毛旭東，陳 堅(jiān)

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，廈門 361021)

0 引 言

柴油機(jī)作為一類熱功轉(zhuǎn)換效率最高的動(dòng)力機(jī)械，具有熱效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、功率范圍廣等特點(diǎn)[1]，已成為船舶運(yùn)輸領(lǐng)域最主要?jiǎng)恿碓?，有著十分重要的地位。柴油機(jī)燃料主要由石油提煉而來，而石油作為現(xiàn)代工業(yè)的“血液”，是世界各國生存發(fā)展不可或缺的戰(zhàn)略物資[2]。當(dāng)今，經(jīng)濟(jì)全球化趨勢日益明顯，對(duì)石油的敏感度越來越高、需求量也愈來愈大，隨著石油消耗量大幅上升且短期內(nèi)無法再生，導(dǎo)致石油資源正日趨枯竭[3]?？茖W(xué)統(tǒng)計(jì)表明：按目前的開采速度，已探明的石油儲(chǔ)備量僅夠開采五十年左右，大量石油能源的使用也造成大氣環(huán)境污染日益嚴(yán)峻[4]。

船用柴油機(jī)大多為中低速大功率柴油機(jī)，為提高其低負(fù)荷性能同時(shí)考慮到裝配和后期維護(hù)成本以及操作運(yùn)行的復(fù)雜程度[5]，船用柴油機(jī)通常采用相繼增壓系統(tǒng)和可變截面渦輪增壓系統(tǒng)這兩種增壓方式來改進(jìn)傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓技術(shù)[7-9]。因此本文結(jié)合這兩種不同增壓系統(tǒng)，提出一種新型的增壓系統(tǒng)—STC-VGT增壓系統(tǒng)。

通過試驗(yàn)研究STC-VGT增壓系統(tǒng)以最佳VGT開度運(yùn)行時(shí)，其NOx排放相比原機(jī)惡化較為嚴(yán)重[10]，因此本文著重對(duì)STC-VGT增壓柴油機(jī)NOx排放問題進(jìn)行優(yōu)化研究。柴油機(jī)各參數(shù)中，噴油參數(shù)對(duì)柴油機(jī)油氣混合及燃燒品質(zhì)的影響較大，因而噴油參數(shù)對(duì)柴油機(jī)最終NOX排放會(huì)產(chǎn)生一定影響[11]，所以本文選用柴油機(jī)工作性能重要參數(shù)：噴油提前角，研究噴油提角對(duì)STC-VGT增壓柴油機(jī)性能影響。TBD234V6型柴油機(jī)的噴油提前角為25°CA，由于試驗(yàn)室條件所限，不易對(duì)噴油提前角進(jìn)行調(diào)整[12]，故本文建立STC-VGT增壓柴油機(jī)仿真模型并驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，尋找最佳噴油提前角以進(jìn)一步優(yōu)化新型STC-VGT增壓柴油機(jī)的綜合性能。

1 研究方案

1.1 研究對(duì)象

本文采用TBD234型V列、6缸、四沖程柴油機(jī)為原型機(jī)建立AVL-Fire的仿真模型，柴油機(jī)基本性能參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)性能參數(shù)

1.2 TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)仿真模型與驗(yàn)證

運(yùn)用GT-Power軟件的柴油機(jī)部件模塊建立TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)計(jì)算模型。首先，依次建立氣缸、曲軸箱、氣閥、進(jìn)排氣管路、中冷器及渦輪增壓器等模型；其次，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，合理設(shè)置整機(jī)模型中各模塊的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)并反復(fù)調(diào)試，使得仿真模型工作過程與實(shí)機(jī)保持較高的一致性；最后，對(duì)TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)仿真模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確定仿真模型的合理性。圖1為TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)仿真模型圖。

圖1 TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)仿真模型圖

選取TBD234V6型柴油機(jī)螺旋槳特性10%Pe0、25%Pe0、50%Pe0、80%Pe0和100%Pe0進(jìn)行仿真計(jì)算。圖2為柴油機(jī)主要性能參數(shù)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖，由圖可知：柴油機(jī)功率、扭矩的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，而缸內(nèi)最高燃燒壓力與燃油消耗率的誤差均在3%以內(nèi)，這表明TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)仿真模型仿真模型各模塊的參數(shù)及邊界條件設(shè)置合理，精度較高。圖3為柴油機(jī)螺旋槳特性下10%Pe0、25%Pe0、50%Pe0、80%Pe0和100%Pe0的試驗(yàn)與仿真示功圖對(duì)比，由圖可知：四個(gè)負(fù)荷的仿真與試驗(yàn)示功圖高度吻合，誤差范圍在5%以內(nèi)，存在誤差的主要原因是數(shù)值模擬的噴油規(guī)律與實(shí)際噴油規(guī)律不能完全一致，與此同時(shí)，噴霧和燃燒等模型的提出基于一定的假設(shè)，模型不能完全仿真實(shí)際的燃燒過程，所以仿真與試驗(yàn)結(jié)果難免存在一定的誤差，但誤差很小，因此TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)仿真模型可以用于STC-VGT增壓柴油機(jī)的性能仿真研究。

圖2 柴油機(jī)主要性能參數(shù)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 不同負(fù)荷仿真與試驗(yàn)示功圖對(duì)比

1.3 STC-VGT增壓柴油機(jī)仿真模型與驗(yàn)證

基于TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)仿真模型，將原增壓系統(tǒng)改造為 STC-VGT新型相繼增壓系統(tǒng)，建立STC-VGT增壓柴油機(jī)仿真模型，如圖4所示，除替換原普通定渦輪增壓器為STC-VGT增壓系統(tǒng)外，還需加裝放氣閥、進(jìn)氣閥及燃?xì)忾y，當(dāng)Pe<50%Pe0時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥和燃?xì)忾y，此時(shí)可變截面渦輪單獨(dú)工作(1TC)，若Pe≥50%Pe0，打開進(jìn)氣閥和燃?xì)忾y，則兩臺(tái)增壓器同時(shí)工作(2TC)。

圖4 STC-VGT增壓柴油機(jī)仿真模型

表2 為STC-VGT增壓系統(tǒng)各螺旋槳特性負(fù)荷的最佳VGT開度試驗(yàn)值，圖5為柴油機(jī)與GTB15增壓器的匹配運(yùn)行圖，GTB15增壓器以最佳VGT開度運(yùn)行，在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，均處于壓氣機(jī)的高效運(yùn)行區(qū)，且離喘振線有一定的喘振裕度，說明STC-VGT增壓系統(tǒng)以最佳VGT開度運(yùn)行時(shí)，與柴油機(jī)匹配效果良好。

表2 STC-VGT增壓系統(tǒng)各螺旋槳特性負(fù)荷的最佳VGT開度試驗(yàn)值

圖5 柴油機(jī)與GTB15增壓器的匹配運(yùn)行圖

本文由于試驗(yàn)選取的負(fù)荷工況點(diǎn)較多，因此本文對(duì)STC-VGT增壓柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化研究時(shí)，選取10%Pe0和25%Pe0為低負(fù)荷的代表工況點(diǎn)；50%Pe0為中負(fù)荷的代表工況點(diǎn)；80%Pe0和100%Pe0為高負(fù)荷的代表工況點(diǎn)。通過對(duì)比各代表負(fù)荷工況下柴油機(jī)主要性能參數(shù)的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。圖6為STC-VGT增壓柴油機(jī)主要性能參數(shù)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖，圖7為STC-VGT增壓柴油機(jī)螺旋槳特性下10%Pe0、25%Pe0、50%Pe0、80%Pe0和100%Pe0的試驗(yàn)與仿真示功對(duì)比圖，由圖可知：仿真值與試驗(yàn)值吻合良好，其誤差度均小于5%，表明仿真模型參數(shù)設(shè)置合理，計(jì)算具有準(zhǔn)確性，可用于噴油提前角的優(yōu)化研究。

圖6 STC-VGT增壓柴油機(jī)主要性能參數(shù)仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 STC-VGT增壓柴油機(jī)不同負(fù)荷仿真與試驗(yàn)示功圖對(duì)比

1.4 噴油提前角仿真研究方案

TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)裝配P1000型噴油泵，其噴油提前角為25°CA。噴油提前角是指噴油泵開始向缸內(nèi)噴射燃油時(shí)活塞距離上止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角。若噴油提前角選擇過大，柴油機(jī)易出現(xiàn)粗暴運(yùn)行、高強(qiáng)度噪聲等問題；若選擇過小，缸內(nèi)燃油易斷火，綜合考慮，最終選取噴油提前角 19°CA、20°CA、21°CA、22°CA、23°CA、24°CA、25°CA、26°CA、27°CA進(jìn)行研究，研究負(fù)荷工況點(diǎn)為10%Pe0、25%Pe0、50%Pe0、80%Pe0、100%Pe0。圖8為GT-Power軟件中噴油提前角調(diào)節(jié)界面。

圖8 GT-Power軟件中噴油提前角調(diào)節(jié)界面

2 噴油提前角對(duì) STC-VGT增壓柴油機(jī)性能影響

2.1 缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響

圖9為STC-VGT增壓柴油機(jī)各負(fù)荷缸內(nèi)最高燃燒壓力隨噴油提前角的變化圖，圖中可以看出：噴油提前角對(duì)STC-VGT增壓柴油機(jī)各負(fù)荷缸內(nèi)最高燃燒壓力的影響趨勢一致，即，隨著噴油時(shí)刻延時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒壓力逐漸降低，如25%Pe0和80%Pe0、噴油提前角為19°CA時(shí)，相比27°CA初始值分別下降10.7、6.6 bar，且低負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒壓力隨噴油提前角下降的幅度大于中高負(fù)荷，這主要是因?yàn)椋弘S著噴油提前角的減小，缸內(nèi)燃油預(yù)混合期縮短，油氣混合不夠充分，從而使得缸內(nèi)焰前反應(yīng)減弱，與此同時(shí)，噴油提前角減小還會(huì)縮短缸內(nèi)滯燃期，使得油氣的預(yù)混合燃燒比例減少，缸內(nèi)燃燒隨之惡化，因此缸內(nèi)最高燃燒壓力隨之降低。

圖9 各負(fù)荷缸內(nèi)最高燃燒壓力隨噴油提前角的變化

2.2 燃油消耗率的影響

圖10為STC-VGT增壓柴油機(jī)各負(fù)荷缸內(nèi)燃油消耗率隨噴油提前角的變化圖，由圖可知：隨著噴油提前角的減小，各負(fù)荷燃油消耗率逐漸上升，經(jīng)濟(jì)性惡化，且低負(fù)荷時(shí)，上升的幅度高于中高負(fù)荷，如25%Pe0和80%Pe0，噴油提前角從27°CA提前至19°CA時(shí)，燃油消耗率分別上升14.5 g/kW·h和5.7g/kW·h，這主要是因?yàn)?隨著噴油提前角的減小，導(dǎo)致滯燃期縮短，燃料與空氣混合不充分，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒延后,在缸內(nèi)燃燒過程中，燃油利用率較低，后燃較為嚴(yán)重,單位時(shí)間內(nèi)所消耗的燃油質(zhì)量增多，所以油耗率呈現(xiàn)上升趨勢。

圖10 各負(fù)荷燃油消耗率隨噴油提前角的變化

2.3 NOx排放量的影響

圖11為STC-VGT增壓柴油機(jī)各負(fù)荷NOx排放量隨噴油提前角的變化圖，由圖可知:各負(fù)荷的NOx排放量均隨著噴油提前角的減小而下降,且中高負(fù)荷的NOx排放量下降幅度大于低負(fù)荷，如25%Pe0和80%Pe0，噴油提前角從27°CA提前至19°CA時(shí)，NOx排放量分別下降130 ppm和496 ppm，是因?yàn)殡S著噴油提前角的減小，滯燃期縮短，缸內(nèi)著火時(shí)刻后移，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生活塞下行時(shí)才著火的情況，此時(shí)氣缸容積增大，缸內(nèi)熱效率低，使得缸內(nèi)最高燃燒溫度和壓力都下降，破壞NOx生成所需的高溫富氧條件，與此同時(shí)噴油時(shí)刻滯后，會(huì)縮短缸內(nèi)高溫持續(xù)時(shí)間，從而抑制NOx的生成。

圖11 各負(fù)荷下NOx排放量隨噴油提前角的變化

2.4 Soot排放量的影響

圖12為STC-VGT增壓柴油機(jī)各負(fù)荷Soot排放量隨噴油提前角的變化圖，由圖可知：各負(fù)荷的Soot排放量均隨著噴油提前角的減小，整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，如25%Pe0，噴油提前角從27°CA到25°CA下降0.2%,從25°CA到19°CA，Soot排放量上升2.2%，這是因?yàn)镾oot的生成過程分別包含形成和氧化兩部分，并且兩部分是同時(shí)發(fā)生的，當(dāng)噴油提前角在一定范圍內(nèi)時(shí)，因缸內(nèi)溫度相對(duì)較高，氧化的Soot量大于柴油機(jī)擴(kuò)散期燃油燃燒所形成的Soot量，造成Soot排放量的整體呈下降趨勢，但當(dāng)主噴提前角進(jìn)一步降低時(shí)，缸內(nèi)燃燒惡化，柴油機(jī)尾燃嚴(yán)重，使得Soot氧化量小于Soot生成量，故Soot排放量又隨之上升。

圖12 各負(fù)荷下Soot排放量隨噴油提前角的變化

3 最佳噴油提前角的確定與優(yōu)化效果分析

經(jīng)上述仿真計(jì)算研究，結(jié)果表明：隨著噴油提前角的減小，STC-VGT增壓柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性有所惡化，Soot排放體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而NOx排放量隨噴油提前角的減小而逐漸降低。在對(duì)噴油提前角進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，運(yùn)用多目標(biāo)灰色決策模型[13]來綜合評(píng)價(jià)變噴油提前角對(duì)NOx增壓柴油機(jī)綜合性能影響，從而確定最佳噴油提前角。STC-VGT增壓系統(tǒng)以最佳VGT開度運(yùn)行時(shí)，其NOx排放相比原機(jī)惡化較為嚴(yán)重，所以著重對(duì)STC-VGT增壓柴油機(jī)NOx排放問題進(jìn)行優(yōu)化，因此對(duì)各負(fù)荷均采用NOx排放量為核心決策目標(biāo)，初始賦權(quán)均為η1=0.5，表3為STC-VGT增壓柴油機(jī)以不同噴油提前角運(yùn)行的綜合性能優(yōu)化值。

表3 STC-VGT增壓柴油機(jī)以不同噴油提前角運(yùn)行的綜合性能優(yōu)化值

由上表可知：當(dāng)噴油提前角為21°CA BTDC時(shí)，各負(fù)荷綜合優(yōu)化效果值最高，故將21°CABTDC作為STC-VGT增壓柴油機(jī)最佳噴油提前角。

圖13～16為噴油提前角優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)與原機(jī)和傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓在燃油消耗率、缸內(nèi)最高燃燒壓力、NOx和Soot排放量的對(duì)比圖，由圖可知：燃油經(jīng)濟(jì)性方面，優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)燃油消耗率均低于原機(jī)，Pe=10%Pe0時(shí)下降幅度最大，相比原機(jī)降低約21.5 g/kW·h，低中負(fù)荷時(shí)，優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)，燃油經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)于傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓，Pe=50%Pe0時(shí)，與傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓相差最大，下降約3.6 g/kW·h，高負(fù)荷時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性略差于傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓，Pe=100%Pe0時(shí)，燃油消耗率相比后者上升2.7 g/kW·h；動(dòng)力性方面，低中負(fù)荷時(shí)，優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)缸內(nèi)最高燃燒壓力均高于原機(jī)和傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓，Pe=50%Pe0時(shí)，增長幅度最大，比原機(jī)上漲約14 bar，比傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓上升約18bar，高負(fù)荷時(shí)，優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)缸內(nèi)最高燃燒壓力上升幅度較小，100%Pe0時(shí)，甚至略低于原機(jī)，下降約1 bar，但動(dòng)力性仍然略高于傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓；NOx排放性方面，中低負(fù)荷時(shí)，優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)NOx排放性能已與傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓相差無幾，10%Pe0時(shí)，NOx排放量甚至低于原機(jī)和傳統(tǒng)相繼增壓系統(tǒng)，高負(fù)荷時(shí)，優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)NOx排放量相比原機(jī)和傳統(tǒng)相繼增壓均有較大幅度下降，NOx排放性能明顯優(yōu)于另外兩種增壓方式，如100%Pe0，NOx排放量相比原機(jī)下降224 ppm，相比傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓下降184 ppm；Soot排放方面，低中負(fù)荷時(shí)，優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)Soot排放量低于原機(jī)，50%Pe0時(shí)，Soot排放量相比原機(jī)下降幅度最大，約3.4%，10%Pe0時(shí)，優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)Soot排放量高于傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓，高負(fù)荷時(shí)，STC-VGT增壓系統(tǒng)Soot排放量性能降低，100%Pe0時(shí)，Soot排放量相比原機(jī)上升1.5%,相比傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓下降1.4%,Soot排放有所惡化。綜上表明，以21°CA BTDC噴油提前角優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)能夠使得柴油機(jī)在低中負(fù)荷NOx排放性能達(dá)到傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓柴油機(jī)水平，而在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，NOx排放和燃油消耗率明顯低于原機(jī)和傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓柴油機(jī)，同時(shí)柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力整體高于傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓柴油機(jī)。

圖13 優(yōu)化后燃油消耗率對(duì)比

圖14 優(yōu)化后缸內(nèi)最高燃燒壓力對(duì)比

圖15 優(yōu)化后對(duì)比NOx排放量對(duì)比

圖16 優(yōu)化后對(duì)比Soot排放量對(duì)比

4 結(jié)束語

(1)本文采用GT-Power仿真軟件，建立TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)仿真模型，并在原機(jī)模型基礎(chǔ)上將原增壓系統(tǒng)改造為STC-VGT增壓系統(tǒng)，建立STC-VGT增壓柴油機(jī)仿真模型，通過對(duì)比10%Pe0、25%Pe0、50%Pe0、80%Pe0和100%Pe0各代表負(fù)荷工況下柴油機(jī)主要性能參數(shù)的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)及示功圖，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。

(2)為應(yīng)對(duì)STC-VGT增壓柴油機(jī)NOx排放問題，選用20°CA、21°CA、22°CA、23°CA、24°CA、25°CA、26°CA、27°CA噴油提角對(duì)STC-VGT增壓柴油機(jī)仿真優(yōu)化研究，分析對(duì)STC-VGT增壓柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力、燃油消耗率、NOx排放量、Soot排放量的影響，通過多目標(biāo)灰色決策模型，以NOx排放量為核心決策目標(biāo)，確定最佳噴油提前角21°CA BTDC。

(3)將最佳噴油提前角優(yōu)化后的STC-VGT增壓柴油機(jī)與原機(jī)和傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，以21°CA BTDC噴油提前角優(yōu)化后的STC-VGT增壓系統(tǒng)能夠使得柴油機(jī)在低中負(fù)荷NOx排放性能達(dá)到傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓柴油機(jī)水平，高負(fù)荷NOx排放明顯低于原機(jī)和傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓柴油機(jī)，同時(shí)保持柴油機(jī)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性整體優(yōu)于傳統(tǒng)定渦輪相繼增壓增壓柴油機(jī)。