艦船用柴油機燃燒放熱規(guī)律數(shù)值分析方法

，，

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033)

對于柴油機或汽油機的燃燒分析，多用專業(yè)的燃燒分析儀來完成，但是燃燒分析儀價格昂貴，操作過程固化，且在艦船環(huán)境下，由于空間限制和設(shè)備可靠性等問題，無法直接測取某些必須參數(shù)。為尋找一種更簡單便捷的確定柴油機燃燒規(guī)律的方法，以濰柴WD615柴油機為研究對象，針對影響因素進行數(shù)據(jù)修正，使用幾種常用的燃燒放熱規(guī)律的數(shù)值方法，與AVLBOOST軟件的計算結(jié)果進行對比；同時針對實測條件下不便使用編碼器觸發(fā)的問題，使用飛輪信號做轉(zhuǎn)角信號處理，以獲得較為準(zhǔn)確的示功圖和燃燒放熱規(guī)律。

1 試驗臺架介紹

1.1 試驗機介紹

實測濰柴WD615的運行。主要參數(shù)見表1。所用傳感器相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 WD615主要參數(shù)

表2 傳感器

除上述傳感器外，還在進氣管處安裝了恒壓箱和空氣流量計以及油耗測試通道。以此來獲取試驗機運行的其余相關(guān)參數(shù)。

1.2 示功圖的測取

使用光電編碼器作為采集卡的外部觸發(fā)信號，使用NI PXI- 4472采集卡對缸壓信號和上止點信號進行同步外觸發(fā)采樣。采集系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 采集系統(tǒng)

2 根據(jù)實測示功圖計算放熱率

基于熱力學(xué)第一定律，采用零維燃燒模型，根據(jù)氣缸內(nèi)的能量守恒方程進行放熱率計算[2]

(1)

方程(1)的物理含義是：氣缸內(nèi)燃燒放熱率QB等于氣缸內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)能U變化率、作功量W變化率及散熱量Qw變化率的總和。

2.1 差商法計算燃燒放熱率

2.1.1 內(nèi)能變化量

ΔU=McvT-M0cv0T0

(2)

式中：M、M0為某瞬時、壓縮始點缸內(nèi)工質(zhì)物質(zhì)的量；cv、cv0為某瞬時、壓縮始點缸內(nèi)工質(zhì)的平均比熱定容；T、T0為某瞬時、壓縮始點缸內(nèi)工質(zhì)的溫度。

式(2)中如何確定工質(zhì)的物質(zhì)的量和工質(zhì)的溫度是確定工質(zhì)內(nèi)能變化量的關(guān)鍵。常用的方法是根據(jù)空氣進氣流量、循環(huán)噴油量和燃燒時刻過量空氣系數(shù)來確定，但在實際艦船環(huán)境下，由于空間限制，通常不便安裝體型巨大的恒壓箱以及進氣流量計等設(shè)備，因此進氣流量往往無法直接取得。為解決此問題，在測試氣缸進氣歧管處安裝了溫度傳感器和壓力變送器。氣缸內(nèi)絕對壓力的標(biāo)定利用進氣管壓力完成。進氣門關(guān)閉時的缸內(nèi)溫度，可由公式T0=316+0.86(TL-273)獲得。式中TL為進氣溫度[3]。根據(jù)所測得數(shù)據(jù)，得到進氣閥關(guān)閉時的氣體壓力p0、T0。根據(jù)氣缸的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)得到進氣門關(guān)閉時的體積V0，再由氣體狀態(tài)方程T=pV/MR得到進氣門關(guān)閉時的物質(zhì)的量。根據(jù)p0、T0、V0所得到的循環(huán)充量與根據(jù)進氣流量計所得到的循環(huán)充量對比見表3。

表3 兩種確定進氣充量數(shù)據(jù)對比

注：①1 500 r/min，40 kW；②1 500 r/min，50 kW；③1 500 r/min，85 kW

由表3可見，在功率較大時，由多數(shù)據(jù)計算所得到的循環(huán)充量與進氣流量所得循環(huán)充量相差較大。原因是因為多數(shù)據(jù)計算是將氣體視為理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程所得到。

1 500 r/min、40 kW時兩種確定方式溫度a)和工質(zhì)的量b)的對比見圖2。

圖2 瞬時缸內(nèi)溫度和瞬時工質(zhì)的量對比

根據(jù)圖像可以看出，瞬時缸內(nèi)溫度和瞬時缸內(nèi)工質(zhì)的量誤差保持在初值誤差。故在進行循環(huán)充量的修正時，只需對初值進行修正。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下選擇當(dāng)前功率與標(biāo)定功率百分比值，并計算通過進氣流量計所確定的循環(huán)充量與通過進氣溫度和壓力所確定的循環(huán)充量誤差百分比。對兩組數(shù)據(jù)進行曲線擬合。對比多種擬合結(jié)果，線性插值結(jié)果最好。所得到的擬合方程為

f(x)=1.918×[sin(x-π)-0.095 42×(x-102+9.571)]

(3)

式中：x為當(dāng)前功率與標(biāo)定功率百分比；f(x)為循環(huán)充量誤差。實測標(biāo)定工況下的數(shù)據(jù)，見表4。

根據(jù)方程(3)計算修正量為22.8%，根據(jù)誤差修正后循環(huán)充量為8.154 7×10-5kmol，與真實值誤差為1.02%。

表4 標(biāo)定工況(1 500 r/min 120 kW)下進氣充量

以上分析和驗證表明，在進氣歧管安裝溫度和壓力傳感器可對循環(huán)充量進行計算，通過進氣歧管處壓力還可校準(zhǔn)壓力零線，即可以近似計算燃燒過程初值。通過多數(shù)據(jù)計算得到循環(huán)充量值偏高，根據(jù)擬合方程可以對結(jié)果進行修正，得到較準(zhǔn)確的循環(huán)充量。根據(jù)油耗儀得到的循環(huán)噴油量計算燃燒時的過量空氣系數(shù)，然后根據(jù)M=M0[1+0.065×X/(1+r)×α]來確定瞬時工質(zhì)物質(zhì)的量。其中為某一曲軸轉(zhuǎn)角前已燃燒的燃油質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

2.1.2 做功量

根據(jù)實測示功圖中的壓力值p計算做功量。

2.1.3 散熱量

(5)

式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;αg為瞬時傳熱系數(shù);Ai為換熱面積;Twi為燃燒室壁面溫度。

瞬時換熱量的關(guān)鍵是確定平均換熱系數(shù)。現(xiàn)有的內(nèi)燃機瞬時平均換熱系數(shù)αg較多。本文根據(jù)試驗機型，選擇適用直噴式四沖程增壓柴油機型的Woschni1978公式。

確定了每微分曲軸轉(zhuǎn)角中的上述值后，可根據(jù)式(1)確定瞬時放熱量，得到瞬時放熱率。確定燃燒規(guī)律。

2.2 使用積分法計算燃燒放熱率

根據(jù)式(1)，對柴油機氣缸系統(tǒng)可列出下列微分方程：

(6)

缸內(nèi)內(nèi)能的變化

(7)

缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量的變化為

(8)

瞬時過量空氣系數(shù)的變化為

(9)

式中：G為瞬時物質(zhì)質(zhì)量；ακ為瞬時過量空氣系數(shù)；Hu為燃料低熱值；L0為每千克燃料完全燃燒理論空氣質(zhì)量，gf為計算時刻已噴入氣缸中的已燃燒燃油量。

根據(jù)初值條件，采用四階runge- kutta算法對公式積分求解。所需要賦予的初值以氣缸封閉狀態(tài)開始，也就是進氣門關(guān)閉時刻。

計算中需要注意幾個的問題:

2.2.1 初值問題

2.2.2X的變化處理

圖3 已燃燒燃油百分比和過量空氣系數(shù)處理前后對比

根據(jù)瞬時過量系數(shù)變化曲線可以看出，經(jīng)修正處理后的已燃燒燃油百分比曲線更加合理。

3 計算結(jié)果對比與分析

3.1 計算結(jié)果對比

為驗證兩種計算的準(zhǔn)確性，使用AVL Boost中BURN模塊，導(dǎo)入實測的示功圖，計算瞬時燃燒放熱率。

實測柴油機工況為1500 r/min-40 kW。所得到的3種計算燃燒放熱規(guī)律的結(jié)果對比如圖4、5。

圖4 1 500 r/min、40 kW瞬時放熱率對比

圖5 1 500 r/min、40 kW放熱量對比

根據(jù)所得結(jié)果提取燃燒始點、燃燒終點、燃燒持續(xù)角、最大放熱相位和最大放熱率對比見表5。

表5 1 500r/min、40 kW燃燒參數(shù)對比

實驗中還測取了1 500 r/min轉(zhuǎn)速、85 kW下的示功圖。根據(jù)實測示功圖計算所得結(jié)果見圖6、7，燃燒參數(shù)對比見表6。

圖6 1 500 r/min、85 kW放熱量對比

圖7 1 500 r/min、85 kW放熱量對比

3.2 計算結(jié)果分析

本機為增壓高速柴油機，由于增壓強化，氣缸的進氣壓力和溫度均很高，滯燃期短，使參加預(yù)混合燃燒的燃油量較少，從而預(yù)混合燃燒放熱量相應(yīng)減少，以致形成不了預(yù)混合燃燒放熱峰值，只留下這一階段燃燒放熱的痕跡。另外，擴散燃燒占循環(huán)供油量比例較大，所以形成的擴散燃燒放熱峰值特別高，形成單峰特高的放熱規(guī)律圖形，燃燒持續(xù)期也較短。計算所得到的放熱規(guī)律與本類型柴油機趨勢一致[4]。

表6 1 500 r/min、85 kW燃燒參數(shù)對比

根據(jù)圖像可以看出，在根據(jù)實測示功圖計算柴油機放熱規(guī)律時，積分法和差商法與AVLBOOST軟件計算結(jié)果誤差均不大。根據(jù)放熱量圖像來看，積分法與AVLBOOST軟件計算結(jié)果總放熱量更為接近。

4 實際測取示功圖等曲軸轉(zhuǎn)角化問題

4.1 使用飛輪脈沖信號代替編碼器觸發(fā)

曲軸轉(zhuǎn)角分度信號分辨率決定了示功圖的精度，一般情況下采用1(°)CA分辨率就可以保證示功圖不失真，能滿足熱工參數(shù)計算的要求。

實船環(huán)境中由于空間限制以及設(shè)備可靠性要求，自由端并未安裝光電編碼器，而在盤車齒輪處安裝傳感器則十分便捷。但是柴油機飛輪齒數(shù)一般在100～250之間，每一個齒對應(yīng)的精度一般在1.5～3.6(°)CA，難以達到要求。

在數(shù)據(jù)處理時，先尋找齒輪信號的上升沿所在的位置，標(biāo)定每一個齒輪角度的缸壓信號，根據(jù)上止點信號得到上止點位置。截取50個循環(huán)的數(shù)據(jù)平均和標(biāo)定后得到細(xì)分后的示功圖。再根據(jù)細(xì)分后的示功圖計算放熱規(guī)律。分別見圖8、9。

圖8 細(xì)分后示功圖對比

圖9 根據(jù)細(xì)分示功圖計算的放熱率對比

可以看出，兩種示功圖曲線基本重合，但是在壓縮和膨脹沖程中，存在相位偏移的問題。根據(jù)燃燒規(guī)律對比圖可以看出，燃燒始點基本一致，但是最高燃燒放熱率有所下降，且相位有所偏移。燃燒終點基本一致，穩(wěn)燃期放熱量相差較大。對脈沖細(xì)分過程進行分析，在進行插值過程中，由于每循環(huán)編碼器點數(shù)和每循環(huán)齒輪脈沖點數(shù)不是整數(shù)倍(272和1 440)，在插值的過程中出現(xiàn)了非整點數(shù)。非整點數(shù)無法取得對應(yīng)的缸壓信號。為解決此問題，需要對細(xì)分后的示功圖曲線進行相位修正。

4.2 對飛輪齒圈脈沖進行修正

由于在插值過程中存在取整誤差，故不能直接對細(xì)分后的示功圖進行放熱規(guī)律確定。需要對上止點相位進行修正。相關(guān)文獻表明，上止點位置輸入數(shù)據(jù)誤差值大于±1(°)CA時，瞬時放熱率就會出現(xiàn)大于±6.6%的誤差。本文使用多變指數(shù)法對上止點進行修正。

在柴油機壓縮過程中，當(dāng)工質(zhì)溫度等于缸壁溫度時，工質(zhì)和缸壁、氣缸蓋及活塞之間沒有熱量交換，出現(xiàn)瞬時絕熱過程。假設(shè)柴油機整個燃燒過程是由多個多變過程組成，每個小時間間隔是一個多變過程；雖然整個多變過程中n值是不變的，但是整個燃燒過程n值是連續(xù)變化的[5]。根據(jù)假設(shè)建立方程如下。

(11)

式中：p、V、dP、dV分別為缸內(nèi)壓力、容積、壓力變化率和容積變化率。假設(shè)認(rèn)為噴油時刻至上止點前，放熱率從負(fù)值變?yōu)檎档狞c為實際放熱始點。此時認(rèn)定為絕熱過程，k為絕熱指數(shù)，k=1.4，認(rèn)為此時n=1.4。以此假設(shè)作為上止點修正的依據(jù)。修正上止點流程圖和修正結(jié)果見圖10、11。

圖10 上止點修正流程

圖11 修正后多變指數(shù)變化對比

所得到的修正后示功圖、瞬時放熱率結(jié)果與編碼器觸發(fā)結(jié)果對比、修正前后誤差對比見圖12、13、14。

圖12 修正后示功圖對比

圖13 修正后放熱規(guī)律對比

圖14 修正前后等曲軸轉(zhuǎn)角氣缸壓力誤差

修正后燃燒參數(shù)對比如表7。

根據(jù)數(shù)據(jù)和圖像可以看出，修正后的放熱規(guī)律基本與編碼器觸發(fā)示功圖一致，可以對燃燒放熱規(guī)律進行定性及定量分析。

表7 修正前后燃燒參數(shù)對比

5 結(jié)論

1)對于燃燒過程循環(huán)充量的校準(zhǔn)可根據(jù)進氣歧管溫度傳感器和壓力傳感器計算所得。使用擬合方程修正結(jié)果，可得到較準(zhǔn)確的燃燒初值。

2)在計算柴油機燃燒規(guī)律時，采用積分法相較差分法能更準(zhǔn)確地表征柴油機燃燒過程。

3)艦艇環(huán)境下可使用齒輪信號來對曲軸轉(zhuǎn)角信號進行標(biāo)定。通過數(shù)值插值提高精度，且在插值后需要對上止點進行修正。

4)目前大型艦船柴油機主機均安裝有增壓空氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器或預(yù)留相應(yīng)塞閥和示功閥。上述工作可為下步艦船主機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研制做準(zhǔn)備。

[1] 歐陽光耀，常漢寶.內(nèi)燃機[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[2] 徐魯杰，聶志斌.某型柴油機示功圖通道效應(yīng)消除方法[J].船海工程，2013：74- 76，79.

[3] 常漢寶.船用大功率柴油機低負(fù)荷性能研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[4] 曹國豪.船舶柴油機示功圖測量系統(tǒng)研制[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[5] 常漢寶，王艷武，安士杰.應(yīng)用MATLAB對柴油機示功圖修正方法的研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2003，15(3)；27- 31.