可變壓縮比技術(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響

薛光遠(yuǎn),馬哲樹,徐　亮,劉吉財(cái)

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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可變壓縮比技術(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響

薛光遠(yuǎn),馬哲樹,徐亮,劉吉財(cái)

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

利用GT-power軟件研究不同壓縮比對(duì)某4JB1型中冷增壓系統(tǒng)柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷的工況時(shí)適當(dāng)降低壓縮比可以有效控制氮氧化物(NOX)的生成,處于低負(fù)荷的工況時(shí)采用高壓縮能節(jié)約燃油。研究對(duì)柴油機(jī)壓縮比參數(shù)的優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

柴油機(jī)；壓縮比；燃油消耗率；氮氧化物

0　引言

壓縮比一般指氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積比值，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比較高時(shí)，壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)的空氣壓力和溫度較高，利于燃料的著火，柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能和燃燒性能較好,但此時(shí)最高燃燒壓力和壓力升高率也會(huì)隨之增加，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的工作變得粗暴，從而增加了燃燒過程中NOX的生成率和排放量[1]。若壓縮比較低, 壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)空氣的壓力和溫度較低會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)性能和燃燒性能變差，從而引起燃油消耗率增加。因此，柴油機(jī)壓縮比需要考慮多方面的影響因素進(jìn)行折中確定[2]。

柴油機(jī)的壓縮比一般是不可變化的，因?yàn)槿紵胰莘e和氣缸的工作容積參數(shù)都是固定值的。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)能在各種工況中發(fā)揮更好的效能，可變壓縮比技術(shù)(VCR)通過以變對(duì)變的方式來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能[3]。核心技術(shù)采用在缸體與缸蓋之間安裝楔型滑塊，缸體可以沿滑塊的斜面自由運(yùn)動(dòng)，使得燃燒室與活塞頂面的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而改變?nèi)紵业娜莘e，最終使得壓縮比發(fā)生改變[4]。

可變壓縮比技術(shù)研究起步早。1952年英國內(nèi)燃機(jī)研究所開始研究可變壓縮比活塞。前蘇聯(lián)在20世紀(jì)80年代拖拉機(jī)研究所進(jìn)行可變壓縮比柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)，證明該技術(shù)能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性。我國西安交通大學(xué)從1969年開始研制出可變壓縮比的擺盤柴油機(jī)[5]。近年來可變壓縮比技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的主要應(yīng)用:瑞典申寶公司在2000年研制的1.6 L排量的5缸可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，通過使發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的位置變化來實(shí)現(xiàn)控制壓縮比的變化為8～14;日本某公司在2005年研制出的可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)的壓縮比變化范圍為8～14，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能良好，燃油消耗量較同等排量的產(chǎn)品降幅達(dá)到了30%，并且發(fā)動(dòng)機(jī)處于高EGR(廢氣再循環(huán)系統(tǒng))率也能穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

1　柴油機(jī)模型的建立與驗(yàn)證

1.1仿真模型建立

基于降低排放量并保持柴油機(jī)性能不變的需求，本文通過GT-power軟件平臺(tái)，對(duì)某4JB1型增壓中冷柴油機(jī)進(jìn)行建模和可變壓縮比技術(shù)的仿真，對(duì)其燃油經(jīng)濟(jì)性和NOX生成量進(jìn)行計(jì)算分析。某4JB1型柴油機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1　某4JB1型柴油機(jī)基本參數(shù)

GT-power軟件主要是以理想氣體狀態(tài)方程、有限元原理、能量守恒方程、能量守恒定律為基礎(chǔ)，用于內(nèi)燃機(jī)性能分析與模擬的軟件。本模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管路、4氣門、中冷系統(tǒng)、噴油器、氣缸和曲軸箱組成。圖1為某4JB1型柴油機(jī)整機(jī)物理模型。

4JB1型增壓中冷柴油機(jī)模型中運(yùn)用了3個(gè)子模型，環(huán)境模型選擇考慮環(huán)境壓力和溫度的常規(guī)模型，熱力學(xué)子模型采用直噴燃燒預(yù)測(cè)模型,傳熱子模型選擇wosehni放熱模型。

圖1　某4JB1型柴油機(jī)整機(jī)物理模型示意圖

1.2仿真模型驗(yàn)證

進(jìn)行仿真前，必須對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的方式是與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。模擬值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比見表2。通過表2可以發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合度較好，其中功率最大誤差5%，扭矩最大誤差1%，燃油消耗率最大誤差2%，NOX生成量最大誤差2%，Soot(碳煙)生成量最大誤差9%，因而所建4JB1型柴油機(jī)物理模型在誤差允許范圍內(nèi), 可以利用模型代替實(shí)際柴油機(jī)對(duì)柴油機(jī)的性能進(jìn)行模擬分析。

表2　模擬值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

2　壓縮比對(duì)柴油機(jī)性能影響

本文研究在2 000 r/min和3 500 r/min兩種工況下，壓縮比對(duì)柴油機(jī)燃油消耗率、NOX和Soot生成量的影響分析(壓縮比變化范圍在16.2～20.2)。

2.1壓縮比對(duì)燃油消耗率的影響

從圖2和圖3可以看出，在2 000 r/min工況下壓縮比從16.2升至20.2時(shí)，在燃油消耗率方面，100%負(fù)荷時(shí)燃油消耗率下降幅度約72‰，75%負(fù)荷時(shí)下降幅度約48‰，50%負(fù)荷時(shí)下降幅度40‰。在3 500 r/min工況下，在燃油消耗率方面，100%負(fù)荷時(shí)下降幅度最大，油耗降低約62‰，75%負(fù)荷時(shí)下降幅度約40‰，50%負(fù)荷時(shí)下降幅度約31‰。

圖2　轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)壓縮比對(duì)燃油消耗率的影響

圖3　轉(zhuǎn)速3 500 r/min時(shí)壓縮比對(duì)燃油消耗率的影響

2.2壓縮比對(duì)NOX生成量的影響

從圖4和圖5可以看出，在2 000r/min工況下壓縮比從16.2升至20.2時(shí)，NOX生成量在100%負(fù)荷時(shí)變化最大，增大約18%；75%負(fù)荷時(shí)次之，增大約15%；50%負(fù)荷時(shí)增大約11%。在3 500 r/min的條件下壓縮比從16.2升至20.2時(shí)，NOX生成量在100%負(fù)荷時(shí)變化最大，增大約15%；75%負(fù)荷時(shí)次之，增大約12%；50%負(fù)荷時(shí)增大約10%。

2.3壓縮比對(duì)Soot生成量的影響

從圖6和圖7可以看出，在2 000 r/min工況下壓縮比從16.2升至20.2時(shí)，Soot生成量在100%負(fù)荷時(shí)變化約0.012 g/(kW·h)，75%負(fù)荷時(shí)變化約0.009 g/(kW·h)，50%負(fù)荷時(shí)變化約0.008 g/(kW·h)。在3 500 r/min工況時(shí)，Soot生成量在100%負(fù)荷時(shí)下降幅度最大，降低約0.018 g/(kW·h),75%負(fù)荷時(shí)降低約0.014 g/(kW·h),50%負(fù)荷時(shí)降低約0.010 g/(kW·h)。隨著壓縮比的增大，

Soot生成量逐漸降低,但變化量很小。

圖4　轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)壓縮比對(duì)NOX生成量的影響

圖5　轉(zhuǎn)速3 500 r/min時(shí)壓縮比對(duì)NOX生成量的影響

圖6　轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)壓縮比對(duì)碳煙生成量的影響

圖7　轉(zhuǎn)速3 500 r/min時(shí)壓縮比對(duì)碳煙生成量的影響

3　結(jié)語

(1)該發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合度較好，所建柴油機(jī)模型誤差在允許范圍內(nèi), 可以利用GT-power計(jì)算模型代替實(shí)際柴油機(jī)對(duì)柴油機(jī)的性能進(jìn)行模擬分析。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷的工況時(shí)，適當(dāng)降低壓縮比有助于控制了NOX的生成。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷的工況時(shí)采用高壓縮比可有效節(jié)約燃油。

(3)可變壓縮比技術(shù)在中速工況點(diǎn)比高速工況點(diǎn)作用更加顯著。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于中速工況時(shí)，適當(dāng)減少壓縮比可以顯著改善NOX生成量。

[1]魏春源，張衛(wèi)正，葛蘊(yùn)珊.高等內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.

[2]陳永賢.若干燃燒控制參數(shù)對(duì)柴油機(jī)低負(fù)荷排放特性和效率影響的試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2011(5):193-196.

[3]崔彪，常思勤，李子非.發(fā)動(dòng)機(jī)可變壓縮比技術(shù)的探討[[J].內(nèi)燃機(jī)，2011(4):4-6.

[4]林承伯.可變壓縮比技術(shù)對(duì)汽油機(jī)性能的影響[D].長沙：湖南大學(xué)，2014.

[5]李可順．噴油提前角對(duì)船用柴油NOX排放特性的影響[J]．大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(8):88-90.

[6]牛釗文.可變壓縮比技術(shù)的研究與展望[J].內(nèi)燃機(jī), 2010(4):46-49.

2015-10-25

薛光遠(yuǎn)(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇皠?dòng)力裝置；馬哲樹(1973—)，男，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置及節(jié)能減排技術(shù)。

U664.121

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