尹愛勇 潘金元 李俊陽 俞昌鎖

(1 銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,安徽 銅陵 244000;2 奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程技術(shù)研發(fā)總院,安徽 蕪湖 241006)

鑒于全球環(huán)境危機和化石資源短缺,新型、清潔、可再生能源的應(yīng)用在全球范圍內(nèi)迅速開展。生物柴油以其低排放、可再生、可生物降解等諸多優(yōu)點而被眾多企業(yè)與高校用于發(fā)動機新能源化的研究中。利用仿真對柴油機燃燒控制[1]、污染物排放[2]、低溫燃燒性能[3]和排放性能優(yōu)化[4]等進行的研究顯著提升了發(fā)動機的綜合性能。黃昭明等[5]通過仿真對比了燃用純柴油和生物柴油發(fā)動機的燃燒和排放性能,結(jié)果表明燃用生物柴油時動力相當,而soot和NOx排放得到了顯著降低。陳昊天等[6]開發(fā)了柴油機多功能仿真軟件可以實現(xiàn)發(fā)動機穩(wěn)態(tài)下的多種計算模型的仿真計算,通過一款中型柴油機的仿真計算與試驗數(shù)據(jù)比對驗證了軟件的計算精度和實時率。相關(guān)學(xué)者對生物柴油發(fā)動機的性能參數(shù)研究發(fā)現(xiàn),通過改變噴油參數(shù)對發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性進行優(yōu)化,可以有效降低燃油消耗率[7-8]。利用生物柴油較高的十六烷值和高氧含量有助于提高發(fā)動機的熱效率,進而改善發(fā)動機的動力性[9-10]。向以生物柴油為主摻混不同體積的乙醇,發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性得到改善,soot排放得到顯著降低[11]。

一維仿真技術(shù)能夠很好地模擬發(fā)動機的運行狀態(tài),縮短項目開發(fā)時間和減小項目開發(fā)費用,而被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機前期開發(fā)的各個階段。然而,一維仿真的精度受制于測試數(shù)據(jù)的精度,發(fā)動機試驗過程中很多測試數(shù)據(jù)又難以獲取,長期以來一維仿真精度高低取決于研發(fā)部門的數(shù)據(jù)積累和研究人員的仿真經(jīng)驗[12-15]。因此,本研究通過搭建柴油機AVL BOOST一維模型,進行柴油機動力性與經(jīng)濟性指標的仿真分析,并通過對應(yīng)的臺架試驗驗證其仿真精度,并進一步評估所建立的一維模型的可靠性,旨在通過應(yīng)用較高精度的一維模型為發(fā)動機前期開發(fā)提供性能仿真技術(shù)支持。

1 柴油機建模仿真和試驗方法

1.1 柴油機建模

作為發(fā)動機前期開發(fā)階段的一款熱力學(xué)仿真軟件,AVL BOOST集成的模擬程序能夠搭建整臺發(fā)動機的一維模型。仿真過程中采用VIBE燃燒放熱規(guī)律模型來模擬柴油機的燃燒過程。采用基于WOSCHNI關(guān)系式的三維缸內(nèi)傳熱模型來模擬缸內(nèi)瞬時傳熱和對流情況。結(jié)合能量守恒方程、連續(xù)性方程和動量方程對流場流動進行模擬分析。

根據(jù)發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),搭建柴油機AVL BOOST一維仿真模型,如圖1所示。圖中,SB1、SB2為兩個系統(tǒng)邊界,TC1為廢氣渦輪增壓器,CO1為空氣冷卻器,PL1為排氣集管,PL2為掃氣箱,C1～C4為四個氣缸,1～16為氣體管路,MP1～MP15為測量點。模型的參數(shù)輸入思路:首先將柴油機氣缸壓力曲線導(dǎo)入增壓燃燒模塊,通過計算得到燃燒起始角、燃燒持續(xù)時間和燃燒性能指標三個特性參數(shù),然后,對進氣歧管室模型和進氣管模型的精度進行對比分析,最后,通過選擇進氣管模型計算分析進氣管對柴油機性能的影響。

圖1 柴油機AVL BOOST一維仿真模型

1.2 仿真計算模型

AVL BOOST軟件內(nèi)置有多個燃燒放熱模型,可通過計算每次循環(huán)的總放熱量來計算每度曲軸轉(zhuǎn)角所釋放的熱量[16]。本文采用單韋伯模型。一般使用韋伯函數(shù)計算柴油機的放熱情況,結(jié)果與真實數(shù)據(jù)相差不大。

(1)

式中:x為燃燒開始消耗到某一時刻的燃油質(zhì)量分數(shù);α為曲軸轉(zhuǎn)角,(°);α0為氣缸內(nèi)燃油混合物開始燃燒時曲軸所處的角度,(°);Δαc為氣缸內(nèi)燃油燃燒時間,(°);m為氣缸內(nèi)燃燒的質(zhì)量;a為完全燃燒的韋伯參數(shù),恒定為6.9。

AVL BOOST軟件提供有多個傳熱模型,用于計算傳熱系數(shù),包括Woschni 1978模型、Lorenz模型及AVL 2000模型等。對于高溫循環(huán)的計算,通常選用Woschni 1978模型,計算公式如式(2)[8-9]:

(2)

式中:aw為傳熱系數(shù);aWoschni為模型的傳熱系數(shù);d為筒徑,m;p為壓力,Pa;T為絕對溫度,K;z為常數(shù),z=14;din為掃氣口外連管的直徑,m;vin為掃氣口氣流的速度,m/s。

1.3 柴油機試驗方法

試驗臺架采用一臺帶直列、水冷、四沖程、電控直噴、高壓共軌、帶廢氣渦輪增壓的進氣中冷四缸柴油機。臺架用柴油機的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 臺架用柴油機的主要性能參數(shù)

發(fā)動機臺架試驗采用燃料的原材料為0#柴油和油脂原料合成的生物柴油,柴油和生物柴油的主要理化性質(zhì)見表2。臺架試驗開始前,先檢查發(fā)動機各安裝螺栓、聯(lián)軸節(jié)及安裝防護罩等是否正常,并檢查冷卻水量是否符合要求。再起動發(fā)動機,先燃用柴油對發(fā)動機進行升溫,直到發(fā)動機冷卻水溫度達到60℃時,再將柴油切換為生物柴油,對生物柴油發(fā)動機的性能進行研究。

表2 柴油和生物柴油的主要理化性質(zhì)

試驗用柴油機系統(tǒng)架構(gòu)示意圖及其實驗現(xiàn)場,如圖2所示。試驗臺架所用測功機為洛陽凱邁CW260電渦流測功機,為保證油耗數(shù)據(jù)精確性,發(fā)動機的燃料消耗量采用AVL 735 S測量發(fā)動機燃油消耗量,配有753C油溫控制裝置,有效避免燃油溫度波動對燃燒過程的影響。缸壓曲線通過火花塞式缸壓傳感器(Kistler 6 115 B)測得,缸壓曲線采集及燃燒數(shù)據(jù)計算使用AVL Indicom燃燒分析儀,轉(zhuǎn)角信號由AVL 365C角標器輸出,利用AVL Indicom系統(tǒng)對燃燒過程示功圖進行數(shù)據(jù)記錄和保存。為實時監(jiān)控發(fā)動機排放特性,使用HORIBA MEXA-ONE-RS-EGR氣體分析儀對發(fā)動機廢氣排放量進行采集和分析。其中,CO/CO2采用不分光紅外(NDIR)檢測方法,利用不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性,利用氣體濃度與吸收強度關(guān)系來鑒別氣體組分并確定濃度。而NOx測量則采用化學(xué)發(fā)光法(CLD),根據(jù)化學(xué)發(fā)光強度或發(fā)光總量來確定物質(zhì)組分含量。此外,利用氫火焰離子化檢測器(FID)檢測THC總濃度。

發(fā)動機開發(fā)過程中,容積效率是指發(fā)動機在進氣沖程缸內(nèi)吸入混合氣氣體體積與氣缸容積之比,從數(shù)值上表達了發(fā)動機的吸氣能力。容積效率對發(fā)動機動力性能具有決定性影響,通常容積效率越高,動力性能越好。因此,本文采用SENSYCON Sensy空氣流量計對進氣流量進行測量,用于試驗過程容積效率的計算。

(a)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

(b)實驗現(xiàn)場圖

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 仿真模型的準確性檢驗

發(fā)動機動力性指標包括功率P、扭矩T、容積效率ηV、排氣壓力po和進氣歧管壓力pi等,經(jīng)濟性指標主要為燃油消耗率BSFC。本研究以柴油機額定轉(zhuǎn)速為參考,選定1 000～3 220 r/min作為柴油機的試驗轉(zhuǎn)速,發(fā)動機負荷選取外特性工況。通過分析選定試驗轉(zhuǎn)速對柴油機的動力性和經(jīng)濟性的影響,來評估各指標的變化規(guī)律;再通過仿真值與試驗值的比對,來驗證本文所建立的柴油機一維仿真模型的精度。柴油機轉(zhuǎn)速n對其動力性和經(jīng)濟性指標的影響,如圖3所示。

圖3 柴油機轉(zhuǎn)速對其關(guān)鍵參數(shù)的影響

圖3(a)為柴油機轉(zhuǎn)速對容積效率的影響,從圖中可以看出,在外特性負荷工況下,隨轉(zhuǎn)速升高,單位時間內(nèi)進氣量增大,容積效率曲線呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢,當進氣量超過一定值后,容積效率逐漸下降。主要原因在于當發(fā)動機轉(zhuǎn)速由1 000 r/min提升至1 600 r/min過程中,由于增壓器逐漸介入,增壓能力提升,且增壓器系統(tǒng)效率逐漸升高,有利于容積效率的提升。但進一步提高轉(zhuǎn)速,進氣量增加后,氣門處氣體流速升高,局部節(jié)流阻力損失增大,限制了容積效率的提升。相比于1 600 r/min時,發(fā)動機在3 220 r/min時容積效率降低約8%。同時,在本文所選試驗轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi),由于容積效率逐步提升,發(fā)動機功率逐漸增大,當柴油機的轉(zhuǎn)速達3 220 r/min,其功率達到了90 kW,這也與試驗用柴油機的額定功率(額定轉(zhuǎn)速)相當,如圖3(b)所示。由于渦輪增壓器在整個試驗所選工況范圍內(nèi)做功能力逐步提升,隨轉(zhuǎn)速升高,進氣流量增大,排氣流量相應(yīng)增加,導(dǎo)致排氣渦輪前壓力逐漸單調(diào)升高。進氣歧管壓力由于渦輪增壓器增壓能力提升而逐漸升高,但當轉(zhuǎn)速提升至2 500 r/min后進氣歧管壓力升高趨勢減緩,主要問題在于受壓氣機葉輪工作效率限制,進氣壓力無法持續(xù)升高,但由于噴油量的增加,排氣動能升高,以上原因?qū)е铝伺艢鈮毫εc進氣歧管壓力變化趨勢的差異,如圖3(c)、(d)所示。

圖3(e)為不同轉(zhuǎn)速條件下發(fā)動機扭矩水平對比。從圖中可以看出隨轉(zhuǎn)速升高,發(fā)動機扭矩曲線呈先升高后降低的趨勢,且在1 600～2 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),發(fā)動機扭矩達到最大,且呈平臺型狀態(tài)。這是由于,通常隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大,進氣量增加,渦輪轉(zhuǎn)速升高,進氣壓力相應(yīng)升高,但為了保證發(fā)動機機械結(jié)構(gòu)安全性,需要采用廢氣旁通的形式降低渦輪轉(zhuǎn)速,使得發(fā)動機扭矩被限制在一定范圍。從圖3(f)可以看出,有效燃油消耗率變化趨勢與容積效率變化趨勢存在一定對應(yīng)關(guān)系,發(fā)動機有效燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速升高逐漸降低,并在中等轉(zhuǎn)速條件下達到最小值,此后隨轉(zhuǎn)速升高,有效燃油消耗率快速升高。這是由于,中等轉(zhuǎn)速以下工況,隨轉(zhuǎn)速升高,增壓壓力提升,容積效率略有升高,且增壓器對排氣功的回收能力逐漸改善。但當轉(zhuǎn)速升高到一定水平,繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速,一方面進氣流量及壓力增大,氣門處節(jié)流損失增加。另一方面,轉(zhuǎn)速升高,活塞、凸輪軸等運動件摩擦損失升高。以上因素導(dǎo)致中等以上轉(zhuǎn)速條件下,隨轉(zhuǎn)速升高,有效燃油消耗率顯著增加。

為進一步評估研究中所建立模型的準確性,圖4對比分析了模型仿真結(jié)果與試驗結(jié)果差值。從圖中可以看出,模型輸出的容積效率ηV、功率P、排氣壓力po、進氣歧管壓力pi、扭矩T和燃油消耗率BSFC與試驗臺架試驗值相符,誤差基本保持在5%范圍內(nèi)。通過上述規(guī)律性與精度分析,反饋了本文所搭建的柴油機AVL BOOST一維模型具有較好的可信度,滿足生物柴油經(jīng)濟性的仿真分析的需要。采樣點仿真值與實驗值的相對誤差△統(tǒng)計,如圖4所示。產(chǎn)生相對誤差的原因主要是一維仿真過程中,發(fā)動機換熱系數(shù)、燃燒模型的參數(shù)等都是根據(jù)大量的數(shù)據(jù)經(jīng)驗所得,一維模擬的管路結(jié)構(gòu)、尺寸、位置是參考實際情況設(shè)置,但會與真實情況存在一定的誤差,同時試驗測試在采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中也存在一定誤差,以上原因會引起仿真值與試驗值存在偏差的情況。

圖4 采樣點仿真值與實驗值的相對誤差統(tǒng)計

2.2 生物柴油經(jīng)濟性分析

對柴油機的經(jīng)濟性而言,可以從燃油消耗率BSFC和BSEC兩個指標的比較來判斷。在此,基于標定模型計算了生物柴油的經(jīng)濟性,發(fā)動機在相同功率下運行時,柴油和生物柴油的經(jīng)濟性指標分別用BSFC和BSEC表示,其中BSEC可通過下式進行轉(zhuǎn)換。

(3)

式中,BSEC為計算有效燃油消耗率,g/(kW·h);BSFC為試驗有效燃油消耗率,g/(kW·h);ρB為生物柴油的密度,g/cm3;油的HVB為生物柴體積低熱值,MJ/cm3,HVB取38.8;HMD為柴油的重量分析低熱值,MJ/g,HMD取42.845。

基于標定仿真模型對燃用柴油和生物柴油進行仿真分析,得到試驗轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)燃用柴油和生物柴油BSFC的仿真值,然后利用上式計算出生物柴油的BSEC。發(fā)動機轉(zhuǎn)速對燃用柴油和生物柴油的BSFC和BSEC的影響,如圖5所示。

圖5 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對燃用柴油和生物柴油的BSFC和BSEC的影響

由圖5可知,生物柴油的仿真值BSFC高于柴油仿真值,這是由于生物柴油的熱值較低;而生物柴油的計算值BSEC低于柴油,這歸因于生物柴油的高熱效率。生物柴油分子中含有氧元素,由于其自供氧特性,單位質(zhì)量燃料所含有的熱量值低于傳統(tǒng)柴油燃料,因此,從能量平衡的角度來講,發(fā)動機燃用生物柴油時的有效燃油消耗率高于燃用純柴油燃料情況。此外,由于試驗用柴油與生物柴油十六烷值較為相近,噴霧高溫條件下自燃傾向差異較小,在噴射策略不變的情況下,不同轉(zhuǎn)速工況下燃用柴油和生物柴油時有效燃油消耗率差值基本相當,主要取決于兩種燃料單位質(zhì)量的低熱值的差異。

3 結(jié)論

本研究搭建了柴油機AVL BOOST一維模型,應(yīng)用VIBE燃燒放熱規(guī)律模型、WOSCHNI三維缸內(nèi)傳熱模型以及流體力學(xué)的三大方程仿真,分析了柴油機轉(zhuǎn)速對動力性和經(jīng)濟性的影響。通過仿真結(jié)合試驗驗證了柴油機AVL BOOST一維模型準確性,并分析了柴油機轉(zhuǎn)速對動力性和經(jīng)濟性的影響機理。進一步應(yīng)用該模型預(yù)測了燃用柴油和生物柴油發(fā)動機的BSFC,分析了發(fā)動機轉(zhuǎn)速對燃用柴油和生物柴油的BSFC和BSEC的影響,計算了生物柴油的BSEC。主要結(jié)論如下:

1)研究中基于仿真模型結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析,模型輸出的容積效率ηV、功率P、排氣壓力po、進氣歧管壓力pi、扭矩T和燃油消耗率BSFC與試驗臺架試驗值相符,誤差基本保持在5%范圍內(nèi),表明本文所建立的一維模型具有較好的可信度,能夠滿足生物柴油經(jīng)濟性的仿真分析需要。

2)基于研究中所建立的一維仿真分析模型,分析了柴油機轉(zhuǎn)速對動力性和經(jīng)濟性的影響機理。在外特性負荷工況下,隨轉(zhuǎn)速升高,單位時間內(nèi)進氣量增大,容積效率曲線呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢,當進氣量超過一定值后,容積效率逐漸下降。相比于1 600 r/min時,發(fā)動機在3 220 r/min時容積效率降低約8%。

3)在本文所選試驗轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi),由于容積效率逐步提升,發(fā)動機功率逐漸增大,當柴油機的轉(zhuǎn)速達3 220 r/min,其功率達到了90 kW,這也與試驗用柴油機的額定功率相當。

4)由于渦輪增壓器在整個試驗所選工況范圍內(nèi)做功能力逐步提升,隨轉(zhuǎn)速升高,進氣流量增大,排氣流量相應(yīng)增加,導(dǎo)致排氣渦前壓力逐漸單調(diào)升高。但由于壓氣機與渦輪機工作特性的不同,排氣壓力與進氣歧管壓力變化趨勢存在差異。

5)試驗所選工況條件下,隨轉(zhuǎn)速升高,發(fā)動機扭矩曲線呈先升高后降低的趨勢,且在1 600～2 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),發(fā)動機扭矩達到最大,且呈平臺型狀態(tài)。同時,發(fā)動機有效燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速升高逐漸降低,并在中等轉(zhuǎn)速條件下達到最小值,此后隨轉(zhuǎn)速升高,有效燃油消耗率快速升高。