8190柴油機(jī)排氣管仿真及優(yōu)化研究

(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院　陜西　西安　710061)

前言

渦輪增壓技術(shù)的核心是渦輪增壓系統(tǒng)，渦輪增壓的原理是依靠燃燒產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過(guò)排氣管系統(tǒng)之后在渦輪中進(jìn)行再次膨脹做功，廢氣中的能量轉(zhuǎn)化為渦輪機(jī)中渦輪的機(jī)械能，從而帶動(dòng)壓氣機(jī)做功；渦輪增壓器對(duì)能量的利用又很大程度上受排氣管結(jié)構(gòu)的制約。本文依此設(shè)計(jì)并仿真了采用機(jī)電聯(lián)合控制的8190柴油機(jī)排氣管系，并對(duì)比新設(shè)計(jì)的排氣管與MIXPC排氣管之間的性能差異。

一、仿真條件

原機(jī)排氣管結(jié)構(gòu)

原機(jī)MIXPC排氣管結(jié)構(gòu)：8缸發(fā)動(dòng)機(jī)第2缸和第3缸的廢氣從缸蓋的排氣道出口排出后經(jīng)歷排氣支管，之后第2,3缸的排氣支管固結(jié)后接入混合管，再與第1缸的排氣支管固結(jié)，左側(cè)的(1+(2,3))再與第4缸排氣支管共用一側(cè)排氣總管，另一側(cè)排氣管結(jié)構(gòu)同左側(cè)對(duì)稱布置。之后中置的排氣總管接入渦輪增壓器的渦輪進(jìn)口一側(cè)。排氣支管廢氣入口管徑為80mm，之后逐漸擴(kuò)張至84mm,廢氣緊接著流入到混合管，混合管管徑118mm[2]。

二、針對(duì)原機(jī)建立的模型

使用GT-POWER軟件建立的原機(jī)中置MIXPC模型，其所有參數(shù)都按照實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)嚴(yán)格設(shè)置，所用的燃燒模型是零維韋伯燃燒模型，是一種“黑箱”模型，精確度有所欠缺，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整其中參數(shù)，與之對(duì)應(yīng)的著火延遲期和噴油提前角都按照經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)后選定。在進(jìn)行新機(jī)排氣管系仿真之前，先校核好原機(jī)MIXPC排氣管系的模型，保證所有仿真所得數(shù)據(jù)與原機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差小于3%。

三、新機(jī)建模

(一)機(jī)電聯(lián)合排氣管控制策略說(shuō)明

機(jī)電聯(lián)合排氣管控制結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　新機(jī)排氣管模型示意圖

(二)GT-POWER新建立的排氣管結(jié)構(gòu)

用GT-POWER建立優(yōu)化后的排氣管結(jié)構(gòu)，仿真過(guò)程中保證發(fā)動(dòng)機(jī)主體參數(shù)不能變化，并且保證總的渦輪通流面積不能變化，而其中的管徑和管間夾角經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)之后以性能最佳為目的取最優(yōu)值。

四、結(jié)果與分析

(一)發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比

采用兩種排氣管系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比如圖2所示。低轉(zhuǎn)速工況時(shí)，采用優(yōu)化后排氣管系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能有所提高。其主要原因有兩個(gè)方面：一是兩個(gè)脈沖轉(zhuǎn)換器增壓系統(tǒng)近似獨(dú)立工作，能夠有效抑制掃氣干擾，降低殘余廢氣系數(shù)，保證燃料燃燒環(huán)境，提高指示熱效率；二是兩個(gè)渦輪增壓系統(tǒng)為脈沖轉(zhuǎn)換器增壓系統(tǒng)，當(dāng)量通流面積較小，并且采用轉(zhuǎn)換器，可以充分利用低速時(shí)的脈沖能量，能夠提高低速工況的增壓壓力，兩方面原因共同作用下提高發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速功率。高轉(zhuǎn)速工況時(shí)，采用優(yōu)化后的排氣管系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能與原機(jī)MIXPC排氣管系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能基本持平。其主要原因是：高轉(zhuǎn)速時(shí)形成高增壓，高增壓時(shí)如果單獨(dú)使用脈沖轉(zhuǎn)換器增壓系統(tǒng)會(huì)增加廢氣能量的損耗，這會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，然而通過(guò)開啟切換閥門使三個(gè)增壓系統(tǒng)同時(shí)工作，增加了當(dāng)量渦輪通流面積，提高了穩(wěn)壓能力，減少了脈沖轉(zhuǎn)換器增壓系統(tǒng)存在的壓力波的反射，充分發(fā)揮了高增壓時(shí)MIXPC系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，從而維持了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

圖2　新機(jī)和原機(jī)功率對(duì)比

(二)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

采用機(jī)電聯(lián)合的排氣管系統(tǒng)與中置MIXPC排氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如圖所示。低轉(zhuǎn)速工況時(shí)，采用機(jī)電聯(lián)合的排氣管系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能有所提高。其主要原因有兩個(gè)方面：一是兩個(gè)脈沖轉(zhuǎn)換器增壓系統(tǒng)近似獨(dú)立工作，能夠有效抑制掃氣干擾，降低殘余廢氣系數(shù)，提高進(jìn)氣效率，保證良好的空燃比，并且改善燃料燃燒環(huán)境；二是低速工況的增壓壓力提高，進(jìn)入氣缸內(nèi)空氣的密度增加，氣流速度增加，氣流運(yùn)動(dòng)增加，使噴入汽缸的燃油霧化更加充分，燃燒效率提高。高轉(zhuǎn)速工況時(shí)，采用機(jī)電聯(lián)合的排氣管系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能與原機(jī)MIXPC排氣管系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性相比有所提高。其主要原因是：高轉(zhuǎn)速時(shí)形成高增壓，過(guò)量空氣系數(shù)增大，空氣利用程度改善，燃燒效率提高，燃油經(jīng)濟(jì)性變好。

圖3　新機(jī)和原機(jī)油耗率對(duì)比

五、結(jié)論

通過(guò)對(duì)比原機(jī)MIXPC增壓系統(tǒng)和排氣管系優(yōu)化后增壓系統(tǒng)，結(jié)果分析可得：

低轉(zhuǎn)速時(shí)，新機(jī)增壓系統(tǒng)能夠降低掃氣干擾，有效提高增壓壓力，充分利用廢氣能量。還可降低排溫和油耗，獲得較好的負(fù)荷性能。

高轉(zhuǎn)速時(shí)，有效渦輪通流面積增大，降低油耗，并能夠有效控制增壓壓力，不出現(xiàn)增壓壓力過(guò)高的現(xiàn)象，緩解高增壓時(shí)單獨(dú)使用脈沖轉(zhuǎn)換器增壓的弊端。

優(yōu)化后排氣管系可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并且還兼顧低轉(zhuǎn)速工況時(shí)掃氣干擾嚴(yán)重的問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]卓斌，顧閎中.渦輪增壓柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的最優(yōu)化-卓斌.船舶工程,1988,8(4)

[2]顧閎中.MIXPC渦輪增壓系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì).上海：上海交通大學(xué)出版社，2006

[3][4]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.11

[5]N N.GT-Power-User’s Manual and Tutorial,GT-Suite TM Version V7.3

[6]杜廣生.工程流體力學(xué).北京：中國(guó)電力出版社，2014.8

[7]董敬 莊志 常思勤.汽車拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī).機(jī)械工業(yè)出版社，2000