車用電控柴油機(jī)噴油器匹配仿真分析研究

陳其志　王蕊　鄧禮建　鄭國世

摘 要：本文介紹了車用電控柴油機(jī)噴油器匹配仿真分析研究過程。研究結(jié)果表明：GT-POWER軟件可用于車用電控柴油機(jī)噴油器匹配仿真分析研究；所建立的仿真模型能準(zhǔn)確模擬車用電控柴油機(jī)實際運行工況；確定了C型噴油器為本次仿真計算的最優(yōu)匹配選擇。

關(guān)鍵詞：電控柴油機(jī)；噴油器；仿真計算

中圖分類號：U464.136 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2014）02-0024-05

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)越來越成熟，從而使發(fā)動機(jī)理論也建立在一個新的基礎(chǔ)之上，GT-POWER是一款適用于對各種內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行性能模擬仿真的應(yīng)用軟件，包括車用電控柴油機(jī)。本文首先應(yīng)用GT-POWER軟件建立車用電控柴油機(jī)的模型，然后對該款柴油機(jī)進(jìn)行臺架性能試驗，通過試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，驗證所建立的模型的正確性和可靠性，之后選擇三種不同的噴油器對柴油機(jī)性能進(jìn)行仿真計算與分析，確定最佳噴油器，達(dá)到噴油器選型的目的。

1 柴油機(jī)仿真模型建立

計算機(jī)仿真就是應(yīng)用軟件對發(fā)動機(jī)工作過程進(jìn)行模擬計算，它可以減少試驗次數(shù)及時間，節(jié)省人力、物力和財力。軟件內(nèi)部集成了大量的經(jīng)驗公式，在遇到各種預(yù)設(shè)情況時給予支持，自動完成繁雜的計算步驟，得出內(nèi)燃機(jī)的各項性能參數(shù)，為優(yōu)化設(shè)計提供理論支持和參考。

1.1 GT-POWER軟件簡介

GT-POWER軟件具有準(zhǔn)確的物理模型、豐富的解析技能和簡單方便的建模方法，適用于對各種內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行性能模擬仿真，包括車用電控柴油機(jī)。模型采用通用的功能模塊進(jìn)行連接和匹配，組成簡潔直觀的發(fā)動機(jī)模型，從而可以在計算機(jī)程序上進(jìn)行發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)性能方面的模擬計算，為零部件的優(yōu)化設(shè)計和匹配調(diào)整提供依據(jù)。

1.2 仿真模型建立過程

此次仿真計算研究對象是某6.7 L電控高壓共軌柴油機(jī)，它的基本參數(shù)與性能指標(biāo)如表1所示。

表1 某6.7 L柴油機(jī)參數(shù)與指標(biāo)

應(yīng)用GT-POWER軟件依次建立柴油機(jī)的氣缸體、進(jìn)氣歧管、排氣歧管、渦輪增壓器和中冷器以及燃燒的模型，之后把各個部分連接起來，形成柴油機(jī)的總體模型，見圖1。

1.3 模型標(biāo)定思路

柴油機(jī)模型建立好之后，還需要針對具體要求設(shè)置運行參數(shù)，進(jìn)行模型標(biāo)定。

1.3.1 中冷系統(tǒng)的標(biāo)定

圖2 中冷系統(tǒng)標(biāo)定流程示意圖

用質(zhì)量流量邊界模擬壓氣機(jī)出口，環(huán)境邊界模擬中冷器出口；通過調(diào)整有關(guān)壓力損失和熱傳遞參數(shù)，使中冷后的壓力和溫度跟實測保持一致。

1.3.2 燃燒模型標(biāo)定

直接采用GT-Power的放熱率模型，輸入缸壓曲線；在沒有缸壓曲線的情況下，柴油機(jī)考慮DIJet仿真燃燒模型 。標(biāo)定調(diào)整方法可以通過GT-Power自帶DOE工具，優(yōu)化目標(biāo)包括功率、爆壓、進(jìn)氣流量，在所有DOE計算結(jié)果中進(jìn)行折衷處理。

1.3.3 摩擦功標(biāo)定

燃燒模型標(biāo)定完后，如果功扭仍不滿足要求，調(diào)整摩擦功參數(shù)。

1.3.4 渦輪增壓系統(tǒng)標(biāo)定

用自由軸驅(qū)動渦輪，驅(qū)動轉(zhuǎn)速為實測增壓器轉(zhuǎn)速；用自由軸驅(qū)動壓氣機(jī)，驅(qū)動轉(zhuǎn)速為實測增壓器轉(zhuǎn)速；先后對壓氣機(jī)和渦輪機(jī)進(jìn)行調(diào)試，實現(xiàn)增壓器系統(tǒng)的內(nèi)部平衡，即轉(zhuǎn)速、流量、功率三者平衡。

1.3.5 系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定

在1.3.1基礎(chǔ)上增加發(fā)動機(jī)本體，用環(huán)境邊界模擬渦前壓力、溫度。調(diào)整對象包括進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣管、氣缸內(nèi)壁、排氣歧管和排氣管；調(diào)整參數(shù)包括有關(guān)壓力損失和熱傳遞的參數(shù)，如：進(jìn)氣歧管的壓損、溫度，進(jìn)氣管口的溫度、進(jìn)氣管流量系數(shù)，氣缸壁面溫度、熱傳遞因子，排氣歧管的壓損、溫度，排氣管壁溫；使充氣效率、中冷器出口壓力、溫度，進(jìn)氣歧管部分溫度，排氣歧管部分溫度、壓力跟實測保持一致。

1.4 仿真模型計算與驗證

柴油機(jī)模型建立好之后，針對具體要求設(shè)置運行參數(shù)進(jìn)行了模型標(biāo)定，之后進(jìn)行模型模擬運算，對柴油機(jī)全負(fù)荷運行時的幾個工況點的動力性能進(jìn)行模擬計算，得到如圖3，圖4所示的特性曲線圖。由圖3得知，GT-POWER軟件仿真計算功率和該型發(fā)動機(jī)的臺架實際測試結(jié)果誤差在±3%以內(nèi)，1 300 rpm-1 600 rpm略大，圖中誤差線為2%；由圖4得知，GT-POWER軟件仿真計算比油耗和該型發(fā)動機(jī)的臺架實際測試結(jié)果誤差在±3%以內(nèi)，圖中誤差線為±3%；由此說明本仿真模型能夠比較準(zhǔn)確地反映柴油機(jī)的實際性能、可靠性較高，能夠作為進(jìn)一步噴油器選型設(shè)計的依據(jù)。

圖2 試驗與仿真功率對比圖

圖3 試驗與仿真比油耗對比圖

2 噴油器選型仿真計算

2.1 計算對象

選取三種噴油器，進(jìn)行仿真計算與分析。重點是分析噴油器匹配中發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動力性、可靠性方面的變化與差異。三種噴油器的主要特征如表2所示。

表2 噴油器主要參數(shù)

2.2 計算方法

根據(jù)仿真模型，分別針對A、B、C三種噴油器進(jìn)行計算，分析它們對發(fā)動機(jī)扭矩、比油耗以及渦輪增壓器的渦前排氣溫度等的影響，尤其是發(fā)動機(jī)萬有特性對車用柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性影響很大，不能忽略。

2.3 計算條件

模型中壓力損失及溫度控制條件如下：

進(jìn)氣阻力：-3 kPa，模擬空氣濾清器。

中冷壓差：13 kPa，模擬空空中冷器。

排氣背壓：20 kPa，模擬后處理系統(tǒng)。

中冷后溫：50 deg_c，模擬空空中冷器。

2.4 計算分析

依據(jù)計算方法和計算條件，進(jìn)行三種噴油器的仿真計算，下面對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

如圖5所示，B型噴油器在1 300 rpm以下發(fā)動機(jī)扭矩滿足不了設(shè)計要求，在實際開發(fā)中可能會遇到，即使發(fā)動機(jī)扭矩滿足要求，發(fā)動機(jī)排氣煙度也可能大于其它兩種噴油器；C型噴油器與A型噴油器的發(fā)動機(jī)扭矩基本相當(dāng)。endprint

圖5 三種噴油器的扭矩曲線

圖6 三種噴油器的比油耗曲線

如圖6所示，B型噴油器的發(fā)動機(jī)全負(fù)荷比油耗整體比其它兩種差，1 300 rpm以下差別更大；C型噴油器與A型噴油器基本相當(dāng)。

如圖7所示，B型噴油器在1 300 rpm以下的發(fā)動機(jī)渦前排氣溫度低于其它兩種，平均低約20 deg_C；C型噴油器與A型噴油器基本相當(dāng)。

圖7 三種噴油器的渦前排氣溫度曲線

B—點劃線；VS C—實線

圖8 B、C型噴油器的萬有特性曲線

C—實線；VS A—點劃線

圖9 A、C型噴油器的萬有特性曲線

如圖8所示，C型噴油器在發(fā)動機(jī)萬有特性上表現(xiàn)是在60%負(fù)荷以上燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于B型噴油器。

如圖9所示，C型噴油器在發(fā)動機(jī)萬有特性上表現(xiàn)是在最大扭矩轉(zhuǎn)速以上燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于A型噴油器。

綜合分析，C型噴油器整體性能最優(yōu)。

3 臺架試驗驗證

圖10 三種噴油器的實際臺架運行扭矩曲線

圖11 三種噴油器的實際臺架運行比油耗曲線

圖12 三種噴油器的實際臺架運行S415煙度曲線

通過軟件仿真計算，得出了C型噴油器整體最優(yōu)；隨后在試驗室采用該型號發(fā)動機(jī)的180馬力標(biāo)定進(jìn)行了實際的噴油器運行試驗，每次更換噴油器之后對標(biāo)定進(jìn)行調(diào)整，使之滿足以下條件：

①排溫、爆壓、增壓器轉(zhuǎn)速不超過限值；

②外特性達(dá)到設(shè)計目標(biāo)；

③經(jīng)濟(jì)性、煙度最優(yōu)。

試驗結(jié)果如圖11、圖12、圖13所示，從扭矩曲線吻合性、比油耗、煙度方面得出了C型噴油器整體最優(yōu)，進(jìn)一步驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性和實用性。

4 結(jié)論

（1）GT-POWER軟件可用于車用電控柴油機(jī)噴油器匹配仿真分析研究。

（2）所建立的仿真模型能準(zhǔn)確模擬車用電控柴油機(jī)實際運行工況。

（4）確定了C型噴油器為本次仿真計算的最優(yōu)匹配選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]唐忠良，等.基于GT—power的船用柴油機(jī)增壓匹配仿真優(yōu)化分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2013，1（6）.endprint

圖5 三種噴油器的扭矩曲線

圖6 三種噴油器的比油耗曲線

如圖6所示，B型噴油器的發(fā)動機(jī)全負(fù)荷比油耗整體比其它兩種差，1 300 rpm以下差別更大；C型噴油器與A型噴油器基本相當(dāng)。

如圖7所示，B型噴油器在1 300 rpm以下的發(fā)動機(jī)渦前排氣溫度低于其它兩種，平均低約20 deg_C；C型噴油器與A型噴油器基本相當(dāng)。

圖7 三種噴油器的渦前排氣溫度曲線

B—點劃線；VS C—實線

圖8 B、C型噴油器的萬有特性曲線

C—實線；VS A—點劃線

圖9 A、C型噴油器的萬有特性曲線

如圖8所示，C型噴油器在發(fā)動機(jī)萬有特性上表現(xiàn)是在60%負(fù)荷以上燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于B型噴油器。

如圖9所示，C型噴油器在發(fā)動機(jī)萬有特性上表現(xiàn)是在最大扭矩轉(zhuǎn)速以上燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于A型噴油器。

綜合分析，C型噴油器整體性能最優(yōu)。

3 臺架試驗驗證

圖10 三種噴油器的實際臺架運行扭矩曲線

圖11 三種噴油器的實際臺架運行比油耗曲線

圖12 三種噴油器的實際臺架運行S415煙度曲線

通過軟件仿真計算，得出了C型噴油器整體最優(yōu)；隨后在試驗室采用該型號發(fā)動機(jī)的180馬力標(biāo)定進(jìn)行了實際的噴油器運行試驗，每次更換噴油器之后對標(biāo)定進(jìn)行調(diào)整，使之滿足以下條件：

①排溫、爆壓、增壓器轉(zhuǎn)速不超過限值；

②外特性達(dá)到設(shè)計目標(biāo)；

③經(jīng)濟(jì)性、煙度最優(yōu)。

試驗結(jié)果如圖11、圖12、圖13所示，從扭矩曲線吻合性、比油耗、煙度方面得出了C型噴油器整體最優(yōu)，進(jìn)一步驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性和實用性。

4 結(jié)論

（1）GT-POWER軟件可用于車用電控柴油機(jī)噴油器匹配仿真分析研究。

（2）所建立的仿真模型能準(zhǔn)確模擬車用電控柴油機(jī)實際運行工況。

（4）確定了C型噴油器為本次仿真計算的最優(yōu)匹配選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]唐忠良，等.基于GT—power的船用柴油機(jī)增壓匹配仿真優(yōu)化分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2013，1（6）.endprint

圖5 三種噴油器的扭矩曲線

圖6 三種噴油器的比油耗曲線

如圖6所示，B型噴油器的發(fā)動機(jī)全負(fù)荷比油耗整體比其它兩種差，1 300 rpm以下差別更大；C型噴油器與A型噴油器基本相當(dāng)。

如圖7所示，B型噴油器在1 300 rpm以下的發(fā)動機(jī)渦前排氣溫度低于其它兩種，平均低約20 deg_C；C型噴油器與A型噴油器基本相當(dāng)。

圖7 三種噴油器的渦前排氣溫度曲線

B—點劃線；VS C—實線

圖8 B、C型噴油器的萬有特性曲線

C—實線；VS A—點劃線

圖9 A、C型噴油器的萬有特性曲線

如圖8所示，C型噴油器在發(fā)動機(jī)萬有特性上表現(xiàn)是在60%負(fù)荷以上燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于B型噴油器。

如圖9所示，C型噴油器在發(fā)動機(jī)萬有特性上表現(xiàn)是在最大扭矩轉(zhuǎn)速以上燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于A型噴油器。

綜合分析，C型噴油器整體性能最優(yōu)。

3 臺架試驗驗證

圖10 三種噴油器的實際臺架運行扭矩曲線

圖11 三種噴油器的實際臺架運行比油耗曲線

圖12 三種噴油器的實際臺架運行S415煙度曲線

通過軟件仿真計算，得出了C型噴油器整體最優(yōu)；隨后在試驗室采用該型號發(fā)動機(jī)的180馬力標(biāo)定進(jìn)行了實際的噴油器運行試驗，每次更換噴油器之后對標(biāo)定進(jìn)行調(diào)整，使之滿足以下條件：

①排溫、爆壓、增壓器轉(zhuǎn)速不超過限值；

②外特性達(dá)到設(shè)計目標(biāo)；

③經(jīng)濟(jì)性、煙度最優(yōu)。

試驗結(jié)果如圖11、圖12、圖13所示，從扭矩曲線吻合性、比油耗、煙度方面得出了C型噴油器整體最優(yōu)，進(jìn)一步驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性和實用性。

4 結(jié)論

（1）GT-POWER軟件可用于車用電控柴油機(jī)噴油器匹配仿真分析研究。

（2）所建立的仿真模型能準(zhǔn)確模擬車用電控柴油機(jī)實際運行工況。

（4）確定了C型噴油器為本次仿真計算的最優(yōu)匹配選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]唐忠良，等.基于GT—power的船用柴油機(jī)增壓匹配仿真優(yōu)化分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2013，1（6）.endprint