不同轉速與負荷條件下軍用柴油機性能預測與分析

劉建敏， 董　意， 王普凱， 劉艷斌， 韓立軍

(1. 裝甲兵工程學院訓練部, 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院機械工程系, 北京 100072)

不同轉速與負荷條件下軍用柴油機性能預測與分析

劉建敏1， 董意2， 王普凱2， 劉艷斌2， 韓立軍2

(1. 裝甲兵工程學院訓練部, 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院機械工程系, 北京 100072)

摘要：為提高軍用柴油機的使用壽命和工作效率，充分發揮其作戰效能，利用GT-power軟件建立了某軍用柴油機的工作過程模型，結合實車試驗數據驗證了其準確性。利用該模型計算分析了柴油機在不同轉速下的功率、油耗、進/排氣，以及缸內氣體的溫度、壓力等參數的變化規律，在此基礎上進一步分析了柴油機在不同轉速和負荷條件下的性能變化趨勢，結果表明：該柴油機在轉速大于1 500 r/min和較大負荷工況下工作狀態較好，整體上滿足了軍用車輛的使用需求。

關鍵詞：柴油機； 工作過程； 變轉速； 變負荷； 性能

柴油機作為軍用車輛的主要動力系統，其在不同工況條件下的工作狀態直接影響著車輛的作戰性能。而軍用車輛的工作環境和特點決定了其動力系統必須在全工況條件下保持良好的狀態，以滿足其使用需求。因此，研究柴油機在不同轉速和負荷條件下的工作狀態，對最大限度地發揮柴油機效能、滿足車輛使用需求具有重大意義。

根據實車或臺架試驗來計算分析柴油機在不同工況下工作狀態，不僅周期長、成本高，而且試驗結果受測量儀器、外界因素影響較大[1]。相對而言，虛擬仿真方法不僅可節約成本、縮短時間，而且對不同工況的模擬更加全面，只需少量試驗數據就可驗證模型的準確性，其應用越來越廣泛[2]。于佳[3]利用GT-power軟件對TY3100非道路用柴油機進行了建模仿真，詳細分析了進/排氣管路、柴油機的結構參數等對其性能的影響，并有針對性地提出了優化改進意見；但相較軍用柴油機，非道路用柴油機的工作環境決定了其功率相對較小、工作時負荷變化不如前者明顯。王紅紅[4]利用AVL-BOOST軟件對某船用柴油機進行了建模仿真，分別選取在標準工況和部分負荷的情況下分析了不同壓縮比對其性能的影響，最后提出了最佳壓縮比的取值范圍；但船用與軍用車輛柴油機在工作環境和冷卻方式上有很大差別，結論不具通用性。鄭廣勇等[5]利用GT-power和Simulink軟件建立了發動機瞬態過程仿真平臺，基于此平臺提出了通過改進增壓器設計來改善發動機性能的優化方案；但此研究側重于瞬態性能和增壓器的改進方面，對變負荷條件和整機性能涉及不多。整體而言，研究者針對不同型號柴油機進行了很多性能分析方面的有益探索，但由于功率、工作環境等方面的巨大差異，不同柴油機的變轉速和變負荷性能差異很大，因此需要對具體機型進行單獨研究。

在上述研究的基礎上，筆者提出利用內燃機一維模擬仿真軟件GT-power對某軍用柴油機在不同轉速和負荷條件下的各個性能參數進行計算，分析該柴油機在不同轉速和負荷條件下的性能狀態，以期為最大限度地發揮柴油機效能、提高車輛的作戰性能提供依據。

1理論分析

1.1缸內燃燒

柴油機缸內燃燒過程的計算采用三韋伯燃燒放熱模型[6]，該模型將缸內燃燒過程分為預燃、主燃和尾燃3個階段，各個階段的燃燒放熱參數計算公式依次為

θ時刻的燃燒放熱com(θ)為

com(θ)=ηFy[1-e-WCy(θ-α-β)Ey+1]+

ηFm[1-e-WCm(θ-α-β)Em+1]+

ηFt[1-e-WCt(θ-α-β)Et+1]。

式中：α為噴油提前角；β為噴射持續時間；Dy為預混合燃燒持續時間；Dm為主燃持續時間；Dt為尾燃持續時間；Fy為預混合燃燒階段消耗燃油百分數；Fm為主燃燒階段消耗燃油百分數；Ft為尾燃階段消耗燃油百分數；Ey為預混指數；Em為主燃指數；Et為尾燃指數；η為柴油機缸內燃燒的燃燒效率。

王洋等[7]研究表明：缸內燃燒參數值對工作過程的影響很小。因此，筆者設定缸內燃燒參考值，具體數值如表1所示。

1.2氣體流動

對于進入氣缸的新鮮空氣以及燃燒后排出的高溫廢氣，需要確定其流動的連續方程、動量方程和能量方程，進而求解進/排氣體的流動狀態，計算公式[8]依次為

1.3渦輪增壓器

渦輪和增壓器的工作狀態是通過其特性曲線(MAP圖)對應得到的，它們的特性曲線包含了一系列的氣體流速、壓差、質量流量和工作效率等數據，用來描述渦輪和增壓器在不同工況下的工作狀態[9]。工質通過壓氣機和渦輪進/出口處的焓hin/hout、等熵焓變Δhs、功率P及渦輪入口處的總溫Ttotal, in計算公式分別如下：

1)壓氣機：

2)渦輪:

2模型的建立及驗證

2.1模型的建立

該柴油機主要應用于某軍用車輛，采用一級渦輪增壓裝置和中冷器對新鮮沖量進行增壓和冷卻，柴油機的主要結構和性能參數如表2所示。

表2　柴油機主要結構和性能參數

筆者基于GT-power軟件建立了該軍用渦輪增壓柴油機一側氣缸排的工作過程模型，其中主要包括外界大氣環境、進/排氣管路、渦輪增壓裝置、中冷

器、進/排氣閥、燃燒室和曲軸箱等。在建模過程中，對空氣濾清器、高壓柴油泵、曲軸、曲柄連桿及其他傳動機構和冷卻散熱系統進行了簡化處理。圖1為柴油機工作過程模型，其中：新鮮空氣從進口處進入柴油機，經渦輪增壓器的壓縮機壓縮后流經進氣管進入進氣歧管，而后在缸內與柴油混合燃燒，產生的熱量一部分轉化為機械能以扭矩的形式輸出，一部分傳給缸內固體部件由冷卻系統散走，其余部分隨尾氣經排氣歧管、渦輪排放到大氣中。

圖1　柴油機工作過程模型

2.2模型的驗證

在100%的負荷下，分別選取800、1 500、2 200 r/min三種轉速下的計算值與試驗值進行對比驗證，結果如表3所示。可以看出：除進氣壓力(進氣壓力隨曲軸轉角變化幅度較大，由于采樣頻率和計算周期不同，易造成兩者平均值的誤差較大)以外，其余參量計算值和試驗值之間的誤差均在5%以內[10]，證明了模型的準確性。

表3　試驗值與計算結果對比驗證

3不同轉速條件下的性能分析

在100%負荷條件下，分別選取800、1 200、1 500、1 800、2 200 r/min等全部或部分轉速計算分析柴油機的功率、燃油消耗率、進/排氣壓力和溫度，以及缸內壓力、溫度等狀態參數的變化規律。

圖2為柴油機功率隨轉速的變化曲線，可以看出：隨著轉速升高，柴油機功率逐漸增大，800 r/min時柴油機功率最小，為82.5 kW；在2 200 r/min時柴油機功率最大，為333.5 kW。

圖3為柴油機的燃油消耗率隨轉速的變化曲線，可以看出：隨著轉速升高，柴油機的油耗先呈下降趨勢而后保持穩定，轉折點發生在1 500 r/min。上述現象說明：當轉速小于1 500 r/min時，柴油機熱效率較低、經濟性較差，但隨轉速增大，各項性能逐漸好轉；當轉速大于1 500 r/min時，柴油機的工作狀態趨于穩定，即在1 500～2 200 r/min之間柴油機均工作在高效區。

圖2　柴油機功率隨轉速變化曲線

圖3　柴油機燃油消耗率隨轉速變化曲線

圖4為柴油機的進氣壓力和溫度隨轉速的變化曲線，可以看出：在低轉速區工作時，進氣壓力較低且隨轉速增大顯著增加；在高轉速區工作時，進氣壓力和進氣溫度隨轉速升高變化不大。這主要是因為：對進氣壓力影響較大的增壓器在低轉速區隨轉速升高工作能力明顯增強，在高轉速區工作能力保持穩定；而與進氣溫度關系較大的中冷器冷卻能力與轉速關系不大。

圖4　柴油機進氣壓力和溫度隨轉速變化曲線

圖5為柴油機排氣壓力和溫度隨轉速的變化曲線,可以看出：排氣壓力和溫度均隨轉速增加而增大，且柴油機轉速高于1 500 r/min后排氣溫度變化幅度較小。結合功率、油耗、進氣壓力的變化規律可知:1 500 r/min為柴油機工作狀態的臨界點，即低于此轉速工作時柴油機各性能參數都相對較差，高于此轉速時柴油機趨于高效穩定的工作狀態。

圖5　柴油機排氣壓力和溫度隨轉速變化曲線

由于轉速1 500 r/min為柴油機工作狀態臨界點，因此選取轉速800、1 500、2 200 r/min時的缸內瞬時平均壓力和溫度隨曲軸轉角的變化規律進行分析，結果分別如圖6、7所示。由圖6可見：800 r/min時的缸內壓力明顯小于后兩者，說明800 r/min時缸內燃燒狀況相對高轉速時惡化較為嚴重。由圖7可以看出：在800 r/min時柴油機的缸內溫度最高，其次是2 200 r/min，而1 500 r/min時缸內溫度最低。這是因為：1)轉速為800 r/min時缸內燃燒不良，導致油耗增加、熱效率降低，柴油燃燒放出的熱量傳給燃燒室壁面和由廢氣帶走的比例增加；2)與轉速1 500 r/min相比，轉速2 200 r/min時柴油機單位時間工作循環多，熱量積累和熱慣性使得燃燒室周圍高溫部件的溫度相對較高，則燃氣傳給這些部件的熱量會有所降低。

圖6　不同轉速下柴油機缸內瞬時平均壓力隨曲軸轉角變化曲線

圖7　不同轉速下柴油機缸內瞬時平均溫度隨曲軸轉角變化曲線

4不同負荷條件下的性能分析

在800、1 200、1 500、1 800、2 200 r/min 五種轉速的基礎上分別選取25%、37%、50%、75%、83%、100%六種負荷，計算分析柴油機的功率、進氣壓力、缸內最大爆發壓力和排氣溫度等性能參數的變化規律。圖8為不同轉速下柴油機功率隨負荷的變化曲線,可以看出：隨著轉速和負荷的增大，柴油機功率逐漸增大；且轉速越高，柴油機功率隨負荷的增長幅度越大。

圖8　不同轉速下柴油機功率隨負荷變化曲線

圖9為不同轉速下柴油機的進氣壓力隨負荷的變化曲線，可以看出：隨著轉速和負荷的增加，柴油機的進氣壓力呈上升趨勢；柴油機在1 500 r/min轉速以上、高于80%負荷的狀態下工作時進氣壓力趨于穩定，說明此時壓氣機穩定工作在高效區，也說明了該壓氣機是針對柴油機高轉速、大負荷工況進行匹配的。

圖9　不同轉速下柴油機進氣壓力隨負荷變化曲線

圖10為不同轉速下柴油機缸內最大爆發壓力隨負荷的變化曲線，可以看出：除轉速為800 r/min外，其余工況下缸內最大爆發壓力隨轉速和負荷的變化趨勢大致相同，且100%負荷時不同轉速下的最大爆發壓力趨于穩定；轉速為800 r/min時的缸內最大爆發壓力較小，說明該轉速下柴油機缸內燃燒狀況較為惡劣[11]，也表明柴油機的功率和輸出扭矩都較小，工作狀態較差。

圖10　不同轉速下柴油機缸內最大爆發壓力隨負荷變化曲線

圖11為不同轉速下柴油機排氣溫度隨負荷的變化曲線，可以看出：排氣溫度隨轉速和負荷的變化趨勢與柴油機功率、進氣壓力、缸內最大爆發壓力相同，都是隨轉速和負荷增加而逐漸增大；同時轉速為800 r/min時的排氣溫度較低，與功率、進氣壓力、缸內最大爆發壓力的情況相同，說明該轉速下柴油機的工作狀況較為惡劣。

圖11　不同轉速下柴油機排氣溫度隨負荷變化曲線

5結論

筆者基于GT-power軟件建立了某軍用柴油機的工作過程模型，并分析了其在不同轉速及負荷條件下工作時的性能參數，其主要結論如下：

1) 轉速低于1 500 r/min或負荷低于80%時，該柴油機工作狀態較差，表現為缸內燃燒狀況惡劣、油耗較大、功率偏低；高于此轉速或負荷后柴油機各項性能指標趨于穩定，工作狀態較為理想。這一特點與軍用車輛在野外惡劣環境下高速機動的使用需求基本吻合。但為了提高柴油機的可靠性和使用壽命，應盡量避免柴油機長時間在低轉速狀態下工作。

2) 針對在低轉速和小負荷狀態下柴油機工作狀態較為惡劣的情況，下一步應該結合噴油正時、配氣相位、循環供油量等參數及渦輪增壓裝置與柴油機的匹配等方面的問題對整機進行優化改進研究。

3) 受試驗數據的制約，筆者只在100%的負荷條件下對模型進行了驗證，為保證模擬精度和預測的可靠性，下一步應多選取幾種有代表性的工況進行實車試驗驗證。

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(責任編輯: 尚菲菲)

Performance Prediction and Analysis of Military Diesel Engine under Different Speed and Load Conditions

LIU Jian-min1, DONG Yi2, WANG Pu-kai2, LIU Yan-bin2, HAN Li-jun2

(1. Department of Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract：In order to improve the service life and work efficiency of military diesel engine, the operational efficiency is fully operational, the working process model of certain military diesel engine based on the GT-power software is established, and the accuracy is verified with the experiment data. The parameter change law of the diesel engine such as power, oil wear, behavior of inflow and outflow at variable speed is calculated and analyzed using the working model, and on this basis the diesel engine performance change direction is analyzed under different speed and load conditions. Results show that the diesel engine works well when the speed is above 1 500 r/min or the load is larger, which can meet the using need of military vehicle.

Key words:diesel engine; working process; variable speed; variable load; performance

文章編號：1672-1497(2016)02-0036-06

收稿日期：2015-12-21

基金項目：國家“973”計劃項目

作者簡介：劉建敏(1963-)，男，教授，博士。

中圖分類號：TK421

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.008