鄒振宇, 劉 晶

(1.吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130021;2.國(guó)家開發(fā)銀行吉林省分行,吉林長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

柴油機(jī)作為常用動(dòng)力源,對(duì)人們的日常生產(chǎn)與生活影響巨大。近年來(lái),對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放等各方面的要求不斷提高。壓縮比對(duì)柴油機(jī)性能影響顯著。對(duì)柴油機(jī)壓縮比的測(cè)定與研究多采用實(shí)驗(yàn)的方法實(shí)現(xiàn),用臺(tái)架對(duì)柴油機(jī)的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。這種方法雖然廣為利用,但工作量很大,耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)為內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)提供了一種新的研究渠道[1-2],利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬可以很好地解決上述缺點(diǎn),而且會(huì)大大縮短內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)時(shí)間[3],甚至可以得到實(shí)驗(yàn)很難得到的結(jié)果,柴油機(jī)工作過(guò)程的數(shù)值模擬已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外專家的高度重視[4-5]。

1 模型建立

1.1 實(shí)機(jī)模型

文中所研究的樣機(jī)為6106柴油機(jī),其基本參數(shù)見表1。

表1 6106柴油機(jī)參數(shù)

1.2 計(jì)算模型建立

柴油機(jī)工作流程如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)工作流程圖

GT-Power整機(jī)分析模型主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、渦輪增壓系統(tǒng)、噴油組件、氣缸和曲軸箱等組成。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn),確定模型的準(zhǔn)確性。

幾何結(jié)構(gòu)的精確描述是準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬的重要前提,但柴油機(jī)模型涉及到的實(shí)體很多,而且結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,如按真實(shí)實(shí)體結(jié)構(gòu)建立計(jì)算幾何模型需要花費(fèi)大量時(shí)間且難以實(shí)現(xiàn),也沒有必要。因此根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn),在保證對(duì)數(shù)值計(jì)算精度不產(chǎn)生很大影響的前提條件下,對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些等效簡(jiǎn)化處理。由于對(duì)整機(jī)進(jìn)行分析涉及到的工作過(guò)程太多,同時(shí)也受到計(jì)算速度的影響,因此,將進(jìn)排氣管路簡(jiǎn)化成一維模型,此模型適于在整機(jī)工作過(guò)程的模擬、優(yōu)化和最優(yōu)控制中使用[6-8],這樣既能保證計(jì)算的精度,又可以節(jié)省大量的時(shí)間。

由于所要分析的是柴油機(jī)的性能參數(shù),從而對(duì)缸內(nèi)的噴霧和燃燒也做了簡(jiǎn)化,燃燒模型采用的是準(zhǔn)維模型,這種簡(jiǎn)化雖然看不出空間的不均勻性對(duì)柴油機(jī)性能的影響,但是,可以得到柴油機(jī)性能隨時(shí)間的變化規(guī)律,而且結(jié)果精度也可以滿足研發(fā)要求。

1.3 計(jì)算模型的校準(zhǔn)

通常在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),在模型建立以后,必須通過(guò)校準(zhǔn)才能確定其準(zhǔn)確性,然后進(jìn)行模擬計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,可以看出模型是可靠的。

模型校準(zhǔn)后部分計(jì)算結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 額定工況下缸內(nèi)壓力曲線計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較

圖3 不同轉(zhuǎn)速下功率的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較

圖4 不同轉(zhuǎn)速下空氣流量的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較

圖5 不同轉(zhuǎn)速下充氣效率的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較

2 計(jì)算結(jié)果與分析

壓縮比對(duì)柴油機(jī)最高燃?xì)鈮毫?、最高燃?xì)鉁囟鹊挠绊懭鐖D6所示。

從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著壓縮比的升高,最高燃?xì)鈮毫γ黠@升高,壓縮比每升高0.5,最高燃?xì)鈮毫ι?.5×105Pa左右。這是因?yàn)閴嚎s比越大,相同初始狀態(tài)的氣體被壓縮的越厲害,所以其壓縮終點(diǎn)的壓力越高,縮短了著火延遲期,使柴油機(jī)的燃燒特性得到了改善。從計(jì)算結(jié)果上還可以看到,隨著壓縮比增大,最高燃?xì)鉁囟认陆?這是因?yàn)樵龃髩嚎s比的同時(shí)增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比,使得最高循環(huán)壓力急劇升高,而且熱能轉(zhuǎn)化為有用功大大增加,從而最高燃?xì)鉁囟认陆怠?/p>

壓縮比對(duì)功率、扭矩的影響如圖7所示。

圖7 壓縮比對(duì)功率、扭矩的影響

由圖7可以看出,壓縮比越大,柴油機(jī)的功率和扭矩越大,這是因?yàn)閴嚎s比越大,燃油燃燒的環(huán)境越理想,使燃燒室里的燃料更能充分燃燒,由熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功越多。所以功率和扭矩都得到了很大程度上的提高,從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,壓縮比每提高0.5,扭矩和功率升高2.5 N·m,大大提高了柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

壓縮比對(duì)有效燃油消耗、充氣效率的影響如圖8所示。

圖8 壓縮比對(duì)有效燃油消耗、充氣效率的影響

從計(jì)算結(jié)果可以看出,壓縮比每提高0.5,有效燃油消耗下降約1 g/(kW·h)。這是因?yàn)殡S著壓縮比增加,燃油燃燒更加充分,提高了柴油機(jī)有效熱效率,也就是說(shuō),提高了柴油機(jī)熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率,從而降低柴油機(jī)的燃油消耗率。發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率從圖8上看是隨著壓縮比增大,逐漸提高,這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)壓縮比越大,會(huì)使廢氣排的越干凈,從而使新鮮空氣更容易進(jìn)入,所以會(huì)使柴油機(jī)的充氣效率得到提升。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用CFD軟件(GT-Power)對(duì)柴油機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,可以發(fā)現(xiàn),壓縮比對(duì)柴油機(jī)的工作過(guò)程有很大的影響。壓縮比越大,發(fā)動(dòng)機(jī)的最高燃?xì)鈮毫?、功率、扭矩、充氣效率越?說(shuō)明大的壓縮比可以很好地改善柴油機(jī)的燃燒特性,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性。同時(shí),有效燃油消耗會(huì)大幅度降低,很好地改善了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)特性。但是,太大的壓縮比也決定了柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷也比較大,所以對(duì)于柴油機(jī),在保證機(jī)械負(fù)荷的前提下,盡量提高壓縮比。

[1]張海艷.配氣定時(shí)對(duì)柴油機(jī)性能影響的數(shù)值模擬分析[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2006(6):12-16.

[2]焦天民,周龍保.應(yīng)用CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)柴油機(jī)配氣正時(shí)[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2005(5):16-17.

[3]劉永長(zhǎng).內(nèi)燃機(jī)熱力過(guò)程模擬[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001:35-37.

[4]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999:37-38.

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[6]王榮生,解茂昭.內(nèi)燃機(jī)燃燒多維數(shù)學(xué)模型的進(jìn)展與前景[J].燃燒學(xué)與技術(shù),1990(7):64-73.

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[8]將德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001:34-37.