基于GT—Power的6缸渦輪增壓柴油機(jī)仿真與模擬

楊學(xué)易 何超

摘要：利用相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，通過(guò)GT-Power仿真軟件建立6缸渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)模型，分析模型內(nèi)部的數(shù)學(xué)原理，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型的動(dòng)力參數(shù)與排放參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。結(jié)果表明，該模型的動(dòng)力參數(shù)最大誤差不超過(guò)7%，排放參數(shù)最大誤差不超過(guò)5%，能較為準(zhǔn)確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作情況。

關(guān)鍵詞：GT-Power；柴油機(jī)；渦輪增壓；仿真；校準(zhǔn)

中圖分類號(hào)： TK421+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

文章編號(hào)：1002-1302（2015）07-0431-03

柴油機(jī)與汽油機(jī)相比，具有更高的壓縮比，燃燒效率更高，具有更好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，近年來(lái)，柴油機(jī)逐漸得到重視，但柴油機(jī)工作粗暴、PM及NOX排放較高等缺點(diǎn)限制了其在家用車市場(chǎng)上的發(fā)展[1]。為改善柴油機(jī)的工作平順性及排放性，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始重視對(duì)柴油機(jī)的性能研究。而對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的研究常采用臺(tái)架試驗(yàn)方法，人力和物力消耗大，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，效果差。仿真技術(shù)可在計(jì)算機(jī)上反復(fù)多次試驗(yàn)運(yùn)行，具有投資少、效益高、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、周期短、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可獲得比實(shí)物試驗(yàn)更多的信息，從而成為發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作的一個(gè)重要手段和環(huán)節(jié)[2]。

1 GT-Power建模

目前常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程模擬軟件主要有奧地利AVLA公司的FIRE、BOOST及美國(guó)Gamma Technologies公司的GT-power等[3]。GT-power軟件是計(jì)算一維氣體流動(dòng)的商業(yè)軟件，具有豐富的解析機(jī)能、準(zhǔn)確的物理模型和簡(jiǎn)單而方便的建模方法，適用于對(duì)各種內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行性能仿真，得到廣泛的應(yīng)用[4]。建模所用無(wú)錫錫柴6DF3柴油發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)為：缸徑107 mm、行程125 mm、排量6.7 L、壓縮比為16.8、共軌系統(tǒng)為BOSCH、標(biāo)定功率為147 kW （2 300 r/min）、最大扭矩為760 N·m（1 400 r/min），具體建模流程如圖1所示，先利用GT-power軟件建立柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸模型，在單缸模型基礎(chǔ)上構(gòu)建6缸模型框架，再輸入相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行條件進(jìn)行仿真運(yùn)算，獲取仿真結(jié)果，最后利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性并進(jìn)行校準(zhǔn)，直至得到較為準(zhǔn)確的模型。

發(fā)動(dòng)機(jī)模型（圖2）主要包括進(jìn)排氣端、空濾器、進(jìn)排氣門、氣缸、曲軸箱、渦輪增壓器、噴油器等模塊，而其數(shù)學(xué)模型主要包括氣缸模型、燃燒模型和傳熱模型等。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 燃燒模型

GT-Power提供6種燃燒模型，可用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，也可用于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。模擬柴油機(jī)燃燒放熱規(guī)律最常見(jiàn)的是三元韋伯燃燒模型—EngCylCombDIWiebe，該模型把整個(gè)燃燒過(guò)程分為預(yù)混合燃燒、主燃和后燃，整個(gè)燃燒放熱率曲線由3條韋伯函數(shù)曲線疊加而成[5]，即：x=x1+x2+x3，dxdφ=dx1dφ+dx2dφ+dx3dφ，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，每一部分的燃燒起始時(shí)刻相同，而且各個(gè)時(shí)期都有獨(dú)立的燃燒持續(xù)期和燃燒指數(shù)。在實(shí)際模擬過(guò)程中，主燃持續(xù)期和主燃期燃料分?jǐn)?shù)對(duì)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。

韋伯模型描述內(nèi)燃機(jī)燃燒速度的半經(jīng)驗(yàn)公式為：

x=1-e-cym+1；（1）

dxdy=c·（m+1）·ym·e-cym+1。（2）

式中：y為無(wú)因次時(shí)間常數(shù)，y=（φ-φVB）（φVE-φVB）=（φ-φVB）φZ(yǔ)；φ為瞬時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角，φVB為燃燒始點(diǎn)角，φVE為燃燒終點(diǎn)角；φZ(yǔ)為燃燒持續(xù)角；m為燃燒品質(zhì)系數(shù)，c為系數(shù)。根據(jù)燃燒過(guò)程的特點(diǎn)，應(yīng)滿足：燃燒開(kāi)始時(shí)，φ=φVB，y=0，x=0；燃燒結(jié)束時(shí)，φ=φVE，y=1，x=1。假定單韋伯模型燃燒結(jié)束時(shí)，已燃燒的燃料占循環(huán)供油量的99.9%，即x=0.999，得到c=6.908，則：

x=1-e-6.908ym+1；（3）

dxdφ=6.908·m+1φzφ-φVBφzm·e-6.908ym+1。（4）

只要適當(dāng)?shù)剡x取參數(shù)m、φVB、φVE，由韋伯公式表達(dá)的放熱率就唯一被確定。

2.2 傳熱模型

傳熱模型采用1967年Woschni提出的模型。GT-Power軟件對(duì)直噴式柴油機(jī)推薦的換熱表面積為：活塞頂散熱面積按氣缸橫截面積的1.2～1.5倍計(jì)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。

壁面平均溫度的推薦值為：活塞頂表面的溫度：550～600 K；氣缸蓋表面的溫度：550～600 K；氣缸套表面的溫度：400～450 K。結(jié)合本仿真實(shí)際，傳熱模型輸入?yún)?shù)為：活塞頂面積系數(shù)為1.351；氣缸蓋面積系數(shù)為1；活塞頂、氣缸蓋、氣缸套表面溫度分別為550、550、400 K。

2.3 噴油器模型

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴射、進(jìn)氣道噴射、進(jìn)氣歧管噴射等燃油噴射系統(tǒng)形式，選擇不同的噴油器模型。已知瞬時(shí)噴油壓力情況下使用InjProfileConn噴油器模型；已知燃油噴射量和空燃比的情況下使用InjAFSeqConn噴油器模型，一般用于汽油機(jī)建模；已知燃油噴射量和噴射脈寬的情況下使用InjPulseConn噴油器模型，多應(yīng)用于電控發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于柴油機(jī)，一般使用InjProfileConn模型，在輸入瞬時(shí)噴油壓力MAP圖時(shí)，應(yīng)注意噴油壓力值對(duì)應(yīng)凸輪軸的轉(zhuǎn)角為對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的一半[6]。

進(jìn)排氣系統(tǒng)包括進(jìn)排氣氣門、進(jìn)排氣氣道、進(jìn)排氣歧管。進(jìn)排氣氣門升程曲線與仿真發(fā)動(dòng)機(jī)保持一致，需繪制氣門升程曲線，對(duì)比計(jì)算結(jié)果中的進(jìn)排氣氣門開(kāi)啟、關(guān)閉角度；進(jìn)排氣管盡量與原機(jī)形狀保持一致，使用三叉管道時(shí)應(yīng)避免兩管道垂直布置，否則影響充氣系數(shù)；管道初始值應(yīng)盡量與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)保持一致，這樣能加快仿真收斂速度。2個(gè)管道連接處由孔（OrificeConn）連接，默認(rèn)孔直接根據(jù)兩端管徑大小連接，GT-Power會(huì)計(jì)算向前或相反的流量系數(shù)。在多數(shù)進(jìn)排氣管中，進(jìn)排氣歧管和總管的過(guò)渡是很光滑的，這個(gè)位置使用默認(rèn)將會(huì)給系統(tǒng)增加額外的流量損失，是不真實(shí)的，因此，有必要建立由用戶定義流量系數(shù)的孔。

2.4 增壓系統(tǒng)

本仿真柴油機(jī)采用渦輪增壓系統(tǒng)。在進(jìn)行渦輪增壓系統(tǒng)匹配計(jì)算之前，需要選定滿足要求的渦輪和壓氣機(jī)。壓氣機(jī)選定原則：最大功率點(diǎn)流量滿足要求，遠(yuǎn)離阻塞線，在壓氣機(jī)匹配點(diǎn)有20%速度裕量，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高原性能的要求；最大扭矩點(diǎn)流量滿足要求，遠(yuǎn)離喘振線，匹配點(diǎn)在高效率區(qū)。

選定壓氣機(jī)后，選定與壓氣機(jī)配套的渦輪。渦輪選定的主要方法是在渦輪流通特性上標(biāo)上發(fā)動(dòng)機(jī)的工作線，如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)出現(xiàn)過(guò)高的渦輪前廢氣溫度tT，這說(shuō)明渦輪的流通能力選擇不當(dāng)，應(yīng)重新加以修改。對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)希望等tT線盡可能與發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣特性線相平行，這樣當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)沿外特性降低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于tT的升高可導(dǎo)致壓比πε較大的補(bǔ)充升高，從而保證得到較高的扭矩系數(shù)K值。

一般情況下，渦輪和壓氣機(jī)特性沒(méi)有數(shù)據(jù)，而只有渦輪和壓氣機(jī)特性圖，需從圖中提取相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)壓氣機(jī)而言，必須給出喘振線和阻塞線。GT-Power規(guī)定，壓氣機(jī)和渦輪MAP圖輸入最少要有2個(gè)速度，每個(gè)速度至少有3組數(shù)據(jù)。對(duì)壓氣機(jī)而言，每組數(shù)據(jù)中流量最小、壓比最大點(diǎn)默認(rèn)為喘振線上的點(diǎn)。阻塞線為壓氣機(jī)的最大速度線，要求匹配點(diǎn)在阻塞線內(nèi)，且要有一定裕度。不管是壓氣機(jī)還是渦輪，高效率區(qū)的點(diǎn)必須標(biāo)出。數(shù)據(jù)越多，輸入MAP越接近壓氣機(jī)和渦輪特性線[7]。

由于壓氣機(jī)和渦輪工作條件不一樣，要想得到匹配，需將流量和轉(zhuǎn)速折算到同一條件下。GT-Power轉(zhuǎn)速和流量修正公式為：

RPMcorrected=RPMactual/TiTref；

mcorected=mactual/TiTrefRinRrefPinPref。

式中：對(duì)于壓氣機(jī)而言，Ti為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度，Tref為參考溫度，Rin為進(jìn)氣的氣體常數(shù)，Rref為參考?xì)怏w常數(shù)，Pin為進(jìn)氣壓力，Pref為進(jìn)氣參考?jí)毫Γ粚?duì)于渦輪而言，Ti為渦輪前溫度，Tref為參考溫度，Rin為廢氣的氣體常數(shù)，Rref為參考?xì)怏w常數(shù)，Pin為渦輪進(jìn)氣壓力，Pref為進(jìn)氣參考?jí)毫?。如果要使修正的速度和流量與實(shí)際值一致，即使得渦輪和壓氣機(jī)匹配圖上的點(diǎn)與輸入MAP圖保持一致，則渦輪、壓氣機(jī)的數(shù)據(jù)設(shè)定為：壓氣機(jī)：Tref=Ti=298 K，Pref=Pin=100 Pa，Rref=Rin=287 J/（kg·K）；渦輪：Tref=Ti=渦輪前溫度，Pref=Pin=渦輪前壓力，Rref=Rin=289 J/（kg·K）。

3 模型與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為1臺(tái)6缸高壓共軌渦輪增壓中冷錫柴6DF3型柴油機(jī)，額定功率147 kW（2 300 r/min）。試驗(yàn)中，分別設(shè)定不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下設(shè)定不同負(fù)荷，直接記錄發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的動(dòng)力參數(shù)與排放數(shù)據(jù)。仿真模型選取其中的額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min和1 030、1 200、1 600、2 000 r/min 4個(gè)常用轉(zhuǎn)速，100%負(fù)荷。

由于GT-Power軟件的初始條件包括柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和每循環(huán)噴油量，且負(fù)荷由噴油量大小所決定。因此，需先通過(guò)實(shí)際油耗算得每循環(huán)噴油量（表1）。

為驗(yàn)證所建立模型的正確性，將發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括功率、扭矩、進(jìn)氣量、燃油消耗率、NOx與PM排放分別與仿真值進(jìn)行對(duì)比。由圖3至圖8可見(jiàn)，其功率、扭矩及進(jìn)氣量的最大誤差均不超過(guò)7%，油耗的最大誤差不超過(guò)6%，NOx的最大誤差不超過(guò)3%，PM的最大誤差不超過(guò)5%，誤差均控制在正常范圍內(nèi)；因此，所建立的模型是可靠的。

4 結(jié)論

利用相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，通過(guò)GT-Power軟件建立了6缸渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)模型，分析了其內(nèi)部的數(shù)學(xué)模型。并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力參數(shù)與排放參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證和校準(zhǔn)，其意義在于得到了準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，在研究發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和排放等性能時(shí)可節(jié)約大量的時(shí)間和成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬 義. 柴油機(jī)微粒捕集器再生仿真[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2011：11-14.

[2]唐開(kāi)元，歐陽(yáng)光耀. 高等內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008：114-115.

[3]張永棟，朱文英，倪江忠. 基于GT-POWER的柴油機(jī)排放仿真分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011（3）：51-53.

[4]朱榮福，王 強(qiáng)，張 鵬. 發(fā)動(dòng)機(jī)的GT-POWER模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證分析[J]. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，24（1）：13-15.

[5]Peters B J. Numerical simulation of a diesel particulate filter during loading and regeneration[J]. ASME Proceedings，2003：619-630.

[6]丁萬(wàn)龍.GT-POWER培訓(xùn)教程[M]. CD-adapco JAPAN Co Ltd，2001：24-26.

[7]Schejbal M，Marek M，Kubcˇek M，et al. Modelling of diesel filters for particulates removal[J]. Chemical Engineering Journal，2009，154 （1/2/3）：219-230.