DK-28柴油機(jī)性能仿真及米勒循環(huán)模式研究

張 雷 錢作勤

(武漢理工大學(xué)能動(dòng)學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

傳統(tǒng)的柴油機(jī)研究方法是制造出原型機(jī)，在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試，然后多次對(duì)其進(jìn)行修改與再制造，從而滿足設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)要求.但是這種研究方法周期長、效率低、成本高、誤差大.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以設(shè)計(jì)柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型，選擇需要研究的方向，通過計(jì)算機(jī)快速的運(yùn)算過程得出結(jié)果，可縮短研究周期，提高研究效率，降低研究成本，并且具有很高的準(zhǔn)確性.

國外最先由英國曼徹斯特理工大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)開始著手柴油機(jī)計(jì)算機(jī)工作過程的數(shù)值模擬計(jì)算[1]，同時(shí)開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真軟件，BOOST軟件和GT-POWER軟件功能較為全面，通常用于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的研究[2].

國內(nèi)最先由中科院等單位將數(shù)值計(jì)算的方法應(yīng)用到柴油機(jī)的研究中.之后，清華大學(xué)對(duì)英國曼徹斯特理工大學(xué)開發(fā)的MK-14程序進(jìn)行簡化運(yùn)用，開始了國內(nèi)柴油機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展.隨著國內(nèi)柴油機(jī)仿真技術(shù)的進(jìn)步及國外先進(jìn)仿真軟件的引進(jìn)，上海交通大學(xué)等[3-6]都利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了深入的研究，得到了許多突破性的成果.成果主要集中在以下幾個(gè)方面：柴油機(jī)性能的優(yōu)化、柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，以及柴油機(jī)故障的排除.

由于大氣污染問題越來越嚴(yán)重，柴油機(jī)的排放問題逐漸成為主要研究方向.米勒循環(huán)從柴油機(jī)的工作原理本身出發(fā)，通過改變進(jìn)氣門關(guān)閉角(IVC)來改變柴油機(jī)的進(jìn)氣行程與做功行程，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率同時(shí)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放.米勒循環(huán)(EIVC)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門在傳統(tǒng)循環(huán)關(guān)閉時(shí)刻之前提前關(guān)閉，降低了缸內(nèi)的最高燃燒溫度，這對(duì)NOx的排放有著積極的改善作用[7].進(jìn)氣行程被縮短，泵氣損失得到降低[8].阿特金森循環(huán)(LIVC)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門在傳統(tǒng)循環(huán)關(guān)閉時(shí)刻之后延遲關(guān)閉，一方面可以使發(fā)動(dòng)機(jī)不使用節(jié)氣門，直接通過阿特金森循環(huán)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，減少了節(jié)氣損失[9].另一方面延長了氣體膨脹行程，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的做功量以及做功行程有著較大提高[10].

米勒循環(huán)通過對(duì)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的控制，這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)是由于工質(zhì)額外膨脹而使得工質(zhì)在下止點(diǎn)的溫度壓力更低[11]，進(jìn)而造成燃燒后的整體溫度壓力都會(huì)比傳統(tǒng)燃燒更低[12].這種溫度與壓力的降低對(duì)控制NOx的排放有十分積極的作用[13-14].整體溫度降低也使得發(fā)動(dòng)機(jī)與環(huán)境之間的溫差更小，從而可以降低溫?fù)p失，提高熱效率[15].此外排氣溫度也低了，也降低了可用焓因?yàn)橹苯优懦龆斐傻膿p失.

基于此，文中利用AVL_BOOST軟件建立了DK-28柴油機(jī)的仿真模型，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，為DK-28柴油機(jī)的性能影響因素仿真計(jì)算提供了強(qiáng)有力的理論支撐，同時(shí)設(shè)置了米勒循環(huán)模式，為DK-28柴油機(jī)的排放控制提供了新的方向.

1 DK-28柴油機(jī)模型的建立

1.1 DK-28柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本文仿真計(jì)算的主要研究對(duì)象是DK-28柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 DK-28柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 仿真計(jì)算模型的建立

根據(jù)DK-28柴油機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架工作的結(jié)構(gòu)布置形式，在AVL_BOOST軟件中建立DK-28柴游機(jī)的計(jì)算模型.其模型圖見圖1.

圖1 DK-28柴油機(jī)BOOST仿真模型圖

圖中：SB1，SB2為入口與出口系統(tǒng)邊界；1～22為進(jìn)排氣各管路(21為渦輪增壓器壓氣機(jī)前的進(jìn)氣管；2～9為各缸進(jìn)氣道；10～17為各缸排氣道；18為排氣支管；19為渦輪增壓器渦輪后的排氣管；22為中冷器至進(jìn)氣總管之間的進(jìn)氣管)；PL1，PL2分別為一個(gè)進(jìn)氣總管和一個(gè)排氣總管；C1～C8為8個(gè)氣缸；TC1為渦輪增壓器；CL1為空氣濾清器；CO1為中冷器；MP1～MP7為7個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過這些測(cè)量點(diǎn)，可以模擬計(jì)算出在這些測(cè)點(diǎn)上的氣體狀態(tài)，便于之后與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì).

1.3 模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

利用前文建立的計(jì)算模型，模擬計(jì)算柴油機(jī)在額定工況(100%負(fù)荷)下的示功圖(由于研究的是DK-28發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)即輔機(jī)，為點(diǎn)工況，因此只進(jìn)行了100%工況下示功圖的模型驗(yàn)證)，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖2.

圖2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的示功圖對(duì)比

在額定工況下(750 r/min，100%負(fù)載)對(duì)模型進(jìn)行的模擬計(jì)算(此時(shí)單缸循環(huán)噴油量為2.64 g)，與試驗(yàn)值的對(duì)比見表2.

表2 (750 r/min，100%負(fù)載)工況下計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

估算50%負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)的單缸循環(huán)噴油量，通過調(diào)節(jié)單缸循環(huán)噴油量使柴油機(jī)的有效功率趨近1 250 kW(此時(shí)單缸循環(huán)噴油量為1.54 g)，則該模型即可模擬計(jì)算50%負(fù)荷下柴油機(jī)的工作過程，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的對(duì)比見表3.

表3 (750 r/min，50%負(fù)載)工況下計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

估算25%負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)的單缸循環(huán)噴油量，通過調(diào)節(jié)單缸循環(huán)噴油量使柴油機(jī)的有效功率趨近625 kW(此時(shí)單缸循環(huán)噴油量為1.0 g)，則該模型即可模擬計(jì)算25%負(fù)荷下柴油機(jī)的工作過程，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的對(duì)比見表4.

從以上的計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以看出，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)吻合，驗(yàn)證了計(jì)算模型合理性和正確性，可以利用該模型進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)的性能仿真與優(yōu)化分析.

表4 (750 r/min，25%負(fù)載)工況下計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 柴油機(jī)米勒循環(huán)模式研究

2.1 米勒循環(huán)模式的設(shè)置

阿特金森循環(huán)與米勒循環(huán)是通過改變氣門正時(shí)來實(shí)現(xiàn)的，在AVL_BOOST軟件中通過改變氣門升程曲線來改變氣門正時(shí)，見圖3.

圖3 不同模式下曲軸轉(zhuǎn)角與氣門升程關(guān)系

2.2 米勒循環(huán)模式的一維仿真計(jì)算

利用AVL_BOOST軟件對(duì)不同氣門正時(shí)情況下的DK-28柴油機(jī)性能進(jìn)行模擬計(jì)算，見圖4～7.

圖4 不同模式下平均有效壓力

由圖4可知，EIVC模式對(duì)平均有效壓力有著較大的影響，平均有效壓力：EIVC2>IVC>EIVC1>EIVC3>EIVC4，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的提前，平均有效壓力下降明顯.EIVC模式下，EIVC4模式平均有效壓力最低，這是由于EIVC4模式下進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間最早，進(jìn)氣時(shí)間最短，進(jìn)氣量最少，進(jìn)入缸內(nèi)的少量空氣在氣缸內(nèi)迅速膨脹，造成缸內(nèi)壓力的大幅下降.LIVC模式對(duì)平均有效壓力影響不是很顯著，平均有效壓力：IVC>LIVC2>LIVC3>LIVC1>LIVC4,但是隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的延遲，平均有效壓力有下降的趨勢(shì).LIVC模式下，LIVC4進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間最晚，進(jìn)氣時(shí)間最長，少量氣體被重新推回到進(jìn)氣道中，從而造成了平均有效壓力下降的現(xiàn)象.

圖5 不同模式下功率

由圖5可知，EIVC模式對(duì)功率有著較大的影響，功率：EIVC2>IVC>EIVC1>EIVC3>EIVC4，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的提前，功率下降明顯.LIVC模式對(duì)功率的影響不是很顯著，功率：IVC>LIVC2>LIVC3>LIVC1>LIVC4,但是隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的延遲，功率有下降的趨勢(shì).EIVC模式下，EIVC4模式功率最低，這是由于EIVC4模式下進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間最早，進(jìn)氣時(shí)間最短，進(jìn)氣量最少，充量系數(shù)下降很快，造成了缸內(nèi)燃燒不充分，對(duì)柴油機(jī)的做功能力造成了很大的影響，造成了功率大幅度下降的結(jié)果.EIVC2模式功率較高，是因?yàn)镋IVC模式在縮短了進(jìn)氣行程的同時(shí)也降低了泵氣損失，這將一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率.LIVC4模式下，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間最晚，進(jìn)氣時(shí)間最長，少量氣體被重新推回到進(jìn)氣道中，對(duì)缸內(nèi)的燃燒產(chǎn)生了一定的影響作用，造成功率略有下降的結(jié)果.LIVC2模式較LIVC1，LIVC3模式功率稍高是因?yàn)檠舆t關(guān)閉進(jìn)氣門，加大了氣體的膨脹行程，一定程度上提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的做功行程，因此會(huì)產(chǎn)生功率的上升現(xiàn)象.功率的計(jì)算結(jié)果與平均有效壓力的計(jì)算結(jié)果具有一致性.

圖6 不同模式下燃油消耗率

由圖6可知，EIVC模式對(duì)燃油消耗率有著較大的影響，燃油消耗率：EIVC4>EIVC3>EIVC2>EIVC1>IVC，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的提前，燃油消耗率上升明顯.LIVC模式對(duì)燃油消耗率的影響不是很顯著，燃油消耗率：LIVC4>LIVC3>LIVC2>LIVC1>IVC,但是隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的延遲，燃油消耗率逐漸上升.EIVC模式下，EIVC4模式燃油消耗率最高，這是由于EIVC4模式下進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間最早，進(jìn)氣時(shí)間最短，進(jìn)氣量最少，造成空燃比下降明顯，很多燃油得不到充分的氧化燃燒.隨著進(jìn)氣時(shí)間的延長，缸內(nèi)燃燒狀態(tài)逐漸好轉(zhuǎn)，燃油消耗率也逐漸下降.LIVC模式下，LIVC4模式的燃油消耗率最高，是因?yàn)檫M(jìn)氣門開啟時(shí)間最長，從缸內(nèi)被推回到進(jìn)氣道的氣體最多，空燃比下降，造成了燃燒能力的下降，使得燃油消耗率上升.

圖7 不同模式下缸內(nèi)最高溫度

由圖7可知，EIVC模式與LIVC模式缸內(nèi)燃燒溫度都有著較為明顯的變化.EIVC模式下，缸內(nèi)溫度：IVC>EIVC2>EIVC1>EIVC3>EIVC4，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的提前，缸內(nèi)溫度下降明顯，EIVC4模式溫度最低，這是因?yàn)镋IVC4模式進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻最早，進(jìn)氣量最少，空氣在氣缸內(nèi)迅速膨脹，壓力降低，氣體在缸內(nèi)得到一定程度的冷卻，從而使燃燒溫度降低.EIVC1模式與EIVC2模式相比溫度較低是因?yàn)楸脷鈸p失使得缸內(nèi)壓力下降，氣體膨脹，氣體在缸內(nèi)得到一定程度的冷卻，從而使燃燒溫度降低.LIVC模式下，缸內(nèi)溫度：LIVC2>IVC>LIVC3>LIVC1>LIVC4，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的提前，缸內(nèi)溫度下降明顯.LIVC4模式溫度最低是因?yàn)檫M(jìn)氣門開啟時(shí)間最長，從缸內(nèi)被推回到進(jìn)氣道的氣體最多，缸內(nèi)壓力下降，氣體膨脹，氣體在缸內(nèi)得到一定程度的冷卻，從而使燃燒溫度降低.

綜上所述，在LIVC模式下，延遲進(jìn)氣門關(guān)閉角，進(jìn)氣時(shí)間較額定進(jìn)氣時(shí)間更長，在進(jìn)氣量上不會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，但是隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的延遲，會(huì)有一部分的進(jìn)氣被推回到進(jìn)氣道中，造成了柴油機(jī)平均有效壓力，功率，缸內(nèi)溫度的下降以及燃油消耗率的上升.在EIVC模式下，提前進(jìn)氣門關(guān)閉角，進(jìn)氣時(shí)間較額定進(jìn)氣時(shí)間縮短，進(jìn)氣量會(huì)隨著進(jìn)氣門關(guān)閉角的提前而大幅減少，充量系數(shù)下降，空燃比下降，造成了柴油機(jī)燃燒不充分，缸內(nèi)溫度降低，燃油消耗率大幅度上升同時(shí)造成柴油機(jī)的平均有效壓力，功率下降.EIVC模式下，柴油機(jī)的做功能力有所損失，但是帶來了降低缸內(nèi)溫度的效果，對(duì)改善NOx的排放有著積極的意義.

3 結(jié) 論

1) 進(jìn)氣量限制了米勒循環(huán)的做功能力，進(jìn)氣門早關(guān)會(huì)使燃油消耗率上升.

2) 米勒循環(huán)對(duì)缸內(nèi)溫度的降低作用明顯，能對(duì)柴油機(jī)的NOx排放起到改善作用.

[1] 劉高飛.TY3100EZ增壓柴油機(jī)試驗(yàn)與整機(jī)性能循環(huán)模擬研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[2] 于佳.TY3100非道路用柴油機(jī)整機(jī)系統(tǒng)建模與仿真[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[3] 田翀.YC6T.柴油機(jī)工作過程數(shù)值模擬與優(yōu)化[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[4] 劉勤安.大型低速二沖程船用柴油機(jī)工作過程數(shù)值模擬和優(yōu)化[D].大連：大連海事大學(xué)，2009.

[5] 謝貝思.船舶中速柴油機(jī)性能分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[6] 朱博.高強(qiáng)化柴油機(jī)總體性能優(yōu)化及關(guān)鍵技術(shù)分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[7] 劉永長.內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,2001.

[8] ZHAO Y R，CHEN J C. Performance analysis of an irreversible Miller heat engine and its optimum criteria[J]. Applied Thermal Engineering,2007(11):2051-2058.

[9] CHEN J C,LIN J X,SUN F R, et al. Efficiency of an atkinson engine at maximum power density[J]. Energy Convers Mgmt,1998,39(3):337-341.

[10] BENAJES J, SERRANO J R, MOLINA S, et al. Potential of Atkinson cycle combined with EGR for pollutant control in a HD diesel engine[J]. Energy Conversion and Management,2009(1):174-183.

[11] SARKHI A A, AKASH B A, JABER J O, et al. Efficiency of miller engine at maximum power density[J]. Heat mass transfer,2002,29(8):1159-1167.

[12] WANG Y D, LIN L,ANTHONY P, et al. An analytic study of applying Miller cycle to reduce NOxemission from petrol engine[J]. Applied Thermal Engineering,2007(11):1779-1789.

[13] LIN J C, HOU S S. Performance analysis of an air-standard Miller cycle with considerations of heat loss as a percentage of fuel’s energy, friction and variable specific heats of working fluid[J]. International Journal of Thermal Sciences,2008(2):182-191.

[14] LIN J C, HOU S S. Influence of heat loss on the performance of an air-standard Atkinson cycle[J]. Applied Energy,2007(9):904-920.

[15] GE Y L, CHEN L G, SUN F R, et al. Performance of an atkinson cycle with heat transfer, friction and variable specific-heats of the working fluid[J]. Applied.Energy,2006(9):1210-1221.