壓縮比對柴油機性能影響

鄒振宇, 劉 晶

(1.吉林建筑工程學院土木工程學院,吉林長春 130021;2.國家開發銀行吉林省分行,吉林長春 130021)

0 引 言

柴油機作為常用動力源,對人們的日常生產與生活影響巨大。近年來,對柴油機的動力性、經濟性及排放等各方面的要求不斷提高。壓縮比對柴油機性能影響顯著。對柴油機壓縮比的測定與研究多采用實驗的方法實現,用臺架對柴油機的參數進行標定。這種方法雖然廣為利用,但工作量很大,耗費人力、物力、財力。隨著計算機技術的發展,數值模擬技術為內燃機的研發提供了一種新的研究渠道[1-2],利用計算機數值模擬可以很好地解決上述缺點,而且會大大縮短內燃機的研發時間[3],甚至可以得到實驗很難得到的結果,柴油機工作過程的數值模擬已經受到國內外專家的高度重視[4-5]。

1 模型建立

1.1 實機模型

文中所研究的樣機為6106柴油機,其基本參數見表1。

表1 6106柴油機參數

1.2 計算模型建立

柴油機工作流程如圖1所示。

圖1 柴油機工作流程圖

GT-Power整機分析模型主要由進氣系統、排氣系統、渦輪增壓系統、噴油組件、氣缸和曲軸箱等組成。用實驗數據對模型進行校準,確定模型的準確性。

幾何結構的精確描述是準確實現數值模擬的重要前提,但柴油機模型涉及到的實體很多,而且結構極其復雜,如按真實實體結構建立計算幾何模型需要花費大量時間且難以實現,也沒有必要。因此根據計算經驗,在保證對數值計算精度不產生很大影響的前提條件下,對實體結構進行一些等效簡化處理。由于對整機進行分析涉及到的工作過程太多,同時也受到計算速度的影響,因此,將進排氣管路簡化成一維模型,此模型適于在整機工作過程的模擬、優化和最優控制中使用[6-8],這樣既能保證計算的精度,又可以節省大量的時間。

由于所要分析的是柴油機的性能參數,從而對缸內的噴霧和燃燒也做了簡化,燃燒模型采用的是準維模型,這種簡化雖然看不出空間的不均勻性對柴油機性能的影響,但是,可以得到柴油機性能隨時間的變化規律,而且結果精度也可以滿足研發要求。

1.3 計算模型的校準

通常在進行數值模擬計算時,在模型建立以后,必須通過校準才能確定其準確性,然后進行模擬計算。

通過計算結果與實驗結果的對比,可以看出模型是可靠的。

模型校準后部分計算結果如圖2～圖5所示。

圖2 額定工況下缸內壓力曲線計算值與實驗值比較

圖3 不同轉速下功率的計算結果與實驗值比較

圖4 不同轉速下空氣流量的計算結果與實驗值比較

圖5 不同轉速下充氣效率的計算結果與實驗值比較

2 計算結果與分析

壓縮比對柴油機最高燃氣壓力、最高燃氣溫度的影響如圖6所示。

從計算結果可以發現,隨著壓縮比的升高,最高燃氣壓力明顯升高,壓縮比每升高0.5,最高燃氣壓力升高3.5×105Pa左右。這是因為壓縮比越大,相同初始狀態的氣體被壓縮的越厲害,所以其壓縮終點的壓力越高,縮短了著火延遲期,使柴油機的燃燒特性得到了改善。從計算結果上還可以看到,隨著壓縮比增大,最高燃氣溫度下降,這是因為增大壓縮比的同時增加了發動機的膨脹比,使得最高循環壓力急劇升高,而且熱能轉化為有用功大大增加,從而最高燃氣溫度下降。

壓縮比對功率、扭矩的影響如圖7所示。

圖7 壓縮比對功率、扭矩的影響

由圖7可以看出,壓縮比越大,柴油機的功率和扭矩越大,這是因為壓縮比越大,燃油燃燒的環境越理想,使燃燒室里的燃料更能充分燃燒,由熱能轉化為機械能的功越多。所以功率和扭矩都得到了很大程度上的提高,從計算結果來看,壓縮比每提高0.5,扭矩和功率升高2.5 N·m,大大提高了柴油機的動力性和經濟性。

壓縮比對有效燃油消耗、充氣效率的影響如圖8所示。

圖8 壓縮比對有效燃油消耗、充氣效率的影響

從計算結果可以看出,壓縮比每提高0.5,有效燃油消耗下降約1 g/(kW·h)。這是因為隨著壓縮比增加,燃油燃燒更加充分,提高了柴油機有效熱效率,也就是說,提高了柴油機熱能轉化為機械能的效率,從而降低柴油機的燃油消耗率。發動機的充氣效率從圖8上看是隨著壓縮比增大,逐漸提高,這是因為柴油機壓縮比越大,會使廢氣排的越干凈,從而使新鮮空氣更容易進入,所以會使柴油機的充氣效率得到提升。

3 結 語

利用CFD軟件(GT-Power)對柴油機的工作過程進行數值模擬,可以發現,壓縮比對柴油機的工作過程有很大的影響。壓縮比越大,發動機的最高燃氣壓力、功率、扭矩、充氣效率越高,說明大的壓縮比可以很好地改善柴油機的燃燒特性,從而提高發動機的動力特性。同時,有效燃油消耗會大幅度降低,很好地改善了柴油機的經濟特性。但是,太大的壓縮比也決定了柴油機的機械負荷也比較大,所以對于柴油機,在保證機械負荷的前提下,盡量提高壓縮比。

[1]張海艷.配氣定時對柴油機性能影響的數值模擬分析[J].柴油機設計與制造,2006(6):12-16.

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[5]Whitehouse N D,Way R J B.Rate of heat release in diesel engines and it’s correlation with fuel injection data[J].Proc.Instn.Mech.Engrs,1970,184(3):17-19.

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[7]王榮生,夏尊詮.柴油機燃燒放熱率的V2g數學模型[J].大連工學院學報,1978(3):18-20.

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