大功率柴油機(jī)性能仿真與增壓系統(tǒng)優(yōu)化

霍柏琦，石磊，陳京瑞

(1.中國人民解放軍92537部隊(duì)，北京 100000；2.上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引言

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

目前，柴油機(jī)正朝著高功率密度、低油耗、低排放的方向發(fā)展,采用合適的增壓技術(shù)可提高柴油機(jī)功率并降低燃油消耗率[1-4]。相繼增壓是由2臺或2臺以上渦輪增壓器并聯(lián)組成的增壓系統(tǒng)，根據(jù)柴油機(jī)工況的變化，通過控制投入使用的增壓器數(shù)量來調(diào)整進(jìn)氣量,在改善經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢[5-6]。為了改善某大功率柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，將原增壓系統(tǒng)由2渦輪改裝為4渦輪,即增壓系統(tǒng)由雙列單個增壓器擴(kuò)展布置為雙列兩個增壓器，且每列均為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。通過試驗(yàn)測量改進(jìn)前后不同增壓系統(tǒng)柴油機(jī)的燃燒和性能參數(shù)，并通過GT-Power軟件建立模型，仿真計(jì)算比較兩者間的差異。

1 試驗(yàn)方案

柴油機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)兩部分，性能測量試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗(yàn)分別對2渦輪和4渦輪柴油機(jī)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測量，主要包括轉(zhuǎn)速、缸壓、進(jìn)排氣溫度、進(jìn)排氣壓力、功率、扭矩、有效燃油消耗率、中冷器前后溫度壓力、渦輪前后溫度壓力等[7]。試驗(yàn)以1500 r/min轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)測功機(jī)和供油量來維持轉(zhuǎn)速不變同時調(diào)節(jié)負(fù)荷的大小，選取6個工況點(diǎn)進(jìn)行測量，分別是：0、25%、50%、75%、90%和100%負(fù)荷[8]。

2 燃燒分析

分析缸內(nèi)燃燒過程，需要準(zhǔn)確地找到燃燒始點(diǎn)和燃燒持續(xù)期[9]。以發(fā)動機(jī)累積放熱量的5%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角作為燃燒始點(diǎn)，以累積放熱量的95%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角作為燃燒終點(diǎn),燃燒持續(xù)期是燃燒終點(diǎn)和燃燒始點(diǎn)的差值[10]。針對該柴油機(jī)燃燒過程設(shè)計(jì)計(jì)算程序。

首先將發(fā)動機(jī)基本參數(shù)輸入操作軟件，讀取試驗(yàn)測得的缸壓隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的示功圖數(shù)據(jù)、光順數(shù)據(jù)，根據(jù)缸壓反求放熱率，根據(jù)燃燒始點(diǎn)、燃燒終點(diǎn)計(jì)算燃燒過程。對2渦輪和4渦輪的柴油機(jī)分別在6個工況下測量得到了缸壓隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線，并利用缸壓反求放熱率得到各工況的放熱率曲線。

圖2為4渦輪增壓柴油機(jī)在0、50%、75%和100%負(fù)荷下缸壓反求放熱率與三韋伯函數(shù)擬合放熱率的比較曲線。從圖2中可以看出，兩者之間誤差很小，在誤差允許的范圍內(nèi)，將其應(yīng)用于仿真模型時仿真可信度較高。

a)0負(fù)荷 b)50%負(fù)荷

圖2 負(fù)荷不同時4渦輪增壓柴油機(jī)缸壓反求放熱率與函數(shù)擬合放效率的比較曲線

3 模型建立與校核

使用GT-Power軟件分別建立氣缸模塊、曲軸箱模塊、增壓器模塊等，將它們連接起來分別建立不同增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)的仿真整機(jī)模型，如圖3所示。

在進(jìn)行性能分析和優(yōu)化之前,先對仿真模型關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并對模型進(jìn)行校核。將已經(jīng)優(yōu)化的所有部件連接，組成整機(jī)模型并進(jìn)行仿真計(jì)算[11]。4渦輪增壓柴油機(jī)的最高燃燒壓力、進(jìn)氣壓力仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比如圖4、5所示。

從圖4、5中可以看出，仿真得到的最高燃燒壓力、進(jìn)氣壓力參數(shù)與試驗(yàn)值基本吻合，重合度較高。最高燃燒壓力、進(jìn)氣壓力參數(shù)、排氣壓力、進(jìn)氣溫度、排氣溫度、有效燃油消耗率各參數(shù)的相對誤差如表1所示，最大值均不超過4.36%,說明發(fā)動機(jī)模型相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和模型標(biāo)定比較合理，模型能真實(shí)的再現(xiàn)發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 4渦輪發(fā)動機(jī)整機(jī)性能仿真模型

圖4 相對最高燃燒壓力對比 圖5 相對進(jìn)氣壓力對比

%

4 性能對比

渦輪增壓系統(tǒng)的不同引起氣系統(tǒng)、燃燒情況及性能特征的差異[5]。圖6是不同增壓系統(tǒng)柴油機(jī)的增壓比在不同負(fù)荷下的變化規(guī)律。從圖6中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，增壓比逐漸增大，同一負(fù)荷下，2渦輪柴油機(jī)的增壓比略低。

圖7是不同增壓系統(tǒng)柴油機(jī)的空燃比在不同負(fù)荷下的變化規(guī)律。從圖7中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，空燃比逐漸減小，同一負(fù)荷下，2渦輪柴油機(jī)的空燃比較低，且在低負(fù)荷時差別更大。

圖6 不同增壓系統(tǒng)柴油機(jī)的增壓比在不同負(fù)荷下的變化 圖7 不同增壓系統(tǒng)柴油機(jī)的空燃比在不同負(fù)荷下的變化

圖8 不同增壓系統(tǒng)柴油機(jī)的燃燒持續(xù)期在不同負(fù)荷下的變化

圖8為不同增壓系統(tǒng)柴油機(jī)燃燒持續(xù)期(以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì))在不同負(fù)荷下的變化規(guī)律。從圖8中可以看出，隨著負(fù)荷的增加，燃燒持續(xù)期增長，同一負(fù)荷下,2渦輪柴油機(jī)燃燒持續(xù)期較短，且在低負(fù)荷下更短。這主要是因?yàn)楣β试酱螅瑖娪土吭蕉?，燃燒所需時間就會越長。相同負(fù)荷下，4渦輪柴油機(jī)增壓壓力大，壓縮段缸內(nèi)溫度較高，滯燃期短，同時，油氣混合更好，燃燒更均勻，產(chǎn)生相同的有用功所需時間更短；2渦輪柴油機(jī)油氣混合不好，燃燒粗暴，燃燒持續(xù)期略短，低負(fù)荷工況時更加嚴(yán)重。這同樣可以從放熱率規(guī)律中得到，相同功率下，2渦輪柴油機(jī)的最大瞬時放熱率反而更高。

圖9、10分別是不同增壓系統(tǒng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min時在不同負(fù)荷下指示效率和相對有效燃油消耗率(以2渦輪1500 r/min，100%負(fù)荷時的有效燃油消耗率為基準(zhǔn)，取為0)的變化規(guī)律。

圖9 不同增壓系統(tǒng)柴油機(jī)指示效率在不同負(fù)荷下的變化 圖10 不同增壓系統(tǒng)發(fā)動機(jī)相對有效燃油消耗率在不同負(fù)荷下變化

從圖9、10中可以看出，隨負(fù)荷增加，指示效率逐漸升高，有效燃油消耗率逐漸降低。且在全負(fù)荷內(nèi)，相同負(fù)荷下4渦輪柴油機(jī)的有效燃油消耗率均比2渦輪柴油機(jī)的低，指示效率也均比2渦輪柴油機(jī)要好。其中100%負(fù)荷時，有效燃油消耗率降低4.96 g/(kW·h)。這是因?yàn)樵谌?fù)荷內(nèi)，相同負(fù)荷下的4渦輪柴油機(jī)增壓壓力較高，進(jìn)氣量多，油氣混合更充分，燃燒更好，所以指示效率高、有效燃油消耗率低。

5 結(jié)論

1)試驗(yàn)測得不同增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)在1500 r/min時不同負(fù)荷下的缸壓隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，由此反求瞬時放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。根據(jù)韋伯燃燒模型，擬合放熱率曲線。

2)利用GT-Power仿真模型建立兩種增壓系統(tǒng)的仿真模型，并利用試驗(yàn)值校核仿真模型，缸壓、最高燃燒溫度、進(jìn)排氣溫度、進(jìn)排氣壓力、有效燃油消耗率等參數(shù)的試驗(yàn)測量值和模擬仿真計(jì)算值的誤差在5%以內(nèi)，仿真結(jié)果可信度高。

3)通過比較2渦輪柴油機(jī)與4渦輪柴油機(jī)的氣系統(tǒng)、燃燒參數(shù)和性能參數(shù)，得到1500 r/min時相同負(fù)荷下4渦輪柴油機(jī)增壓比大，氣系統(tǒng)得到改善，燃燒更好，燃油經(jīng)濟(jì)性提高，100%負(fù)荷時有效燃油消耗率降低4.96 g/(kW·h)。