柴油機可調兩級渦輪增壓系統(tǒng)一維仿真建模及驗證

彭海勇,武濤,張海波,張寶川,沈笠

1.上海工程技術大學 機械與汽車工程學院,上海 201620;2.上海交通大學 動力機械與工程教育部重點實驗室,上海 200240

0 引言

全球能源和環(huán)境問題日益嚴峻,對柴油機技術的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn),柴油機強化程度越來越高,提高柴油機增壓壓比、進一步增大循環(huán)進氣量是提高柴油機功率密度、降低排放的有效措施[1]。傳統(tǒng)的單增壓器增壓系統(tǒng)很難滿足現(xiàn)代柴油機對高增壓的需求,很難兼顧復雜多變的柴油機工況。為解決單增壓器系統(tǒng)存在的問題,研究人員提出了相繼增壓系統(tǒng)和可調兩級增壓系統(tǒng)。自20世紀60年代末開始,研究人員針對兩級渦輪增壓系統(tǒng)在大功率柴油機上的應用開展了大量的研究[2-6],經(jīng)過幾十年的發(fā)展,可調兩級增壓系統(tǒng)已經(jīng)進入了產(chǎn)品化階段[7-9]。此外,研究人員還將可調兩級增壓系統(tǒng)與米勒循環(huán)、廢氣再循環(huán)、可變截面渦輪增壓(variable geometry turbocharger,VGT)等技術結合,對兩級增壓系統(tǒng)的應用進行更深入的研究[10-15]。

可調兩級增壓系統(tǒng)能夠實現(xiàn)較高的增壓壓力,提高柴油機廢氣利用率,改善柴油機在低工況時的性能,提高發(fā)動機瞬態(tài)工況時的動態(tài)響應特性。由于旁通閥能夠實現(xiàn)對增壓系統(tǒng)的連續(xù)調節(jié),可調兩級增壓系統(tǒng)能夠有效改善柴油機在工況變化時功率輸出變化的平順性[16-17]。柴油機工況復雜多變,動態(tài)工況下旁通閥控制策略的優(yōu)化設計是關鍵,采用仿真計算的方法是研究可調兩級增壓系統(tǒng)的動態(tài)控制策略的有效手段之一[18]。仿真計算可以大大降低柴油機動態(tài)工況試驗的成本和難度,計算結果可以為發(fā)動機瞬態(tài)工況控制策略的臺架試驗提供重要的參考價值。

本文中針對某WP7柴油機,采用GT-Power軟件建立可調兩級增壓系統(tǒng)的仿真模型,根據(jù)試驗結果對該模型進行驗證,為可調兩級增壓系統(tǒng)柴油機瞬態(tài)工況控制策略研究提供指導。

1 研究對象及系統(tǒng)組成

某WP7柴油機基本參數(shù)如表1所示,采用的可調兩級增壓系統(tǒng)管路連接示意如圖1所示。

表1 WP7柴油機基本參數(shù)

圖1 可調兩級增壓系統(tǒng)管路連接示意圖

可調兩級增壓系統(tǒng)由高壓級和低壓級2個渦輪增壓器串聯(lián)組成;高壓級和低壓級增壓器之間接入1個壓間中冷器,用來對低壓級增壓器增壓后的進氣進行冷卻;高壓級增壓器后接入1個高壓級中冷器,用來對經(jīng)兩級增壓后的進氣進行冷卻,提高發(fā)動機的進氣量;在高壓級渦輪旁安裝1個旁通閥對增壓系統(tǒng)進行調節(jié)。

2 穩(wěn)態(tài)仿真模型建立及試驗驗證

2.1 仿真模型的建立

采用GT-Power軟件建立的可調兩級渦輪增壓系統(tǒng)柴油機一維仿真模型如圖2所示。由圖2可知:整個系統(tǒng)模型由可調兩級增壓系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、曲軸箱及氣缸等模塊構成,其中,氣缸模塊是整個模型的關鍵,其參數(shù)設置是影響仿真計算結果準確性的關鍵因素之一。缸內(nèi)燃燒采用韋伯燃燒模型,韋伯模型公式相對簡單,需設置的參數(shù)較少,在模擬發(fā)動機缸內(nèi)實際放熱過程時計算精度較高,計算速度和收斂速度較快,在發(fā)動機仿真計算和優(yōu)化設計中得到廣泛應用。韋伯模型需設置的參數(shù)主要包括著火延遲角、預混燃燒比例、后燃比例、預混燃燒持續(xù)期、主燃持續(xù)期和后燃持續(xù)期等。

圖2 可調兩級增壓系統(tǒng)柴油機一維仿真模型

發(fā)動機標定工況下燃燒模型主要參數(shù)設置如表2所示。

表2 標定工況下韋伯燃燒模型設置參數(shù)

2.2 穩(wěn)態(tài)模型的試驗驗證

在對仿真模型進行驗證時,選擇外特性工況和推進特性工況下的發(fā)動機油耗率、進氣壓力及渦輪前排氣溫度3個參數(shù)進行對比驗證。

本次仿真中選取的發(fā)動機外特性工況點示意如圖3所示。外特性工況下發(fā)動機油耗率、進氣壓力、渦前排溫的穩(wěn)態(tài)計算和試驗結果對比如圖4所示,各參數(shù)試驗和計算結果的相對誤差如圖5所示。

圖3 原機外特性工況點

由圖4可知:在外特性工況下,穩(wěn)態(tài)仿真計算和試驗結果差別不大,而且隨轉速增大的變化趨勢非常一致。由圖5可知:油耗率的仿真計算和試驗結果最大相對誤差為2.95%,進氣壓力的最大相對誤差為4.96%,渦前排氣溫度的最大相對誤差為4.89%。

圖4 外特性工況發(fā)動機油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)仿真計算與試驗結果對比

圖5 外特性工況發(fā)動機油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)計算與試驗結果相對誤差

為進一步確認模型的可靠性,對部分推進特性工況下發(fā)動機的油耗率、進氣壓力和渦前溫度進行對比驗證分析。選取推進特性的全負荷工況為1 500 r/min時的外特性工況,其他工況點則根據(jù)發(fā)動機的推進特性計算得到。選取的推進特性工況點如圖6所示。

圖6 模型驗證計算工況點

推進特性工況下,發(fā)動機油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)仿真與試驗結果的對比如圖7所示,相對誤差如圖8所示。由圖7、8可知:在推進特性工況下,油耗率、進氣壓力和渦前溫度的計算和試驗結果在數(shù)值上非常接近;油耗率的仿真和試驗計算結果相對誤差最大為2.86%,進氣壓力的最大相對誤差為4.01%,渦前排氣溫度的最大相對誤差為4.86%。

圖7 推進特性工況發(fā)動機的油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)仿真與試驗結果對比

圖8 推進特性工況發(fā)動機的油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)仿真與試驗結果相對誤差

根據(jù)以上分析,外特性和推進特性工況下,發(fā)動機的油耗率、進氣壓力和渦前溫度的穩(wěn)態(tài)試驗和計算結果在數(shù)值和變化趨勢上均非常接近,最大相對誤差均小于5%。因此,所建立的一維仿真模型與實際系統(tǒng)相符,仿真結果具有較高的精度和可靠性,該模型可應用于可調兩級增壓系統(tǒng)柴油機穩(wěn)態(tài)性能的仿真研究。

3 瞬態(tài)仿真模型建立及試驗驗證

3.1 瞬態(tài)仿真模型建立

穩(wěn)態(tài)仿真時,仿真模型的轉速、燃燒模型參數(shù)、供油參數(shù)等相關參數(shù)均維持恒定不變;發(fā)動機在瞬態(tài)工況下,轉速、噴油參數(shù)及燃燒模型參數(shù)等隨循環(huán)變化而發(fā)生改變,進行瞬態(tài)工況仿真計算時,仿真模型應根據(jù)發(fā)動機實際工況的變化對相關參數(shù)進行動態(tài)調整,實現(xiàn)對發(fā)動機實際瞬態(tài)工況過程的模擬。進行發(fā)動機一維仿真計算時,缸內(nèi)燃燒模型是決定仿真精度和可靠性的關鍵因素。在瞬態(tài)工況下,由于工況變化,噴油參數(shù)、轉速等邊界條件發(fā)生改變,實際的缸內(nèi)燃燒過程必然會發(fā)生變化。這種工況變化導致發(fā)動機出現(xiàn)非穩(wěn)定的過渡過程在增壓柴油機上的表現(xiàn)得更加突出。這主要是由于工況突變時,增壓器存在一定的響應滯后造成的。因此,在瞬態(tài)工況仿真計算時,若缸內(nèi)燃燒模型的相關參數(shù)采用恒定值,仿真計算無法真實模擬發(fā)動機瞬態(tài)過程,無法得到正確結果。

進行瞬態(tài)工況仿真計算時,在穩(wěn)態(tài)試驗結果的基礎上,基于轉速和噴油量的變化對各穩(wěn)態(tài)工況下的韋伯燃燒模型的相關參數(shù)進行標定,得到燃燒模型各參數(shù)隨噴油量和轉速變化的map圖;然后根據(jù)瞬態(tài)仿真計算過程中每個計算循環(huán)得到的轉速和噴油量結果查燃燒模型各參數(shù)的map圖,得到對應循環(huán)的燃燒模型韋伯參數(shù),并對燃燒模型進行實時循環(huán)更新,模擬瞬態(tài)工況下發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程的循環(huán)變化。除對燃燒模型參數(shù)做出調整外,進行瞬態(tài)工況仿真時,應對模型的相關參數(shù)進行調整。利用GT-Power軟件進行發(fā)動機一維仿真計算時,穩(wěn)態(tài)工況下的轉速為恒定值,進行穩(wěn)態(tài)計算時,計算模式通常設為轉速模式;瞬態(tài)工況下,轉速通常由計算得到的發(fā)動機輸出功率和測功機測量得到的負荷、轉矩共同確定,在瞬態(tài)工況模擬時,計算模式通常采用轉矩模式。

瞬態(tài)仿真計算中設置模型相關參數(shù)時,計算步長應采用基于時間的方式。模型輸入的一些實時動態(tài)參數(shù),如瞬態(tài)工況下實時測量得到的發(fā)動機轉矩和噴油量等,也是基于時間采樣得到的實際測量結果。此外,在模擬計算發(fā)動機加速等瞬態(tài)工況時,首先使各循環(huán)參數(shù)在初始工況下達到穩(wěn)定,然后調整發(fā)動機轉矩、循環(huán)噴油量等參數(shù)模擬相應瞬態(tài)工況的實際變化。因此,在進行瞬態(tài)工況仿真計算時,應關閉仿真軟件中以收斂條件作為計算自動結束的默認設置。在計算結果輸出設置中,應選擇保存各計算結果基于時間的實時變化值。

3.2 瞬態(tài)仿真模型的試驗驗證

在推進工況條件下,主要對瞬態(tài)過程的進氣壓力、轉矩及轉速的計算結果進行對比分析。本研究中試驗臺架為電渦流測功機臺架,試驗結果較難準確反映柴油機推進特性的螺旋槳工況。為了驗證柴油機在推進特性下的瞬態(tài)燃燒模型和渦輪增壓器模型的可靠性,將試驗得到的轉速和循環(huán)噴油量導入到一維仿真模型中,在轉速計算模式下,得到瞬態(tài)工況下轉矩和進氣壓力。瞬態(tài)工況下發(fā)動機轉矩、進氣壓力的仿真與試驗結果對比如圖9所示。

a)轉矩 b)進氣壓力

為了更真實地模擬實際工況,將試驗測量的瞬態(tài)工況下發(fā)動機的輸出轉矩代入一維仿真模型的轉矩模塊,對柴油機在瞬態(tài)過程中的轉速變化進行計算,并與試驗測量結果進行對比,如圖10所示。由圖10可知:發(fā)動機瞬態(tài)工況下的轉速計算與試驗結果非常接近;工況過渡區(qū)間,轉速波動變化趨勢非常接近;這說明瞬態(tài)工況下的轉速計算結果具有一定的準確度。

圖10 動態(tài)工況下轉速仿真與試驗結果對比

由以上分析可見,在整個瞬態(tài)工況過程中,仿真計算和試驗得到的轉矩、轉速及增壓壓力結果及其變化趨勢均有非常好的一致性,利用該模型進行瞬態(tài)工況下可調兩級增壓系統(tǒng)的控制策略仿真研究有很好的指導意義。

4 結論

基于WP7柴油機,運用GT-Power軟件建立了安裝有可調兩級增壓系統(tǒng)的柴油機仿真計算模型,并對模型計算結果進行了驗證。

1)穩(wěn)態(tài)工況下,可調兩級增壓系統(tǒng)仿真模型計算與試驗結果對比表明,仿真和試驗結果有較好的一致性,油耗率相對誤差為2.95%,進氣壓力相對誤差為4.96%,渦前溫度相對誤差為4.89%,可以利用該模型進行可調兩級增壓系統(tǒng)柴油機穩(wěn)態(tài)性能的仿真研究。

2)瞬態(tài)工況下,可調兩級增壓系統(tǒng)仿真模型計算與試驗結果有較好的一致性,計算轉矩、轉速和增壓壓力與試驗的結果相差較小;在整個瞬態(tài)工況過程中,試驗和計算得到的轉矩、轉速及增壓壓力結果變化趨勢的一致性非常好,利用該模型進行瞬態(tài)工況下可調兩級增壓系統(tǒng)的控制策略仿真研究有很好的指導意義。

3)瞬態(tài)工況仿真計算過程中,根據(jù)瞬時循環(huán)轉速和噴油量結果,對由穩(wěn)態(tài)工況的燃燒模型標定得到的韋伯模型參數(shù)map進行查表,得到瞬時燃燒模型參數(shù),實現(xiàn)燃燒模型的動態(tài)改變;瞬態(tài)燃燒模型可以較好地模擬瞬態(tài)工況下的缸內(nèi)燃燒變化過程。