變海拔環(huán)境下柴油機性能仿真研究

景 琦，駱清國

(陸軍裝甲兵學院 車輛工程系， 北京 100072)

裝甲車輛行駛地域廣闊，行駛工況多變復雜，而柴油機作為車輛行駛動力的重要來源，其可靠性是車輛完成作戰(zhàn)任務的重要保證[1-3]。在我國西部地區(qū)，高原、山地分布廣闊，在高原地區(qū)，當海拔從0 m上升到5 000 m時，空氣密度下降41.7%，大氣壓力下降48.6%，氣壓的降低對柴油機的燃燒狀況造成惡劣的影響，容易造成功率下降、排氣溫度過高、燃油經(jīng)濟性下降等問題[4-5]。

為了解決這一問題，研究者采用高原實地試驗或在實驗室搭建發(fā)動機海拔模擬試驗平臺的方法來探究柴油機高原性能變化情況[6-7]。Xin Wang等將柴油機測試臺架安裝在卡車上，實現(xiàn)了在不同海拔高度上移動測量發(fā)動機性能變化規(guī)律的目的[8]。Z.C.Kan等在實驗室搭建了模擬高原環(huán)境的發(fā)動機測試系統(tǒng)，進行了冷啟動過程中影響柴油機燃燒因素的研究[9]。Szedlmayer，M.在美國陸軍建立的小型發(fā)動機海拔研究實驗室內(nèi)對直噴式渦輪增壓柴油機進行試驗，獲得了在變海拔條件下，發(fā)動機燃燒和性能的變化規(guī)律[10]。高榮剛等利用仿真軟件FIRE對不同海拔條件下柴油機缸內(nèi)燃燒過程進行了三維仿真模擬[11]。

綜上可知，利用試驗方法對柴油機高原性能變化規(guī)律進行研究存在著測試投入大、試驗周期長等問題。因此，本文基于發(fā)動機一維仿真軟件GT-Power，利用試驗與仿真相結合的手段，將特定工況下的柴油機試驗數(shù)據(jù)用于校正發(fā)動機工作過程模型，仿真研究了海拔變化對柴油機燃燒特性以及整機動力性及經(jīng)濟性的影響規(guī)律。

1 柴油機數(shù)值仿真基本理論

柴油機的工作循環(huán)是周期性的將燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的過程，它由活塞運動行程的進氣、壓縮、膨脹和排氣等多個重復進行的過程組成。

將柴油機氣缸視作一個熱力系統(tǒng)，根據(jù)能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程及氣體狀態(tài)方程，在GT-Power上對缸內(nèi)的熱力過程進行建模。

缸內(nèi)能量守恒方程：

(1)

式中：φ為曲軸轉(zhuǎn)角；m為氣缸內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量；u為氣缸內(nèi)的工質(zhì)內(nèi)能；V為缸內(nèi)容積；p為氣缸內(nèi)的工質(zhì)壓力；QB為燃料燃燒放熱量；QW為通過系統(tǒng)邊界的熱損失；he為排出氣缸廢氣的焓值；dme/dφ為排出氣缸廢氣的質(zhì)量流量。

缸內(nèi)質(zhì)量守恒方程：

(2)

式中：mB為燃油噴射質(zhì)量；mi為進氣質(zhì)量；me為排氣質(zhì)量。

假設缸內(nèi)工質(zhì)為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程：

pVS=mRT

(3)

式中：R為氣體狀態(tài)常數(shù)；p為工質(zhì)壓力；T為工質(zhì)溫度。

采用Hiroyasu準維油滴蒸發(fā)燃燒模型，該模型指出燃燒速率主要由油滴蒸發(fā)速率控制，油滴的蒸發(fā)將延續(xù)到大部分的燃燒過程。

假設空氣與油滴的速度相同，則有：

mfijuni=(mfij+maij)uij

(4)

式中：mfij為各區(qū)燃油質(zhì)量；uni為第i個時間步長中噴孔出口速度；uij為第(i，j)區(qū)的瞬時速度。

各區(qū)所含有的燃油蒸汽質(zhì)量為：

(5)

式中：SMDi為各區(qū)(i，j)在所計算時刻的油滴索特平均直徑；N為油滴群的顆粒數(shù)。

各區(qū)的當量燃油空氣比Fij可按下式確定，即：

(6)

式中：mjv為燃油蒸汽質(zhì)量；fsz為理論燃空比。

著火以后的油滴燃燒率ψB的計算式為：

(7)

式中：Bf為傳質(zhì)系數(shù)。

2 柴油機模型的建立與驗證

2.1 模型建立

假設工質(zhì)為理想氣體，缸內(nèi)工質(zhì)混合均勻且完全燃燒，氣體流動過程為準穩(wěn)態(tài)流動過程。缸內(nèi)燃燒模型選擇廣安博之模型，缸內(nèi)傳熱采用沃西尼公式，利用GT-Power自帶的增壓器和渦輪模塊，并將其對應的流量特性、效率特性曲線輸入模型。

利用該型柴油機自身參數(shù)建立GT-Power模型，如圖1所示。本文所研究的柴油機基本參數(shù)見表1，

圖1 柴油機工作過程模型示意圖

表1 柴油機基本參數(shù)

2.2 驗證

為了驗證GT模型的準確性，在大氣壓力為89.3 kPa，溫度為25.8 ℃，濕度為63%的環(huán)境下對該型號柴油機進行了臺架試驗，試驗裝置如圖2所示。

圖2 柴油機臺架試驗裝置圖

分別選擇額定工況點(2 200 r/min)和最大扭矩工況點(1 500 r/min)的瞬時放熱率對試驗和仿真結果進行比較，如圖3、圖4所示，結果表明，仿真值與實驗值平均誤差為4.2%，滿足工程計算的精度要求，驗證了柴油機工作過程仿真模型的準確性。

圖3 額定工況瞬時放熱率試驗與仿真結果曲線

圖4 最大扭矩工況瞬時放熱率試驗與仿真結果曲線

3 仿真結果及分析

通過在GT-Power中改變環(huán)境壓力和溫度，達到模擬海拔高度變化的目的，分析柴油機性能和燃燒特性受海拔高度的影響規(guī)律。

3.1 海拔對動力性的影響

對柴油機高原環(huán)境動力性的分析主要集中在對功率下降的測量與分析上，功率隨海拔變化曲線如圖5所示。

圖5 柴油機功率隨海拔的變化曲線

由圖5可知，當海拔高度由0 m上升到4 500 m時，各工況下的功率都處于下降態(tài)勢，其中額定工況功率由402.3 kW下降到325.4 kW，下降了19.1%。在0 m到3 000 m時，功率每1 km下降4%，當海拔從3 000 m上升到4 500 m時，功率急劇增加，每1 km為11%。主要是由于海拔高度的升高，進氣密度降低，直接導致缸內(nèi)燃燒惡化，致使發(fā)動機功率下降。

3.2 海拔對經(jīng)濟性的影響

柴油機外特性工況下的燃油消耗率隨海拔的變化曲線如圖6所示。在保持海拔不變時，燃油消耗率隨著轉(zhuǎn)速的升高先減小后增大。隨著海拔的升高，柴油機的燃油消耗率呈現(xiàn)上升趨勢，同時低轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率增幅明顯，高轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率增幅相對較小。

圖6 柴油機燃油消耗率隨海拔的變化曲線

當柴油機轉(zhuǎn)速在1 800 r/min以下時，海拔高度從0 m升高到4 500 m，燃油消耗率平均升高15.8%；當轉(zhuǎn)速在1 800 r/min以上時，燃油消耗率平均升高7.2%。這是由于在低轉(zhuǎn)速時增壓器轉(zhuǎn)速下降受海拔高度的影響程度更高，進氣量不足，導致燃燒惡化程度加劇，從而降低了發(fā)動機的經(jīng)濟性。

3.3 海拔對燃燒的影響

柴油機受海拔變化影響所產(chǎn)生的性能衰減，主要是因為缸內(nèi)燃燒情況受到進氣密度的影響。因此，對缸內(nèi)燃燒情況進行仿真，仿真曲線如圖7所示。

圖7 柴油機最高燃燒壓力隨海拔的變化曲線

在同海拔高度下，隨著轉(zhuǎn)速的上升，缸內(nèi)最高燃燒壓力基本趨于定值，當海拔升高時，不同工況下的最高燃燒壓力呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為，隨著海拔高度的升高，進氣密度的降低致使缸內(nèi)燃燒不充分，最終導致缸內(nèi)最高燃燒壓力隨海拔的升高而降低的現(xiàn)象產(chǎn)生。

柴油機缸內(nèi)瞬時放熱率隨海拔高度的變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，隨著海拔高度的增加，瞬時放熱率的峰形變窄，且放熱率峰值不斷后移，說明隨著海拔的升高缸內(nèi)后燃現(xiàn)象加劇。此外，隨著海拔的升高燃燒始點后移，海拔高度每升高1 km，燃燒始點平均后移0.8 ℃A。

圖8 柴油機瞬時放熱率隨海拔的變化曲線

4 結論

1) 基于Hiroyasu燃燒模型和Woschni傳熱模型建立的GT-Power柴油機工作過程仿真模型在模擬柴油機變海拔環(huán)境下的性能變化規(guī)律時具有較高的準確性，有效地縮短了研究周期。

2) 海拔高度的變化對柴油機功率有顯著影響。具體表現(xiàn)為隨海拔的升高功率顯著降低，其中高海拔時功率下降幅度大于低海拔。

3) 隨海拔高度的增加，柴油機的燃油消耗率降低。在低轉(zhuǎn)速下燃油消耗率降低幅度高于高轉(zhuǎn)速燃油消耗率。

4) 隨海拔高度的增加，柴油機的燃燒開始惡化。最高燃燒壓力降低。海拔升高造成燃燒始點后移，最高瞬時放熱率增加，燃燒持續(xù)期延長，后燃現(xiàn)象嚴重。