(shù)來確定。

式中:be——標(biāo)定功率點(diǎn)燃油消耗率，g/(kW·h);

i——柴油機(jī)氣缸數(shù);

Pe——柴油機(jī)標(biāo)定功率，kW;

n——柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

軟件中確定的參數(shù)有燃燒起始角、燃燒持續(xù)角和燃燒品質(zhì)指數(shù)。同時(shí)，設(shè)定燃燒為完全燃燒。

2.3 增壓系統(tǒng)的計(jì)算與簡(jiǎn)化

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

計(jì)算式一級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度為298 K，二級(jí)壓氣機(jī)出口空氣溫度取359 K，環(huán)境壓力與原機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)大氣壓力相同，因而總壓比π=2.1。

2.3.1 一級(jí)壓氣機(jī)出口壓力溫度參數(shù)

一級(jí)壓氣機(jī)空氣出口壓力為0.12 MPa，一級(jí)壓氣機(jī)空氣出口溫度為370 K。

2.3.2 中冷器參數(shù)計(jì)算

在二級(jí)增壓模型中，中冷器實(shí)際上是一個(gè)具有節(jié)流和降溫作用的換熱原件，使壓氣機(jī)的工作過程近似等同于等溫壓縮。

式中:Ti——中冷器進(jìn)口氣體溫度;

Tw——中冷器出口處的水溫;

ηc——中冷器效率的中冷器出口空氣溫度。

2.3.3 模型的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行二級(jí)增壓模型的建立與調(diào)式中，二級(jí)增壓中近似于等同于等溫壓縮的過程(見圖2)。將二級(jí)增壓的模型簡(jiǎn)化為一級(jí)增壓的模型。

模型簡(jiǎn)化證明如下。

1)如圖2所示，當(dāng)進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化時(shí)，軟件原先最初計(jì)算是1—2—2＇—3的過程，進(jìn)行模型簡(jiǎn)化后則為1—3的多變過程。則兩個(gè)過程的壓縮功所代表的面積極其相似。

2)根據(jù)技術(shù)參數(shù)要求，各氣缸廢棄允許溫度不大于973 K。因?yàn)樵诙?jí)增壓系統(tǒng)中，循環(huán)最高溫度相比一級(jí)增壓系統(tǒng)來說下降，因而其各氣缸廢氣溫度也相比一級(jí)增壓系統(tǒng)來說下降，在圖3中所示排放廢氣溫度在排氣時(shí)候的溫度滿足模型建立的條件。

圖2 柴油機(jī)一級(jí)增壓工作模型

圖3 一級(jí)增壓模型氣缸廢氣溫度(四號(hào)測(cè)量點(diǎn))

3)使用一級(jí)增壓模型中缸內(nèi)的溫度曲線和壓力曲線見圖4和圖5。

圖4 缸內(nèi)溫度曲線(一號(hào)缸)

圖5 缸內(nèi)壓力曲線(一號(hào)缸)

如果使用圖1的二級(jí)增壓模型，則得到的缸內(nèi)溫度和壓力曲線見圖6和圖7。

圖6 缸內(nèi)溫度曲線(一號(hào)缸)

由一級(jí)增壓模型中缸內(nèi)的溫度和壓力曲線和二級(jí)增壓模型中缸內(nèi)的溫度和壓力曲線中對(duì)比可知，其結(jié)果均在技術(shù)手冊(cè)允許范圍內(nèi)，因而在相同缸內(nèi)參數(shù)情況下滿足二級(jí)增壓模型轉(zhuǎn)化為一級(jí)增壓模型。

圖7 缸內(nèi)壓力曲線(一號(hào)缸)

3 參數(shù)調(diào)整

3.1 噴油提前角

噴油提前角的位置對(duì)燃燒過程影響很大［2，3］。噴油提前角與燃燒起始角有相同的影響趨勢(shì)。文中以燃燒起始角由-15°至-10°再到-8°進(jìn)行計(jì)算，見表3。

表3 燃燒起始角

由表3可見，最高爆壓、油耗和排氣溫度的確按照之前的預(yù)計(jì)變化。其中，最高爆壓降幅度最大，排氣溫度小幅度提升;但是其平均有效壓力和油耗并不與燃燒起始角呈線性關(guān)系。

3.2 Vibe模型參數(shù)調(diào)整

形狀參數(shù)和燃燒持續(xù)角可以改變氣缸內(nèi)燃燒放熱率曲線的形狀。

形狀參數(shù)m的調(diào)整，見表4，最終選取m=1.0。

表4 形狀參數(shù)m

經(jīng)過圖表化的形狀因子調(diào)整見圖8。

圖8 形狀因子調(diào)整

燃燒持續(xù)角的調(diào)整，見表5。

表5 燃燒持續(xù)角的調(diào)整

經(jīng)過圖表化的燃燒持續(xù)角的調(diào)整見圖9。

圖9 燃燒持續(xù)角的調(diào)整

經(jīng)過上述調(diào)整選擇燃燒持續(xù)角為50°，形狀因子為1。

4 計(jì)算結(jié)果

通過模擬計(jì)算轉(zhuǎn)速為750 r/min，額定工況下柴油機(jī)的工作過程，得到主要數(shù)據(jù)見表6。

表6 主要數(shù)據(jù)與參考/技術(shù)參數(shù)對(duì)比

上述計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值及計(jì)算值與參考值的比較表明，平均有效壓力、缸內(nèi)最大壓力、功率、各氣缸排氣溫度、有效燃油消耗率基本吻合。

5 結(jié)論

1)在仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的參考數(shù)據(jù)對(duì)比中，油耗、排氣溫度、最大爆壓以及平均有效壓力的模擬值都在允許誤差范圍內(nèi)，滿足模擬計(jì)算的要求，從而使本模型可以足夠精確地獲得柴油機(jī)工況下的熱力參數(shù)，為以后此型柴油機(jī)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和故障診斷提供了準(zhǔn)確依據(jù)。

2)本次進(jìn)行的仿真計(jì)算，將二級(jí)增壓模型簡(jiǎn)化為一級(jí)增壓模型，通過理論的驗(yàn)證，將一級(jí)增壓模型與技術(shù)手冊(cè)參數(shù)要求進(jìn)行對(duì)比，將二級(jí)增壓模型與一級(jí)增壓模型的缸內(nèi)壓力和溫度曲線對(duì)比，可行性分析說明，仿真模型可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性造成影響，所以必須與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)行多次驗(yàn)證;在仿真模型中，部分?jǐn)?shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，所以仍然需要多進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來完善計(jì)算，將模擬和實(shí)驗(yàn)一體化，互相補(bǔ)充。

［1］周龍保，高英宗.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］劉 騫，尹頌華.基于AVLBOOST仿真優(yōu)化及柴油機(jī)性能預(yù)測(cè)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31:153-157.

［3］繆本樂，安士杰，邵利民.壓力波動(dòng)對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)及噴油規(guī)律影響的仿真研究［J］.船海工程，2009，38(4):66-69.