張 雷 錢作勤

(武漢理工大學(xué)能動學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

傳統(tǒng)的柴油機研究方法是制造出原型機，在試驗臺架上進行測試，然后多次對其進行修改與再制造，從而滿足設(shè)計目的和設(shè)計要求.但是這種研究方法周期長、效率低、成本高、誤差大.計算機仿真技術(shù)可以設(shè)計柴油機數(shù)學(xué)模型，選擇需要研究的方向，通過計算機快速的運算過程得出結(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)等高校和研究機構(gòu)開始著手柴油機計算機工作過程的數(shù)值模擬計算[1]，同時開發(fā)相應(yīng)的計算機仿真軟件，BOOST軟件和GT-POWER軟件功能較為全面，通常用于發(fā)動機整機性能的研究[2].

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

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

米勒循環(huán)通過對進氣門關(guān)閉時刻的控制，這種方式最大的優(yōu)點是由于工質(zhì)額外膨脹而使得工質(zhì)在下止點的溫度壓力更低[11]，進而造成燃燒后的整體溫度壓力都會比傳統(tǒng)燃燒更低[12].這種溫度與壓力的降低對控制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)動機與環(huán)境之間的溫差更小，從而可以降低溫損失，提高熱效率[15].此外排氣溫度也低了，也降低了可用焓因為直接排出而造成的損失.

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

1 DK-28柴油機模型的建立

1.1 DK-28柴油機主要技術(shù)參數(shù)

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

表1 DK-28柴油機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 仿真計算模型的建立

根據(jù)DK-28柴油機在試驗臺架工作的結(jié)構(gòu)布置形式，在AVL_BOOST軟件中建立DK-28柴游機的計算模型.其模型圖見圖1.

圖1 DK-28柴油機BOOST仿真模型圖

圖中：SB1，SB2為入口與出口系統(tǒng)邊界；1～22為進排氣各管路(21為渦輪增壓器壓氣機前的進氣管；2～9為各缸進氣道；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為中冷器至進氣總管之間的進氣管)；PL1，PL2分別為一個進氣總管和一個排氣總管；C1～C8為8個氣缸；TC1為渦輪增壓器；CL1為空氣濾清器；CO1為中冷器；MP1～MP7為7個測量點，通過這些測量點，可以模擬計算出在這些測點上的氣體狀態(tài)，便于之后與試驗數(shù)據(jù)的比對.

1.3 模型準確性的驗證

利用前文建立的計算模型，模擬計算柴油機在額定工況(100%負荷)下的示功圖(由于研究的是DK-28發(fā)電機組柴油機即輔機，為點工況，因此只進行了100%工況下示功圖的模型驗證)，計算與試驗結(jié)果對比見圖2.

圖2 計算結(jié)果與試驗結(jié)果的示功圖對比

在額定工況下(750 r/min，100%負載)對模型進行的模擬計算(此時單缸循環(huán)噴油量為2.64 g)，與試驗值的對比見表2.

表2 (750 r/min，100%負載)工況下計算結(jié)果和試驗結(jié)果對比

估算50%負荷時柴油機的單缸循環(huán)噴油量，通過調(diào)節(jié)單缸循環(huán)噴油量使柴油機的有效功率趨近1 250 kW(此時單缸循環(huán)噴油量為1.54 g)，則該模型即可模擬計算50%負荷下柴油機的工作過程，計算結(jié)果與試驗值的對比見表3.

表3 (750 r/min，50%負載)工況下計算結(jié)果和試驗結(jié)果對比

估算25%負荷時柴油機的單缸循環(huán)噴油量，通過調(diào)節(jié)單缸循環(huán)噴油量使柴油機的有效功率趨近625 kW(此時單缸循環(huán)噴油量為1.0 g)，則該模型即可模擬計算25%負荷下柴油機的工作過程，計算結(jié)果與試驗值的對比見表4.

從以上的計算結(jié)果和測試結(jié)果對比可以看出，計算結(jié)果和試驗測量數(shù)據(jù)吻合，驗證了計算模型合理性和正確性，可以利用該模型進行內(nèi)燃機的性能仿真與優(yōu)化分析.

表4 (750 r/min，25%負載)工況下計算結(jié)果和試驗結(jié)果對比

2 柴油機米勒循環(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來實現(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，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)模式的一維仿真計算

利用AVL_BOOST軟件對不同氣門正時情況下的DK-28柴油機性能進行模擬計算，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模式下進氣門關(guān)閉時間最早，進氣時間最短，進氣量最少，進入缸內(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,但是隨著進氣門關(guān)閉角的延遲，平均有效壓力有下降的趨勢.LIVC模式下，LIVC4進氣門關(guān)閉時間最晚，進氣時間最長，少量氣體被重新推回到進氣道中，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模式對功率有著較大的影響，功率：EIVC2>IVC>EIVC1>EIVC3>EIVC4，隨著進氣門關(guān)閉角的提前，功率下降明顯.LIVC模式對功率的影響不是很顯著，功率：IVC>LIVC2>LIVC3>LIVC1>LIVC4,但是隨著進氣門關(guān)閉角的延遲，功率有下降的趨勢.EIVC模式下，EIVC4模式功率最低，這是由于EIVC4模式下進氣門關(guān)閉時間最早，進氣時間最短，進氣量最少，充量系數(shù)下降很快，造成了缸內(nèi)燃燒不充分，對柴油機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，是因為EIVC模式在縮短了進氣行程的同時也降低了泵氣損失，這將一定程度上提高發(fā)動機的功率.LIVC4模式下，進氣門關(guān)閉時間最晚，進氣時間最長，少量氣體被重新推回到進氣道中，對缸內(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模式功率稍高是因為延遲關(guān)閉進氣門，加大了氣體的膨脹行程，一定程度上提高了發(fā)動機的做功行程，因此會產(chǎn)生功率的上升現(xiàn)象.功率的計算結(jié)果與平均有效壓力的計算結(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，隨著進氣門關(guān)閉角的提前，燃油消耗率上升明顯.LIVC模式對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模式下進氣門關(guān)閉時間最早，進氣時間最短，進氣量最少，造成空燃比下降明顯，很多燃油得不到充分的氧化燃燒.隨著進氣時間的延長，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，是因為進氣門開啟時間最長，從缸內(nèi)被推回到進氣道的氣體最多，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，這是因為EIVC4模式進氣門關(guān)閉時刻最早，進氣量最少，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為泵氣損失使得缸內(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模式溫度最低是因為進氣門開啟時間最長，從缸內(nèi)被推回到進氣道的氣體最多，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，延遲進氣門關(guān)閉角，進氣時間較額定進氣時間更長，在進氣量上不會出現(xiàn)明顯的變化，但是隨著進氣門關(guān)閉角的延遲，會有一部分的進氣被推回到進氣道中，造成了柴油機平均有效壓力，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，提前進氣門關(guān)閉角，進氣時間較額定進氣時間縮短，進氣量會隨著進氣門關(guān)閉角的提前而大幅減少，充量系數(shù)下降，空燃比下降，造成了柴油機燃燒不充分，缸內(nèi)溫度降低，燃油消耗率大幅度上升同時造成柴油機的平均有效壓力，功率下降.EIVC模式下，柴油機的做功能力有所損失，但是帶來了降低缸內(nèi)溫度的效果，對改善NOx的排放有著積極的意義.

3 結(jié) 論

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

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

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