某型柴油機熱力學計算分析

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的熱力學模型，對比柴油機脈沖轉換排氣方案、MPC排氣方案兩種排氣系統的整機性能參數，優化出一種方案，在此方案基礎上，進行不同渦流比情況下的推進特性計算，得出一系列性能參數，為氣道的優化設計提供指導。

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.

關鍵詞：柴油機;熱力學計算;推進特性

Key words： diesel engine;thermodynamic calculation;propulsive characteristic

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

0? 引言

柴油機工作過程很復雜，其性能受進氣流動、排氣流動、缸內工質混合及燃燒過程等影響，并由其相互作用所決定。傳統熱力計算往往基于經驗值，誤差較大，不能全面反映柴油機實際工作情況，已經不能滿足高增壓柴油機越來越高的設計和控制要求。隨著計算機技術的發展，在柴油機設計時我們可以利用比較成熟的性能分析軟件，建立柴油機的熱力學模型，通過仿真計算得到柴油機綜合參數以及整機性能，縮短開發周期，提高設計效率。

本文利用奧地利AVL公司的boost軟件建立某型柴油機的熱力學模型，對比柴油機脈沖轉換排氣方案、MPC排氣方案兩種排氣系統的柴油機整機性能參數，優化出一種方案，在優化出的方案基礎上，進行不同渦流比情況下的推進特性計算，得出一系列性能參數，為氣道的優化設計提供指導。

1? 柴油機工作過程模擬的理論基礎

柴油機進排氣管系內及缸內的氣體流動很復雜，具有明顯的三維流動特征。在推導氣體流動的基本方程時可以簡化假定：當流動空間的軸向幾何尺寸比徑向幾何尺寸大很多時，可以認為流動空間內氣體流動是一維的，對于每一流體參量，均可用相應管截面上的平均值來代替。柴油機的一維整機模型主要包括缸內系統、進排氣管道系統及增壓系統。缸內系統的計算模型建模時為了描述氣缸內工質狀態變化，可視氣缸為一個整體系統，系統的邊界由活塞頂、氣缸蓋及氣缸套諸壁面組成，邊界因素通過邊界條件進行控制;柴油機缸內工作過程計算時燃燒模型采用Vibe函數;柴油機模型參數主要設定溫度、壓力、流量系數和空燃比A/F等參數。

2? 柴油機仿真分析

2.1 柴油機基本結構參數? 柴油機氣缸數、燃油消耗率、沖程、結構型式、缸徑、沖程等基本結構參數見表1。

2.2 排氣方案對比? 柴油機排氣系統的基本型式有脈沖增壓系統、定壓增壓系統及MPC增壓系統，每一種增壓系統都各有優缺點，需根據具體場合選用。

本文利用AVL公司的boost軟件，分別建立脈沖轉換排氣方案和MPC排氣方案兩種排氣方案的熱力學計算模型。某型柴油機為16缸，V型夾角60°，將氣缸上下兩排布置，發火順序按照實際發火順序設定。進氣過程：大氣到壓氣機到氣缸蓋進氣道到空冷器到進氣管到氣缸;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：進氣管路、排氣管路、渦輪增壓器、氣缸、中冷器等。

建模后，輸入環境邊界條件（溫度、壓力、空燃比等）、測點位置、柴油機基本參數以及零部件結構參數等。在規定工況下運行該模型，通過分析得到燃油消耗率、渦前排溫、渦后排溫、過量空氣系數等性能參數。

兩種熱力學計算模型排氣方案結果對比如表2所示。

從表2中不難看出，MPC排氣方案明顯優于脈沖轉換排氣方案，原因是采用MPC排氣方案時，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 推進特性計算? 利用前面所建立的MPC排氣方案模型進行某型16缸柴油機25%、50%、75%、100%、110%、120%工況下推進特性的計算，得出一系列性能參數，具體參見圖1～圖4。

3? 結論

本文利用AVL-BOOS軟件建立模型，對比兩種排氣方案，在優選出的排氣方案基礎上進行了不同渦流比的計算，最后進行了不同工況下的推進特性仿真分析。從仿真結果中可以看出，某型柴油機在100%工況下燃油消耗率為202.5g/kWh，比目標值205 g/kWh低2.5g/kWh，經濟性能較好，動力性有較大提高。120%工況時最大爆發壓力為162bar，比限制值170 bar低8bar。只有對排氣系統進行優化設計，才能保證柴油機具有更加良好的性能，BOOST計算結果從理論上證明MPC排氣方案可以滿足柴油機的性能要求，可以為后期該型柴油機優化設計提供一定的理論依據。最終，需要結合試驗數據對模型進行驗證與修正。

參考文獻：

[1]任素慧.機車柴油機的高原工作過程數值模擬[D].西南交通大學，2007.

[2]芮鵬.高強化柴油機性能優化及可調渦輪增壓系統匹配的仿真研究[D].北京交通大學，2007.

[3]鄭清平，徐行軍.天然氣發動機冷卻水套CFD分析.

[4]趙以賢，畢小平，王普凱，劉西俠.車用內燃機冷卻系的流動與傳熱仿真[J].內燃機工程，2003，4（04）：1-5.

[5]高孝洪.內燃機工作過程數值計算.

[6]王偉濤.增壓柴油機進氣系統仿真研究.