柴油機可調兩級渦輪增壓系統一維仿真建模及驗證

彭海勇,武濤,張海波,張寶川,沈笠

1.上海工程技術大學 機械與汽車工程學院,上海 201620;2.上海交通大學 動力機械與工程教育部重點實驗室,上海 200240

0 引言

全球能源和環境問題日益嚴峻,對柴油機技術的發展提出了新的挑戰,柴油機強化程度越來越高,提高柴油機增壓壓比、進一步增大循環進氣量是提高柴油機功率密度、降低排放的有效措施[1]。傳統的單增壓器增壓系統很難滿足現代柴油機對高增壓的需求,很難兼顧復雜多變的柴油機工況。為解決單增壓器系統存在的問題,研究人員提出了相繼增壓系統和可調兩級增壓系統。自20世紀60年代末開始,研究人員針對兩級渦輪增壓系統在大功率柴油機上的應用開展了大量的研究[2-6],經過幾十年的發展,可調兩級增壓系統已經進入了產品化階段[7-9]。此外,研究人員還將可調兩級增壓系統與米勒循環、廢氣再循環、可變截面渦輪增壓(variable geometry turbocharger,VGT)等技術結合,對兩級增壓系統的應用進行更深入的研究[10-15]。

可調兩級增壓系統能夠實現較高的增壓壓力,提高柴油機廢氣利用率,改善柴油機在低工況時的性能,提高發動機瞬態工況時的動態響應特性。由于旁通閥能夠實現對增壓系統的連續調節,可調兩級增壓系統能夠有效改善柴油機在工況變化時功率輸出變化的平順性[16-17]。柴油機工況復雜多變,動態工況下旁通閥控制策略的優化設計是關鍵,采用仿真計算的方法是研究可調兩級增壓系統的動態控制策略的有效手段之一[18]。仿真計算可以大大降低柴油機動態工況試驗的成本和難度,計算結果可以為發動機瞬態工況控制策略的臺架試驗提供重要的參考價值。

本文中針對某WP7柴油機,采用GT-Power軟件建立可調兩級增壓系統的仿真模型,根據試驗結果對該模型進行驗證,為可調兩級增壓系統柴油機瞬態工況控制策略研究提供指導。

1 研究對象及系統組成

某WP7柴油機基本參數如表1所示,采用的可調兩級增壓系統管路連接示意如圖1所示。

表1 WP7柴油機基本參數

圖1 可調兩級增壓系統管路連接示意圖

可調兩級增壓系統由高壓級和低壓級2個渦輪增壓器串聯組成;高壓級和低壓級增壓器之間接入1個壓間中冷器,用來對低壓級增壓器增壓后的進氣進行冷卻;高壓級增壓器后接入1個高壓級中冷器,用來對經兩級增壓后的進氣進行冷卻,提高發動機的進氣量;在高壓級渦輪旁安裝1個旁通閥對增壓系統進行調節。

2 穩態仿真模型建立及試驗驗證

2.1 仿真模型的建立

采用GT-Power軟件建立的可調兩級渦輪增壓系統柴油機一維仿真模型如圖2所示。由圖2可知:整個系統模型由可調兩級增壓系統、進氣系統、排氣系統、曲軸箱及氣缸等模塊構成,其中,氣缸模塊是整個模型的關鍵,其參數設置是影響仿真計算結果準確性的關鍵因素之一。缸內燃燒采用韋伯燃燒模型,韋伯模型公式相對簡單,需設置的參數較少,在模擬發動機缸內實際放熱過程時計算精度較高,計算速度和收斂速度較快,在發動機仿真計算和優化設計中得到廣泛應用。韋伯模型需設置的參數主要包括著火延遲角、預混燃燒比例、后燃比例、預混燃燒持續期、主燃持續期和后燃持續期等。

圖2 可調兩級增壓系統柴油機一維仿真模型

發動機標定工況下燃燒模型主要參數設置如表2所示。

表2 標定工況下韋伯燃燒模型設置參數

2.2 穩態模型的試驗驗證

在對仿真模型進行驗證時,選擇外特性工況和推進特性工況下的發動機油耗率、進氣壓力及渦輪前排氣溫度3個參數進行對比驗證。

本次仿真中選取的發動機外特性工況點示意如圖3所示。外特性工況下發動機油耗率、進氣壓力、渦前排溫的穩態計算和試驗結果對比如圖4所示,各參數試驗和計算結果的相對誤差如圖5所示。

圖3 原機外特性工況點

由圖4可知:在外特性工況下,穩態仿真計算和試驗結果差別不大,而且隨轉速增大的變化趨勢非常一致。由圖5可知:油耗率的仿真計算和試驗結果最大相對誤差為2.95%,進氣壓力的最大相對誤差為4.96%,渦前排氣溫度的最大相對誤差為4.89%。

圖4 外特性工況發動機油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩態仿真計算與試驗結果對比

圖5 外特性工況發動機油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩態計算與試驗結果相對誤差

為進一步確認模型的可靠性,對部分推進特性工況下發動機的油耗率、進氣壓力和渦前溫度進行對比驗證分析。選取推進特性的全負荷工況為1 500 r/min時的外特性工況,其他工況點則根據發動機的推進特性計算得到。選取的推進特性工況點如圖6所示。

圖6 模型驗證計算工況點

推進特性工況下,發動機油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩態仿真與試驗結果的對比如圖7所示,相對誤差如圖8所示。由圖7、8可知:在推進特性工況下,油耗率、進氣壓力和渦前溫度的計算和試驗結果在數值上非常接近;油耗率的仿真和試驗計算結果相對誤差最大為2.86%,進氣壓力的最大相對誤差為4.01%,渦前排氣溫度的最大相對誤差為4.86%。

圖7 推進特性工況發動機的油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩態仿真與試驗結果對比

圖8 推進特性工況發動機的油耗率、進氣壓力、渦前排溫穩態仿真與試驗結果相對誤差

根據以上分析,外特性和推進特性工況下,發動機的油耗率、進氣壓力和渦前溫度的穩態試驗和計算結果在數值和變化趨勢上均非常接近,最大相對誤差均小于5%。因此,所建立的一維仿真模型與實際系統相符,仿真結果具有較高的精度和可靠性,該模型可應用于可調兩級增壓系統柴油機穩態性能的仿真研究。

3 瞬態仿真模型建立及試驗驗證

3.1 瞬態仿真模型建立

穩態仿真時,仿真模型的轉速、燃燒模型參數、供油參數等相關參數均維持恒定不變;發動機在瞬態工況下,轉速、噴油參數及燃燒模型參數等隨循環變化而發生改變,進行瞬態工況仿真計算時,仿真模型應根據發動機實際工況的變化對相關參數進行動態調整,實現對發動機實際瞬態工況過程的模擬。進行發動機一維仿真計算時,缸內燃燒模型是決定仿真精度和可靠性的關鍵因素。在瞬態工況下,由于工況變化,噴油參數、轉速等邊界條件發生改變,實際的缸內燃燒過程必然會發生變化。這種工況變化導致發動機出現非穩定的過渡過程在增壓柴油機上的表現得更加突出。這主要是由于工況突變時,增壓器存在一定的響應滯后造成的。因此,在瞬態工況仿真計算時,若缸內燃燒模型的相關參數采用恒定值,仿真計算無法真實模擬發動機瞬態過程,無法得到正確結果。

進行瞬態工況仿真計算時,在穩態試驗結果的基礎上,基于轉速和噴油量的變化對各穩態工況下的韋伯燃燒模型的相關參數進行標定,得到燃燒模型各參數隨噴油量和轉速變化的map圖;然后根據瞬態仿真計算過程中每個計算循環得到的轉速和噴油量結果查燃燒模型各參數的map圖,得到對應循環的燃燒模型韋伯參數,并對燃燒模型進行實時循環更新,模擬瞬態工況下發動機缸內燃燒過程的循環變化。除對燃燒模型參數做出調整外,進行瞬態工況仿真時,應對模型的相關參數進行調整。利用GT-Power軟件進行發動機一維仿真計算時,穩態工況下的轉速為恒定值,進行穩態計算時,計算模式通常設為轉速模式;瞬態工況下,轉速通常由計算得到的發動機輸出功率和測功機測量得到的負荷、轉矩共同確定,在瞬態工況模擬時,計算模式通常采用轉矩模式。

瞬態仿真計算中設置模型相關參數時,計算步長應采用基于時間的方式。模型輸入的一些實時動態參數,如瞬態工況下實時測量得到的發動機轉矩和噴油量等,也是基于時間采樣得到的實際測量結果。此外,在模擬計算發動機加速等瞬態工況時,首先使各循環參數在初始工況下達到穩定,然后調整發動機轉矩、循環噴油量等參數模擬相應瞬態工況的實際變化。因此,在進行瞬態工況仿真計算時,應關閉仿真軟件中以收斂條件作為計算自動結束的默認設置。在計算結果輸出設置中,應選擇保存各計算結果基于時間的實時變化值。

3.2 瞬態仿真模型的試驗驗證

在推進工況條件下,主要對瞬態過程的進氣壓力、轉矩及轉速的計算結果進行對比分析。本研究中試驗臺架為電渦流測功機臺架,試驗結果較難準確反映柴油機推進特性的螺旋槳工況。為了驗證柴油機在推進特性下的瞬態燃燒模型和渦輪增壓器模型的可靠性,將試驗得到的轉速和循環噴油量導入到一維仿真模型中,在轉速計算模式下,得到瞬態工況下轉矩和進氣壓力。瞬態工況下發動機轉矩、進氣壓力的仿真與試驗結果對比如圖9所示。

a)轉矩 b)進氣壓力

為了更真實地模擬實際工況,將試驗測量的瞬態工況下發動機的輸出轉矩代入一維仿真模型的轉矩模塊,對柴油機在瞬態過程中的轉速變化進行計算,并與試驗測量結果進行對比,如圖10所示。由圖10可知:發動機瞬態工況下的轉速計算與試驗結果非常接近;工況過渡區間,轉速波動變化趨勢非常接近;這說明瞬態工況下的轉速計算結果具有一定的準確度。

圖10 動態工況下轉速仿真與試驗結果對比

由以上分析可見,在整個瞬態工況過程中,仿真計算和試驗得到的轉矩、轉速及增壓壓力結果及其變化趨勢均有非常好的一致性,利用該模型進行瞬態工況下可調兩級增壓系統的控制策略仿真研究有很好的指導意義。

4 結論

基于WP7柴油機,運用GT-Power軟件建立了安裝有可調兩級增壓系統的柴油機仿真計算模型,并對模型計算結果進行了驗證。

1)穩態工況下,可調兩級增壓系統仿真模型計算與試驗結果對比表明,仿真和試驗結果有較好的一致性,油耗率相對誤差為2.95%,進氣壓力相對誤差為4.96%,渦前溫度相對誤差為4.89%,可以利用該模型進行可調兩級增壓系統柴油機穩態性能的仿真研究。

2)瞬態工況下,可調兩級增壓系統仿真模型計算與試驗結果有較好的一致性,計算轉矩、轉速和增壓壓力與試驗的結果相差較小;在整個瞬態工況過程中,試驗和計算得到的轉矩、轉速及增壓壓力結果變化趨勢的一致性非常好,利用該模型進行瞬態工況下可調兩級增壓系統的控制策略仿真研究有很好的指導意義。

3)瞬態工況仿真計算過程中,根據瞬時循環轉速和噴油量結果,對由穩態工況的燃燒模型標定得到的韋伯模型參數map進行查表,得到瞬時燃燒模型參數,實現燃燒模型的動態改變;瞬態燃燒模型可以較好地模擬瞬態工況下的缸內燃燒變化過程。