張雁鵬，安士杰

(海軍工程大學(xué) 船舶與動力工程學(xué)院，武漢430033)

柴油機工作過程計算是現(xiàn)代柴油機設(shè)計和實驗研究的有效方法之一。在工作過程模擬中，實現(xiàn)了對發(fā)動機主要性能指標的預(yù)測，并且根據(jù)計算結(jié)果，對實驗值和計算值進行比較，從而對發(fā)動機的參數(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)燃機熱力循環(huán)過程進行模擬計算的專業(yè)軟件，以某型二級增壓柴油機為例，應(yīng)用該軟件建立計算仿真模型，并與實際測量數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)進行對比分析。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。對于燃燒過程的研究大體可以分為燃燒放熱率的計算、零維燃燒模型、準維燃燒模型和多維燃燒模型。

1 柴油機計算過程數(shù)學(xué)模型

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

模型柴油機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 模型選擇

針對此型號柴油機采用零維燃燒模型，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 計算模型的建立

2.1 柴油機工作模型

柴油機二級增壓工作模型見圖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為測量點。

表1 模型柴油機主要技術(shù)參數(shù)

圖1 柴油機二級增壓工作模型

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——標定功率點燃油消耗率，g/(kW·h);

i——柴油機氣缸數(shù);

Pe——柴油機標定功率，kW;

n——柴油機轉(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，設(shè)定燃燒為完全燃燒。

2.3 增壓系統(tǒng)的計算與簡化

實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 實驗數(shù)據(jù)

計算式一級壓氣機進口空氣溫度為298 K，二級壓氣機出口空氣溫度取359 K，環(huán)境壓力與原機實驗時大氣壓力相同，因而總壓比π=2.1。

2.3.1 一級壓氣機出口壓力溫度參數(shù)

一級壓氣機空氣出口壓力為0.12 MPa，一級壓氣機空氣出口溫度為370 K。

2.3.2 中冷器參數(shù)計算

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

式中:Ti——中冷器進口氣體溫度;

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 模型的簡化設(shè)計

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

模型簡化證明如下。

1)如圖2所示，當(dāng)進行模型的簡化時，軟件原先最初計算是1—2—2＇—3的過程，進行模型簡化后則為1—3的多變過程。則兩個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。因為在二級增壓系統(tǒng)中，循環(huán)最高溫度相比一級增壓系統(tǒng)來說下降，因而其各氣缸廢氣溫度也相比一級增壓系統(tǒng)來說下降，在圖3中所示排放廢氣溫度在排氣時候的溫度滿足模型建立的條件。

圖2 柴油機一級增壓工作模型

圖3 一級增壓模型氣缸廢氣溫度(四號測量點)

3)使用一級增壓模型中缸內(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(一號缸)

圖5 缸內(nèi)壓力曲線(一號缸)

如果使用圖1的二級增壓模型，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(一號缸)

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

圖7 缸內(nèi)壓力曲線(一號缸)

3 參數(shù)調(diào)整

3.1 噴油提前角

噴油提前角的位置對燃燒過程影響很大［2，3］。噴油提前角與燃燒起始角有相同的影響趨勢。文中以燃燒起始角由-15°至-10°再到-8°進行計算，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 計算結(jié)果

通過模擬計算轉(zhuǎn)速為750 r/min，額定工況下柴油機的工作過程，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)對比

上述計算值與實驗值及計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)果與實驗結(jié)果的參考數(shù)據(jù)對比中，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)，滿足模擬計算的要求，從而使本模型可以足夠精確地獲得柴油機工況下的熱力參數(shù)，為以后此型柴油機進一步實驗和故障診斷提供了準確依據(jù)。

2)本次進行的仿真計算，將二級增壓模型簡化為一級增壓模型，通過理論的驗證，將一級增壓模型與技術(shù)手冊參數(shù)要求進行對比，將二級增壓模型與一級增壓模型的缸內(nèi)壓力和溫度曲線對比，可行性分析說明，仿真模型可能對實驗結(jié)果的穩(wěn)定性造成影響，所以必須與實驗相結(jié)合，進行多次驗證;在仿真模型中，部分數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗公式獲得，所以仍然需要多進行實驗來完善計算，將模擬和實驗一體化，互相補充。

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

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

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