船用中速柴油機排氣相位的優(yōu)化研究

張文孝

（大連海洋大學機械與動力工程學院，遼寧大連116023）

船用中速柴油機排氣相位的優(yōu)化研究

張文孝

（大連海洋大學機械與動力工程學院，遼寧大連116023）

基于AVL-BOOST軟件對6300型船用中速柴油機的排氣相位進行了優(yōu)化研究。應用建立的工作過程仿真模型，計算分析了排氣正時對柴油機性能的影響，得到排氣正時的最優(yōu)值，為柴油機性能的進一步提高和優(yōu)化設計指明了方向。

船用柴油機；AVL-BOOST；排氣相位；優(yōu)化

柴油機的工作循環(huán)由進氣、壓縮、噴油、混合、燃燒、膨脹和排氣等熱力過程組成，與氣流運動、渦輪增壓、燃油噴霧、燃燒室、熱量傳遞、工況等物理過程及化學過程有關[1-2]，并且還直接影響到柴油機的功率大小、油耗率高低、燃燒溫度高低、排放特性及可靠耐久性能。因此，國內外研究學者和生產廠家都對柴油機的工作循環(huán)過程進行了大量而卓有成效的研究。目前對柴油機工作過程研究比較多的方法是數值模擬仿真法[3-4]，它主要是通過一些軟件對柴油機的各種性能指標進行模擬和仿真計算，并分析一些重要的參數對柴油機性能的影響，進而為柴油機的各種性能提高、優(yōu)化整機和零部件設計方案以及產品的研發(fā)提供參考和依據。

本文采用AVL BOOST仿真軟件，以6300型船用中速四沖程柴油機為實例，對其工作過程進行仿真和模擬計算分析，重點對排氣正時（排氣提前開啟角和排氣延遲關閉角）對柴油機性能的影響進行優(yōu)化研究。

1 仿真模型的建立

6300型柴油機的類型為直列、排氣渦輪增壓、四沖程，工作行程為380 mm，標定轉速為500 r/min，標定功率為550 kW，燃油消耗率為217（g/kW·h），著火順序為1－5－3－6－2－4.

應用AVL-BOOST軟件[5]建立的6300型柴油機仿真模型如圖1所示。其中，SB1和SB2是系統(tǒng)邊界，TC1為排氣渦輪增壓器，CO1為中冷器，PL1為進氣總管，PL2和PL3為兩個排氣歧管，9是壓氣機前進氣管，1是中冷器前進氣管，8為中冷器后排氣管，C1-C6為汽缸，2-7為汽缸進氣管，10-15為汽缸排氣管，MP1-MP11為定義的測量點。

圖1 仿真模型

2 排氣正時的優(yōu)化

2.1 排氣提前開啟角對性能的影響

根據內燃機原理知識可知，選擇和確定最佳的排氣提前開啟角必須綜合考慮各種因素的影響，因此也存在一個最佳的數值。根據圖1的仿真模型，在柴油機的其他參數不變的前提下，改變排氣提前開啟角的大小，計算其對柴油機的輸出功率、油耗率和燃燒溫度的影響。針對本文的6300型柴油機，所取的排氣提前開啟角是31°~47°CA.計算結果如圖2所示。

圖2 功率、有效油耗率和最高燃燒溫度與排氣提前開啟角的關系曲線

由圖2可知，隨著排氣提前開啟角的增大，柴油機的輸出功率增大，說明提高柴油機的動力性能需要較大的排氣提前開啟角；隨著排氣提前開啟角的增大，柴油機的有效油耗率減小，說明提高柴油機的經濟性能需要較大的排氣提前開啟角；隨著排氣提前開啟角的增大，柴油機的最高燃燒溫度減小，說明降低柴油機的NOX排放需要較大的排氣提前開啟角（因為最高燃燒溫度是影響NOX生成的重要因素）。

2.2 排氣延遲關閉角對性能的影響

根據仿真模型，保持柴油機的其他參數不變，只改變排氣延遲關閉角從12~28°CA計算其對柴油機功率、有效油耗率和最高燃燒溫度的影響，如圖3所示。

圖3 功率、有效油耗率和最高燃燒溫度與排氣延遲關閉角的關系曲線

由圖3可知，隨著排氣延遲關閉角的增大，柴油機的輸出功率降低，說明提高柴油機的動力性能需要較小的排氣延遲關閉角；隨著排氣延遲關閉角的增大，柴油機的有效油耗率先降低后升高，在排氣延遲關閉角為24°CA時達到最小值，最高燃燒溫度先減小后增大，在排氣延遲關閉角為14°CA時達到最小值。因此，排氣延遲關閉角的大小對柴油機性能的影響較為復雜。

2.3 排氣正時的優(yōu)化

為了進一步對排氣正時進行優(yōu)化，根據上述排氣提前開啟角和排氣延遲關閉角對性能影響的計算分析結果，進行了排氣正時的正交試驗。正交試驗時選擇的排氣提前開啟角分別為：41°CA、43°CA和45°CA；選擇的排氣延遲關閉角分別為：16°CA、18 °CA和24°CA.正交試驗情況見表1.

表1 排氣正時正交實驗表

根據排氣正時的正交試驗情況和前述的仿真模型，計算了排氣正時不同組合下的柴油機性能，計算結果如圖4所示。根據圖4可知，在試驗序號為7時柴油機的輸出功率最大、有效油耗率接近最低、最高燃燒溫度接近最低，即此時柴油機的動力性能、經濟性能和排放性能最佳。因此確定試驗序號7的排氣正時方案為該6300型柴油機的最佳排氣正時，即排氣提前開啟角為45°CA，排氣延遲關閉角為16°CA.

圖4 功率、有效油耗率和最高燃燒溫度與實驗號的關系曲線

3 結束語

（1）本文以6300型船用中速柴油機為例，應用AVL-BOOST軟件建立了仿真模型。

（2）根據仿真模型計算分析了排氣正時（排氣提前開啟角和排氣延遲關閉角）對6300型柴油機的輸出功率、有效油耗率和最高燃燒溫度的影響，并通過正交試驗優(yōu)化出了排氣正時的最佳參數，為柴油機性能的進一步提高和優(yōu)化設計指明了方向。

[1]劉永長．內燃機工作過程模擬計算[M]．武漢：華中理工大學出版社，1996.

[2]周松，王銀燕，明平劍，等.內燃機工作過程仿真技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[3]劉勤安，段樹林，邢輝，等．大型低速船用柴油機工作過程數值模擬及優(yōu)化[J]．大連海事大學學報，2011，37（3）：107 -114.

[4]朱訪軍，吳堅.內燃機工作過程數值計算及其優(yōu)化[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[5]AVL List.AVL BOOST Users Guides Version 5.1[M].Aus tria：AVLCompany，2006.

Research on Optim ization of Exhaust Phase ofMarine DieselEngine

ZHANGWen-xiao
（Mechanical and Power Engineering College of Dalian Ocean University，Dalian Liaoning 116023，China）

The exhaust phase of 6300 medium-speed marine diesel engine is optimized based on the AVL BOOST software.Itsworking process simulation model was built up and the influence of exhaust timing on diesel’s performance was calculated and analyzed.The optimum parameters of exhaust timing were obtained.The direction is pointed out for the further improvement performance and optimization design of the diesel engine.

marine diesel engine；AVL-BOOST；exhaust phase；optimization

TK413.4

A

1672-545X（2017）04-0009-03

2017-01-02

張文孝（1963-），男，吉林德惠人，工學博士，大連海洋大學教授，研究方向為“內燃機性能研究”。