兩棲車輛發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)研究

康 忠， 張睿妍， 張孟杰， 孫卓然， 趙振峰

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)是保障發(fā)動機(jī)正常運(yùn)動的輔助裝置，包含冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、空氣濾清器、中冷器等多個組成部分[1-2].輔助系統(tǒng)性能會對發(fā)動機(jī)性能造成一定的影響，空氣濾清器及中冷器會影響新鮮空氣流動的阻力；中冷器冷卻能力的變化會影響增壓后的空氣溫度，從而改變發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)[3]；排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的流動阻力、環(huán)境壓力的增加會阻礙發(fā)動機(jī)廢氣的排出；不同的環(huán)境溫度會改變發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)，對燃料在缸內(nèi)的燃燒過程造成影響.

為探索輔助系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)動力性能的影響規(guī)律，文中對一臺應(yīng)用于水陸兩棲工況下的柴油機(jī)的輔助系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究，為提高該發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)的工作效率提供數(shù)據(jù)支撐及理論依據(jù).

1 發(fā)動機(jī)仿真模型建立與校核

1.1 仿真模型建立

文中研究的兩棲車輛動力系統(tǒng)采用某型8缸水冷柴油機(jī)，主要參數(shù)如表1所示.

表1 技術(shù)指標(biāo)

該柴油發(fā)動機(jī)的增壓系統(tǒng)采用單級渦輪增壓中冷帶放氣調(diào)節(jié)閥機(jī)構(gòu).

根據(jù)柴油機(jī)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及GT-POWER軟件建模要求，將發(fā)動機(jī)離散為氣缸模型、增壓系統(tǒng)模型、噴油系統(tǒng)模型、中冷器模型、進(jìn)排氣系統(tǒng)模型5個部分.

1.1.1 氣缸模型建立

氣缸模型在“EngineCrankTrain”模塊中設(shè)置缸徑、沖程、連桿長度、活塞銷偏移量、發(fā)火順序等結(jié)構(gòu)參數(shù).在“EngCylinder”氣缸模塊中設(shè)置燃燒模型、傳熱模型和缸內(nèi)壁面溫度.

韋伯模型是描述內(nèi)燃機(jī)燃燒速度的半經(jīng)驗公式，通過燃燒始點(diǎn)、燃燒終點(diǎn)和燃燒品質(zhì)韋伯指數(shù)等參數(shù)可確定燃燒放熱過程.文中采用了模擬柴油機(jī)燃燒放熱規(guī)律最常見的三元韋伯模型.該模型把發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程分為預(yù)混期、主燃期、后燃期3個階段，因此，完整的燃燒放熱率曲線由3條韋伯函數(shù)曲線疊加而成，需要分別定義3條放熱率曲線的燃料分?jǐn)?shù)、持續(xù)角和品質(zhì)系數(shù)，可表示為

(1)

式中：X1、X2、X3分別表示預(yù)混期、主燃期和后燃期的燃料分?jǐn)?shù).模型中每一部分燃燒起始時刻相同，而且各個都有獨(dú)立的燃燒持續(xù)期和燃燒韋伯指數(shù).主燃持續(xù)期和主燃期燃料分?jǐn)?shù)對放熱規(guī)律的影響較大，其次是預(yù)混合燃料分?jǐn)?shù)和預(yù)混合持續(xù)期.

GT-POWER軟件中EngHeatRel模塊支持缸壓曲線的直接輸入.根據(jù)試驗數(shù)據(jù)輸入缸壓曲線，可直接計算得到放熱率曲線.同時，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合出三元韋伯模型的放熱率曲線，進(jìn)而反求預(yù)混期、主燃期和后燃期對應(yīng)的燃料比例、燃燒持續(xù)期和品質(zhì)系數(shù)，為燃燒模型參數(shù)的敏感度分析提供理論依據(jù).圖1為三元韋伯燃燒放熱率與試驗數(shù)據(jù)的擬合曲線對比.

圖1 放熱率擬合曲線

傳熱模型采用WoschniGT模型.活塞頂?shù)纳崦娣e按氣缸橫截面積的1.2～1.5倍計算，氣缸蓋的表面積近似為氣缸的橫截面積，即Head/Bore Area Ratio=1.2～1.5；Piston/Bore Area Ratio=1.

設(shè)置缸內(nèi)壁面溫度，活塞頂表面的溫度為550～600 K，氣缸蓋表面的溫度為550～600 K，氣缸套表面的溫度為400～450 K.

1.1.2 增壓器模型建立

增壓系統(tǒng)包括壓氣機(jī)模型和渦輪模型.根據(jù)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)MAP圖輸入壓氣機(jī)模型所需數(shù)據(jù).渦輪特性MAP選用簡單渦輪模型.通過調(diào)整渦輪噴嘴環(huán)直徑和絕熱效率(渦輪絕熱效率在60%左右)，對模型進(jìn)行調(diào)試及校核，使增壓器轉(zhuǎn)速、增壓器壓比和渦輪后溫度與試驗數(shù)據(jù)保持一致.

1.1.3 其它部分模型建立及校核

使用InjProfileConn噴油器模型建立噴油系統(tǒng)模型，根據(jù)實際情況和實驗數(shù)據(jù)輸入油嘴孔數(shù)、直徑、噴油規(guī)律、噴油量等參數(shù)，其中，噴油規(guī)律可由燃油系統(tǒng)內(nèi)部軟件計算或?qū)嶒灥玫?

建立中冷器模型，柴油機(jī)使用的中冷器多為水-空中冷器，其主要組成部件是冷卻芯[4].壓氣機(jī)壓縮后空氣經(jīng)過中冷器腔(熱側(cè))與冷卻芯(冷側(cè))發(fā)生強(qiáng)迫對流換熱.冷卻芯中的冷卻液受熱后進(jìn)入散熱器，通過風(fēng)扇散熱，再次進(jìn)入冷卻芯.在GT-POWER中將中冷器簡化為直徑相同的管簇，主要參數(shù)有：管道直徑、數(shù)目、摩擦系數(shù)(與管道材料和表面粗糙度有關(guān))、傳熱系數(shù)等.

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對中冷器模型進(jìn)行標(biāo)定，通過調(diào)整模型的摩擦系數(shù)、壁溫和傳熱系數(shù)，使中冷器的壓降和出口溫度與實驗數(shù)據(jù)保持一致.

進(jìn)排氣系統(tǒng)包括進(jìn)氣總管、進(jìn)氣歧管、排氣總管和排氣歧管等模塊[5].根據(jù)進(jìn)排氣系統(tǒng)圖紙，確定軟件所需柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù).

為了更清晰地反映排氣總管和排氣歧管內(nèi)的壓力波動情況，分析相鄰發(fā)火氣缸和相鄰排氣歧管之間的排氣干涉現(xiàn)象，在模型建立過程中，選擇相對較小的管道離散長度.根據(jù)建模規(guī)范和柴油機(jī)的實際結(jié)構(gòu)，排氣系統(tǒng)模型的離散長度設(shè)置為柴油機(jī)缸徑的1/10左右，并保證排氣系統(tǒng)各管道處的離散長度為管道實際尺寸的整數(shù)倍.進(jìn)氣系統(tǒng)的離散長度對壓力波影響不大，為提高軟件的運(yùn)算速度，模型中進(jìn)氣管道離散長度為軟件推薦值，即柴油機(jī)缸徑的0.4倍.

1.2 整機(jī)模型校核

根據(jù)發(fā)動機(jī)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整機(jī)模型的標(biāo)定，包括管道阻力校核、增壓器模型校核、缸內(nèi)燃燒模型校核等，保證整機(jī)模型計算輔助系統(tǒng)對于發(fā)動機(jī)性能影響研究的精度.

1.2.1 管道阻力校核

管道阻力校核采用計算標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的空氣流量與實驗測試值對比進(jìn)行校驗.校驗結(jié)果誤差控制在3%以內(nèi).

1.2.2 整機(jī)仿真模型校核

在完成發(fā)動機(jī)外圍關(guān)鍵部件校核的基礎(chǔ)上，開展燃燒模型、增壓系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)整機(jī)性能的校核.結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，調(diào)整燃燒持續(xù)角、燃料分?jǐn)?shù)、韋伯指數(shù)等燃燒模型參數(shù)和渦輪噴嘴直徑、廢氣閥開度、渦輪增壓壓比等渦輪參數(shù).

發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)各項指標(biāo)校核如圖2所示，包括：進(jìn)氣流量、中冷前溫度、中冷后壓力、渦前溫度.可以看出，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果吻合較好，可以認(rèn)為仿真模型中壓氣機(jī)的工作狀態(tài)與實驗一致.

圖2 進(jìn)排氣參數(shù)對比

發(fā)動機(jī)外特性工況下整機(jī)性能指標(biāo)校核如圖3所示，包括：功率、扭矩和比油耗，仿真與試驗結(jié)果吻合較好，誤差在5%以內(nèi)，模型能夠準(zhǔn)確反映發(fā)動機(jī)的工作狀況.

圖3 外特性功率和油耗仿真值和試驗值對比

2 輔助系統(tǒng)影響規(guī)律仿真研究

2.1 空氣濾清器阻力

設(shè)置空氣濾清兩側(cè)壓差在2～8 kPa范圍內(nèi)，步長1 kPa，空氣濾清器阻力對發(fā)動機(jī)輸出功率影響規(guī)律如圖4所示.從圖4(a)中可以看出：發(fā)動機(jī)輸出功率隨空氣濾清器阻力增大而降低，在3 000 r/min時，功率衰減約15.44 kW，功率衰減率約為4.6%.從圖4(b)中可以看出：隨空濾阻力增大，發(fā)動機(jī)功率衰減率增大，其中1 800 r/min工況對于濾清器阻力變化最敏感，最大功率衰減率發(fā)生于此轉(zhuǎn)速下，約為30.0%.

圖4 空濾阻力對發(fā)動機(jī)功率影響

2.2 中冷后溫度

設(shè)置中冷后溫度在40～80 ℃范圍內(nèi)，步長10 ℃，中冷后溫度對發(fā)動機(jī)輸出功率影響規(guī)律如圖5(a)所示，從圖可以看出：發(fā)動機(jī)輸出功率隨中冷后溫度升高而降低，在3 000 r/min下，功率衰減約49.78 kW，功率衰減率約為13.9%.從圖5(b)中可以看出：隨中冷后溫度升高，發(fā)動機(jī)功率衰減率增大，1 800 r/min工況對于環(huán)境溫度變化最敏感，最大功率衰減率約為21.0%；2 000 r/min和2 800 r/min工況對環(huán)境溫度變化不敏感.

圖5 中冷后溫度對發(fā)動機(jī)功率影響

2.3 中冷器阻力

設(shè)置中冷器兩側(cè)壓差在1～5 kPa范圍內(nèi)，計算步長設(shè)為1 kPa.中冷后溫度對發(fā)動機(jī)輸出功率影響規(guī)律如圖6所示.由圖可知，發(fā)動機(jī)輸出功率隨中冷器阻力增大而減小.中冷器阻力為5 kPa時功率衰減最大，最大功率衰減率約為6.2%，在1 200 r/min下，低轉(zhuǎn)速工況對于中冷器阻力的敏感性高于高轉(zhuǎn)速工況.

圖6 中冷器阻力對發(fā)動機(jī)功率衰減的影響對比

2.4 排氣背壓

設(shè)置排氣背壓在5～10 kPa范圍內(nèi)，步長1 kPa.排氣背壓對發(fā)動機(jī)輸出功率影響規(guī)律如圖7所示.由圖7(a)可看出：發(fā)動機(jī)輸出功率隨排氣背壓升高而降低，其中在2 000 r/min以上的高轉(zhuǎn)速區(qū)域功率衰減明顯，在3 000 r/min下功率衰減達(dá)11.31 kW.從圖7(b)中可以看出：1 800 r/min工況對于排氣背壓變化最敏感，功率衰減率約為17.0%；2 800 r/min工況對排氣背壓變化較為敏感，功率衰減率約為6.6%；2 000 r/min工況對排氣背壓變化不敏感.

圖7 排氣背壓對發(fā)動機(jī)功率影響

3 輔助系統(tǒng)實驗研究

搭建發(fā)動機(jī)整機(jī)測試臺架及用于測試空氣濾清器阻力、中冷器阻力、排氣背壓、燃油溫度和中冷后溫度等輔助系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)測試裝置，以驗證輔助系統(tǒng)參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響規(guī)律.示意圖如圖8所示.

圖8 臺架測試設(shè)備示意圖

3.1 空氣濾清器阻力

調(diào)節(jié)進(jìn)氣管的蝶閥開度，模擬空氣濾清器形成的進(jìn)氣阻力變化[6-7].綜合考慮發(fā)動機(jī)運(yùn)行安全性和仿真需求，選取3個發(fā)動機(jī)可安全運(yùn)行的進(jìn)氣蝶閥開度，分別為100%(蝶閥全開，即外特性狀態(tài))、90%和75%(發(fā)動機(jī)可安全運(yùn)行的最小蝶閥開度)，選取發(fā)動機(jī)安全運(yùn)行轉(zhuǎn)速，包括：3 000 r/min、2 800 r/min、2 400 r/min和2 000 r/min.

發(fā)動機(jī)輸出功率隨空濾阻力變化如圖9所示.從圖中可以看出，隨著進(jìn)氣蝶閥開度減小，發(fā)動機(jī)輸出功率下降.開度為90%時，2 800 r/min和3 000 r/min轉(zhuǎn)速功率明顯下降，3 000 r/min工況功率下降約21 kW，6.4%.開度為75%時，全部轉(zhuǎn)速工況下輸出功率均有明顯下降，3 000 r/min工況功率下降最多，約91 kW，達(dá)28%.

圖9 不同空濾阻力的功率-轉(zhuǎn)速圖

根據(jù)實驗過程中不同蝶閥開度的壓差，調(diào)整仿真模型與實驗狀態(tài)一致，研究空濾阻力對發(fā)動機(jī)輸出功率的影響.

圖10所示為按照實驗數(shù)據(jù)調(diào)整空濾前后壓差得到的仿真結(jié)果，可以看出，實驗與仿真整體趨勢一致性較好，蝶閥全開時，空濾阻力較小，發(fā)動機(jī)輸出功率較大，在2 800 r/min和3 000 r/min工況誤差較大，約為3.8%；在2 000 r/min和2 400 r/min工況誤差較小，小于2%.蝶閥開度為75%時，空濾阻力較大，輸出功率誤差增大，但仍在一定范圍內(nèi)，最大誤差出現(xiàn)在3 000 r/min，約為5.9%.

圖10 空濾阻力對發(fā)動機(jī)功率影響的實驗與仿真對比

隨著發(fā)動機(jī)空濾阻力增加，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量將下降，為了維持發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性并避免缸內(nèi)燃燒惡化和后燃危及增壓器的安全，發(fā)動機(jī)必須減少循環(huán)噴油量，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出功率下降.

3.2 中冷后溫度

調(diào)節(jié)中冷器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，使進(jìn)氣中冷后溫度分別為：45 ℃、60 ℃、80 ℃.實驗測試了不同中冷后溫度對于發(fā)動機(jī)增壓壓力與增壓比例的影響.

不同中冷后溫度下的發(fā)動機(jī)增壓進(jìn)氣壓力，如圖11所示，隨中冷后溫度升高，增壓壓力增大比例如圖12所示.

圖11 不同中冷后溫度的增壓壓力

圖12 增壓壓力增大比例

分析可知，中冷后溫度升高導(dǎo)致進(jìn)氣充量密度下降，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程結(jié)束后缸內(nèi)新鮮空氣質(zhì)量下降.在循環(huán)噴油量不變的情況下，缸內(nèi)燃燒惡化，一部分燃油無法在缸內(nèi)及時燃燒.燃燒滯后導(dǎo)致熱能無法轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，該部分能量隨排氣廢氣進(jìn)入排氣道，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)廢氣溫度升高.廢氣能量增高驅(qū)動增壓器加大工作負(fù)荷，提高了增壓壓力，彌補(bǔ)了中冷后溫度升高導(dǎo)致的進(jìn)氣質(zhì)量減少.

3.3 中冷器阻力

調(diào)節(jié)中冷器前后的蝶閥開度，模擬進(jìn)氣中冷器流動阻力的變化.中冷器蝶閥無級可調(diào)，綜合考慮發(fā)動機(jī)運(yùn)行安全性和仿真需求，選取3個發(fā)動機(jī)可以安全運(yùn)行的開度，分別約為100%、90%和75%.

圖13所示為按照實驗數(shù)據(jù)調(diào)整中冷器前后壓差得到的仿真結(jié)果，可知，實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果較為接近，仿真結(jié)果的功率波動較實驗數(shù)據(jù)更為明顯，在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)輸出功率變化均較小，功率波動均小于4%.

圖13 中冷器阻力對發(fā)動機(jī)功率影響的實驗與仿真對比

實驗結(jié)果表明，中冷器阻力對發(fā)動機(jī)輸出功率影響較小，這與仿真結(jié)果一致.2 000～3 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)中冷后壓力為188～225 kPa，中冷器阻力對中冷后壓力影響不超過5%，即對于進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮空氣質(zhì)量的影響低于5%，對發(fā)動機(jī)輸出功率影響有限，且由于文中研究的發(fā)動機(jī)為柴油機(jī)，其缸內(nèi)燃燒處于稀燃狀態(tài)，在3 000 r/min工況下空燃比約為22，相對于14.3的理論空燃比有較大的余量，小幅度的空氣質(zhì)量波動對發(fā)動機(jī)燃燒影響程度有限，因此，中冷器阻力對發(fā)動機(jī)輸出功率影響較小.

3.4 排氣背壓

調(diào)節(jié)渦輪后排氣系統(tǒng)蝶閥開度，模擬渦后排氣背壓變化.綜合考慮發(fā)動機(jī)運(yùn)行安全性和仿真需求，選取3個發(fā)動機(jī)可以安全運(yùn)行的開度，分別約為100%、90%和75%.

發(fā)動機(jī)排氣背壓隨蝶閥開度變化如圖14所示.從圖中可以看出，排氣背壓隨蝶閥開度減小而增大.蝶閥開度相同時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越大，排氣背壓越大.在3 000 r/min工況，蝶閥開度為75%時，壓差最大，比蝶閥全開時增大約3.7 kPa.

圖14 不同蝶閥開度的轉(zhuǎn)速-壓差圖

實驗測試了發(fā)動機(jī)輸出功率隨排氣背壓變化和功率衰減率的變化情況，如圖15所示.從圖中可以看出，隨排氣系統(tǒng)蝶閥開度減小，發(fā)動機(jī)輸出功率下降.

圖15 不同蝶閥開度的功率-轉(zhuǎn)速圖

4 結(jié) 論

針對某兩棲車輛在水陸工況下的特殊環(huán)境條件，建立了整機(jī)及輔助系統(tǒng)參數(shù)化仿真模型，開展了該車用發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響規(guī)律分析，為輔助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論和實驗依據(jù).具體結(jié)論如下：

1)研究結(jié)果表明：發(fā)動機(jī)功率隨空濾阻力增大而衰減，在1 800 r/min工況時功率衰減最明顯，約為30.0%；發(fā)動機(jī)功率隨中冷后溫度升高而衰減，同樣也是在1 800 r/min時，功率衰減率約為21.0%，2 000 r/min和2 800 r/min工況對環(huán)境溫度變化不敏感；1 800 r/min工況對于排氣背壓變化最敏感，功率衰減率約為17.0%.

2)上述研究規(guī)律利用臺架進(jìn)行了驗證，實驗驗證結(jié)果表明，對輔助系統(tǒng)的參數(shù)規(guī)律研究精度在3%以內(nèi)，可以滿足設(shè)計指導(dǎo).