某型柴油機(jī)熱力學(xué)計(jì)算分析

張金花 楊志輝 麻智杰 郭凱

摘要：本文利用AVL-boost軟件建立某型柴油機(jī)的熱力學(xué)模型，對比柴油機(jī)脈沖轉(zhuǎn)換排氣方案、MPC排氣方案兩種排氣系統(tǒng)的整機(jī)性能參數(shù)，優(yōu)化出一種方案，在此方案基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同渦流比情況下的推進(jìn)特性計(jì)算，得出一系列性能參數(shù)，為氣道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

Abstract： In this paper， the thermodynamic model of one diesel engine is established by using AVL-boost software， and the performance parameters of Pulse Conversion Exhaust System and MPC exhaust system are compared， a series of performance parameters are obtained by calculating the thrust characteristics under different swirl ratios， which can provide guidance for the optimum design of the port.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);熱力學(xué)計(jì)算;推進(jìn)特性

Key words： diesel engine;thermodynamic calculation;propulsive characteristic

中圖分類號：U664.142? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0079-02

0? 引言

柴油機(jī)工作過程很復(fù)雜，其性能受進(jìn)氣流動(dòng)、排氣流動(dòng)、缸內(nèi)工質(zhì)混合及燃燒過程等影響，并由其相互作用所決定。傳統(tǒng)熱力計(jì)算往往基于經(jīng)驗(yàn)值，誤差較大，不能全面反映柴油機(jī)實(shí)際工作情況，已經(jīng)不能滿足高增壓柴油機(jī)越來越高的設(shè)計(jì)和控制要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在柴油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)我們可以利用比較成熟的性能分析軟件，建立柴油機(jī)的熱力學(xué)模型，通過仿真計(jì)算得到柴油機(jī)綜合參數(shù)以及整機(jī)性能，縮短開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

本文利用奧地利AVL公司的boost軟件建立某型柴油機(jī)的熱力學(xué)模型，對比柴油機(jī)脈沖轉(zhuǎn)換排氣方案、MPC排氣方案兩種排氣系統(tǒng)的柴油機(jī)整機(jī)性能參數(shù)，優(yōu)化出一種方案，在優(yōu)化出的方案基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同渦流比情況下的推進(jìn)特性計(jì)算，得出一系列性能參數(shù)，為氣道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1? 柴油機(jī)工作過程模擬的理論基礎(chǔ)

柴油機(jī)進(jìn)排氣管系內(nèi)及缸內(nèi)的氣體流動(dòng)很復(fù)雜，具有明顯的三維流動(dòng)特征。在推導(dǎo)氣體流動(dòng)的基本方程時(shí)可以簡化假定：當(dāng)流動(dòng)空間的軸向幾何尺寸比徑向幾何尺寸大很多時(shí)，可以認(rèn)為流動(dòng)空間內(nèi)氣體流動(dòng)是一維的，對于每一流體參量，均可用相應(yīng)管截面上的平均值來代替。柴油機(jī)的一維整機(jī)模型主要包括缸內(nèi)系統(tǒng)、進(jìn)排氣管道系統(tǒng)及增壓系統(tǒng)。缸內(nèi)系統(tǒng)的計(jì)算模型建模時(shí)為了描述氣缸內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)變化，可視氣缸為一個(gè)整體系統(tǒng)，系統(tǒng)的邊界由活塞頂、氣缸蓋及氣缸套諸壁面組成，邊界因素通過邊界條件進(jìn)行控制;柴油機(jī)缸內(nèi)工作過程計(jì)算時(shí)燃燒模型采用Vibe函數(shù);柴油機(jī)模型參數(shù)主要設(shè)定溫度、壓力、流量系數(shù)和空燃比A/F等參數(shù)。

2? 柴油機(jī)仿真分析

2.1 柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)? 柴油機(jī)氣缸數(shù)、燃油消耗率、沖程、結(jié)構(gòu)型式、缸徑、沖程等基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

2.2 排氣方案對比? 柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的基本型式有脈沖增壓系統(tǒng)、定壓增壓系統(tǒng)及MPC增壓系統(tǒng)，每一種增壓系統(tǒng)都各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)具體場合選用。

本文利用AVL公司的boost軟件，分別建立脈沖轉(zhuǎn)換排氣方案和MPC排氣方案兩種排氣方案的熱力學(xué)計(jì)算模型。某型柴油機(jī)為16缸，V型夾角60°，將氣缸上下兩排布置，發(fā)火順序按照實(shí)際發(fā)火順序設(shè)定。進(jìn)氣過程：大氣到壓氣機(jī)到氣缸蓋進(jìn)氣道到空冷器到進(jìn)氣管到氣缸;排氣過程：氣缸到氣缸蓋排氣道到排氣管到渦輪機(jī)到大氣。在所建立的兩種排氣方案模型中，主要包括以下部分：進(jìn)氣管路、排氣管路、渦輪增壓器、氣缸、中冷器等。

建模后，輸入環(huán)境邊界條件（溫度、壓力、空燃比等）、測點(diǎn)位置、柴油機(jī)基本參數(shù)以及零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)等。在規(guī)定工況下運(yùn)行該模型，通過分析得到燃油消耗率、渦前排溫、渦后排溫、過量空氣系數(shù)等性能參數(shù)。

兩種熱力學(xué)計(jì)算模型排氣方案結(jié)果對比如表2所示。

從表2中不難看出，MPC排氣方案明顯優(yōu)于脈沖轉(zhuǎn)換排氣方案，原因是采用MPC排氣方案時(shí)，排氣能量利用率高，渦輪效率高，從而使得燃油消耗率下降，渦輪前后溫差增大。

2.3 推進(jìn)特性計(jì)算? 利用前面所建立的MPC排氣方案模型進(jìn)行某型16缸柴油機(jī)25%、50%、75%、100%、110%、120%工況下推進(jìn)特性的計(jì)算，得出一系列性能參數(shù)，具體參見圖1～圖4。

3? 結(jié)論

本文利用AVL-BOOS軟件建立模型，對比兩種排氣方案，在優(yōu)選出的排氣方案基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同渦流比的計(jì)算，最后進(jìn)行了不同工況下的推進(jìn)特性仿真分析。從仿真結(jié)果中可以看出，某型柴油機(jī)在100%工況下燃油消耗率為202.5g/kWh，比目標(biāo)值205 g/kWh低2.5g/kWh，經(jīng)濟(jì)性能較好，動(dòng)力性有較大提高。120%工況時(shí)最大爆發(fā)壓力為162bar，比限制值170 bar低8bar。只有對排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能保證柴油機(jī)具有更加良好的性能，BOOST計(jì)算結(jié)果從理論上證明MPC排氣方案可以滿足柴油機(jī)的性能要求，可以為后期該型柴油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。最終，需要結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證與修正。

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