楊學易 何超

摘要：利用相關發(fā)動機參數(shù)，通過GT-Power仿真軟件建立6缸渦輪增壓柴油發(fā)動機的整機模型，分析模型內(nèi)部的數(shù)學原理，并利用試驗數(shù)據(jù)對模型的動力參數(shù)與排放參數(shù)進行驗證和校準。結果表明，該模型的動力參數(shù)最大誤差不超過7%，排放參數(shù)最大誤差不超過5%，能較為準確地模擬發(fā)動機的實際工作情況。

關鍵詞：GT-Power；柴油機；渦輪增壓；仿真；校準

中圖分類號： TK421+.5 文獻標志碼： B

文章編號：1002-1302（2015）07-0431-03

柴油機與汽油機相比，具有更高的壓縮比，燃燒效率更高，具有更好的經(jīng)濟性和動力性，近年來，柴油機逐漸得到重視，但柴油機工作粗暴、PM及NOX排放較高等缺點限制了其在家用車市場上的發(fā)展[1]。為改善柴油機的工作平順性及排放性，越來越多的研究機構開始重視對柴油機的性能研究。而對于柴油發(fā)動機傳統(tǒng)的研究常采用臺架試驗方法，人力和物力消耗大，設計周期長，效果差。仿真技術可在計算機上反復多次試驗運行，具有投資少、效益高、無風險、周期短、重復性好等優(yōu)點，可獲得比實物試驗更多的信息，從而成為發(fā)動機開發(fā)設計和改進工作的一個重要手段和環(huán)節(jié)[2]。

1 GT-Power建模

目前常見的發(fā)動機工作過程模擬軟件主要有奧地利AVLA公司的FIRE、BOOST及美國Gamma Technologies公司的GT-power等[3]。GT-power軟件是計算一維氣體流動的商業(yè)軟件，具有豐富的解析機能、準確的物理模型和簡單而方便的建模方法，適用于對各種內(nèi)燃機進行性能仿真，得到廣泛的應用[4]。建模所用無錫錫柴6DF3柴油發(fā)動機基本參數(shù)為：缸徑107 mm、行程125 mm、排量6.7 L、壓縮比為16.8、共軌系統(tǒng)為BOSCH、標定功率為147 kW （2 300 r/min）、最大扭矩為760 N·m（1 400 r/min），具體建模流程如圖1所示，先利用GT-power軟件建立柴油發(fā)動機的單缸模型，在單缸模型基礎上構建6缸模型框架，再輸入相應的發(fā)動機結構參數(shù)和運行條件進行仿真運算，獲取仿真結果，最后利用發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)與仿真結果進行對比，驗證模型的準確性并進行校準，直至得到較為準確的模型。

發(fā)動機模型（圖2）主要包括進排氣端、空濾器、進排氣門、氣缸、曲軸箱、渦輪增壓器、噴油器等模塊，而其數(shù)學模型主要包括氣缸模型、燃燒模型和傳熱模型等。

2 數(shù)學模型

2.1 燃燒模型

GT-Power提供6種燃燒模型，可用于壓燃式發(fā)動機，也可用于點燃式發(fā)動機。模擬柴油機燃燒放熱規(guī)律最常見的是三元韋伯燃燒模型—EngCylCombDIWiebe，該模型把整個燃燒過程分為預混合燃燒、主燃和后燃，整個燃燒放熱率曲線由3條韋伯函數(shù)曲線疊加而成[5]，即：x=x1+x2+x3，dxdφ=dx1dφ+dx2dφ+dx3dφ，式中，x1、x2、x3分別表示預混期、主燃期和后燃期的燃料分數(shù)。模型中，每一部分的燃燒起始時刻相同，而且各個時期都有獨立的燃燒持續(xù)期和燃燒指數(shù)。在實際模擬過程中，主燃持續(xù)期和主燃期燃料分數(shù)對放熱規(guī)律的影響較大，其次是預混合燃料分數(shù)和預混合持續(xù)期。

韋伯模型描述內(nèi)燃機燃燒速度的半經(jīng)驗公式為：

x=1-e-cym+1；（1）

dxdy=c·（m+1）·ym·e-cym+1。（2）

式中：y為無因次時間常數(shù)，y=（φ-φVB）（φVE-φVB）=（φ-φVB）φZ；φ為瞬時曲軸轉角，φVB為燃燒始點角，φVE為燃燒終點角；φZ為燃燒持續(xù)角；m為燃燒品質系數(shù)，c為系數(shù)。根據(jù)燃燒過程的特點，應滿足：燃燒開始時，φ=φVB，y=0，x=0；燃燒結束時，φ=φVE，y=1，x=1。假定單韋伯模型燃燒結束時，已燃燒的燃料占循環(huán)供油量的99.9%，即x=0.999，得到c=6.908，則：

x=1-e-6.908ym+1；（3）

dxdφ=6.908·m+1φzφ-φVBφzm·e-6.908ym+1。（4）

只要適當?shù)剡x取參數(shù)m、φVB、φVE，由韋伯公式表達的放熱率就唯一被確定。

2.2 傳熱模型

傳熱模型采用1967年Woschni提出的模型。GT-Power軟件對直噴式柴油機推薦的換熱表面積為：活塞頂散熱面積按氣缸橫截面積的1.2～1.5倍計算，氣缸蓋的表面積近似為氣缸的橫截面積，即Head/Bore Area Ratio=1.2～1.5，Piston/Bore Area Ratio=1。

壁面平均溫度的推薦值為：活塞頂表面的溫度：550～600 K；氣缸蓋表面的溫度：550～600 K；氣缸套表面的溫度：400～450 K。結合本仿真實際，傳熱模型輸入?yún)?shù)為：活塞頂面積系數(shù)為1.351；氣缸蓋面積系數(shù)為1；活塞頂、氣缸蓋、氣缸套表面溫度分別為550、550、400 K。

2.3 噴油器模型

根據(jù)發(fā)動機缸內(nèi)噴射、進氣道噴射、進氣歧管噴射等燃油噴射系統(tǒng)形式，選擇不同的噴油器模型。已知瞬時噴油壓力情況下使用InjProfileConn噴油器模型；已知燃油噴射量和空燃比的情況下使用InjAFSeqConn噴油器模型，一般用于汽油機建模；已知燃油噴射量和噴射脈寬的情況下使用InjPulseConn噴油器模型，多應用于電控發(fā)動機。對于柴油機，一般使用InjProfileConn模型，在輸入瞬時噴油壓力MAP圖時，應注意噴油壓力值對應凸輪軸的轉角為對應曲軸轉角的一半[6]。

進排氣系統(tǒng)包括進排氣氣門、進排氣氣道、進排氣歧管。進排氣氣門升程曲線與仿真發(fā)動機保持一致，需繪制氣門升程曲線，對比計算結果中的進排氣氣門開啟、關閉角度；進排氣管盡量與原機形狀保持一致，使用三叉管道時應避免兩管道垂直布置，否則影響充氣系數(shù)；管道初始值應盡量與發(fā)動機運行狀態(tài)保持一致，這樣能加快仿真收斂速度。2個管道連接處由孔（OrificeConn）連接，默認孔直接根據(jù)兩端管徑大小連接，GT-Power會計算向前或相反的流量系數(shù)。在多數(shù)進排氣管中，進排氣歧管和總管的過渡是很光滑的，這個位置使用默認將會給系統(tǒng)增加額外的流量損失，是不真實的，因此，有必要建立由用戶定義流量系數(shù)的孔。

2.4 增壓系統(tǒng)

本仿真柴油機采用渦輪增壓系統(tǒng)。在進行渦輪增壓系統(tǒng)匹配計算之前，需要選定滿足要求的渦輪和壓氣機。壓氣機選定原則：最大功率點流量滿足要求，遠離阻塞線，在壓氣機匹配點有20%速度裕量，滿足發(fā)動機高原性能的要求；最大扭矩點流量滿足要求，遠離喘振線，匹配點在高效率區(qū)。

選定壓氣機后，選定與壓氣機配套的渦輪。渦輪選定的主要方法是在渦輪流通特性上標上發(fā)動機的工作線，如發(fā)動機運行范圍內(nèi)出現(xiàn)過高的渦輪前廢氣溫度tT，這說明渦輪的流通能力選擇不當，應重新加以修改。對車用發(fā)動機希望等tT線盡可能與發(fā)動機耗氣特性線相平行，這樣當發(fā)動機沿外特性降低轉速時，由于tT的升高可導致壓比πε較大的補充升高，從而保證得到較高的扭矩系數(shù)K值。

一般情況下，渦輪和壓氣機特性沒有數(shù)據(jù)，而只有渦輪和壓氣機特性圖，需從圖中提取相關數(shù)據(jù)，對壓氣機而言，必須給出喘振線和阻塞線。GT-Power規(guī)定，壓氣機和渦輪MAP圖輸入最少要有2個速度，每個速度至少有3組數(shù)據(jù)。對壓氣機而言，每組數(shù)據(jù)中流量最小、壓比最大點默認為喘振線上的點。阻塞線為壓氣機的最大速度線，要求匹配點在阻塞線內(nèi)，且要有一定裕度。不管是壓氣機還是渦輪，高效率區(qū)的點必須標出。數(shù)據(jù)越多，輸入MAP越接近壓氣機和渦輪特性線[7]。

由于壓氣機和渦輪工作條件不一樣，要想得到匹配，需將流量和轉速折算到同一條件下。GT-Power轉速和流量修正公式為：

RPMcorrected=RPMactual/TiTref；

mcorected=mactual/TiTrefRinRrefPinPref。

式中：對于壓氣機而言，Ti為壓氣機進口溫度，Tref為參考溫度，Rin為進氣的氣體常數(shù)，Rref為參考氣體常數(shù)，Pin為進氣壓力，Pref為進氣參考壓力；對于渦輪而言，Ti為渦輪前溫度，Tref為參考溫度，Rin為廢氣的氣體常數(shù)，Rref為參考氣體常數(shù)，Pin為渦輪進氣壓力，Pref為進氣參考壓力。如果要使修正的速度和流量與實際值一致，即使得渦輪和壓氣機匹配圖上的點與輸入MAP圖保持一致，則渦輪、壓氣機的數(shù)據(jù)設定為：壓氣機：Tref=Ti=298 K，Pref=Pin=100 Pa，Rref=Rin=287 J/（kg·K）；渦輪：Tref=Ti=渦輪前溫度，Pref=Pin=渦輪前壓力，Rref=Rin=289 J/（kg·K）。

3 模型與試驗對比驗證

試驗用發(fā)動機為1臺6缸高壓共軌渦輪增壓中冷錫柴6DF3型柴油機，額定功率147 kW（2 300 r/min）。試驗中，分別設定不同的發(fā)動機轉速，并在相應轉速下設定不同負荷，直接記錄發(fā)動機臺架的動力參數(shù)與排放數(shù)據(jù)。仿真模型選取其中的額定轉速2 300 r/min和1 030、1 200、1 600、2 000 r/min 4個常用轉速，100%負荷。

由于GT-Power軟件的初始條件包括柴油機轉速和每循環(huán)噴油量，且負荷由噴油量大小所決定。因此，需先通過實際油耗算得每循環(huán)噴油量（表1）。

為驗證所建立模型的正確性，將發(fā)動機外特性試驗數(shù)據(jù)包括功率、扭矩、進氣量、燃油消耗率、NOx與PM排放分別與仿真值進行對比。由圖3至圖8可見，其功率、扭矩及進氣量的最大誤差均不超過7%，油耗的最大誤差不超過6%，NOx的最大誤差不超過3%，PM的最大誤差不超過5%，誤差均控制在正常范圍內(nèi)；因此，所建立的模型是可靠的。

4 結論

利用相關發(fā)動機參數(shù)，通過GT-Power軟件建立了6缸渦輪增壓柴油發(fā)動機的整機模型，分析了其內(nèi)部的數(shù)學模型。并利用試驗數(shù)據(jù)對發(fā)動機的動力參數(shù)與排放參數(shù)進行了驗證和校準，其意義在于得到了準確的發(fā)動機模型，在研究發(fā)動機的動力和排放等性能時可節(jié)約大量的時間和成本。

參考文獻：

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