關(guān)于某V型柴油機(jī)性能計(jì)算分析研究

陳　剛，程志軍，楊　亮，謝德錦

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林537005）

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關(guān)于某V型柴油機(jī)性能計(jì)算分析研究

陳剛，程志軍，楊亮，謝德錦

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林537005）

摘要：針對(duì)某款新開發(fā)的V型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，為確保設(shè)計(jì)之初就對(duì)性能進(jìn)行模擬計(jì)算分析，利用AVL Boost一維性能軟件對(duì)該機(jī)型進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)建立計(jì)算模型對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)、增壓器和氣門升程規(guī)律進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，得出初步性能結(jié)論，為后續(xù)試驗(yàn)開發(fā)提供了寶貴的數(shù)據(jù)并指導(dǎo)性能優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞：V型機(jī)；模擬；計(jì)算模型；性能預(yù)測(cè)

公司在某直列6缸柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)一種新型V型12缸船電用（兼顧車用）柴油機(jī)，但缸徑和行程不變，V型角度為90°，大部分零部件通用。本文主要介紹了該V型柴油機(jī)在設(shè)計(jì)和性能工作過(guò)程計(jì)算所進(jìn)行的一些主要工作，詳細(xì)描述了柴油機(jī)的熱力過(guò)程計(jì)算模型建立過(guò)程，以及在計(jì)算模型上開展的一系列柴油機(jī)性能參數(shù)計(jì)算和優(yōu)化工作。

1　研究概述

眾所周知，影響柴油機(jī)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)有很多，比如壓縮比、點(diǎn)火提前角、進(jìn)排氣管路結(jié)構(gòu)尺寸、增壓器選取等，這些參數(shù)的選取直接影響柴油機(jī)性能的性能好壞。為了在概念設(shè)計(jì)階段初步確定這些結(jié)構(gòu)參數(shù)，在該柴油機(jī)的開發(fā)過(guò)程中采用了大量的工作過(guò)程模擬計(jì)算，工作過(guò)程計(jì)算結(jié)果是否有工程使用意義，關(guān)鍵是計(jì)算模型的計(jì)算精度是否滿足工程的使用要求。由此可見，正確建立工作過(guò)程計(jì)算模型是至關(guān)重要的。

本文計(jì)算選取該V型柴油機(jī)船用特性的標(biāo)定點(diǎn)與車用特性的最大扭矩點(diǎn)做計(jì)算分析。計(jì)算過(guò)程中，以功率、油耗等設(shè)計(jì)目的指標(biāo)、以及概念設(shè)計(jì)階段已經(jīng)確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)等為基準(zhǔn)邊界條件，其它未知結(jié)構(gòu)參數(shù)參照借用直列柴油機(jī)現(xiàn)由于指標(biāo)。通過(guò)初步計(jì)算、分析，基本確定了渦輪增壓器的匹配參數(shù)和進(jìn)排氣系統(tǒng)的幾何參數(shù)等；給出了整機(jī)熱量分配；分解各系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，為各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供初始邊界條件。

如圖1是所研究的柴油機(jī)3D布置圖，柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

圖1　3D布置圖

表1　柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2　總體性能目標(biāo)及限制條件

2.1總體性能目標(biāo)

標(biāo)定功率：980 kW；

標(biāo)定點(diǎn)效燃油消耗率：229 g/kW·h；

全負(fù)荷最低燃油消耗率：208 g/kW·h.

2.2限制條件

最高燃燒壓力：≤18 MPa；

排氣溫度：≤720℃.

3　計(jì)算分析工作詳細(xì)說(shuō)明

3.1計(jì)算模型

3.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失

機(jī)械摩擦損失（FMEP）是平均指示壓力（IMEP）和平均有效壓力（BMEP）之差：FMEP＝IMEP－BMEP.

由于IMEP考慮了缸套散熱損失和泵氣損失，所以二者之差就全部為機(jī)械摩擦損失FMEP，包括：所有軸承的摩擦損失；活塞、活塞環(huán)和氣缸套之間的摩擦損失；配氣機(jī)構(gòu)的摩擦損失；所有輔件要求的功耗，如水泵、機(jī)油泵和噴油泵等。

本次計(jì)算分析中采用的FMEP值是參考改機(jī)型直列系列柴油機(jī)的FMEP值估算，如圖2所示。

圖2　整機(jī)機(jī)械摩擦損失

3.1.2氣道的流量系數(shù)

因?yàn)楸緢?bào)告使用AVL Boost性能預(yù)測(cè)軟件，需要輸入氣道流量系數(shù)曲線。玉柴提供的原機(jī)氣道性能參數(shù)是按Ricardo方法評(píng)價(jià)的，如圖3所示。

圖3　氣道流量系數(shù)（上面為排氣道）

3.1.3氣門升程曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門升程曲線和配氣相位參考成熟直列發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸型線，具體如圖4、表2所示。

表2　配氣相位

圖4　氣門升程曲線（左側(cè)是排氣門）

3.1.4燃燒模型

在內(nèi)燃機(jī)的燃燒模擬過(guò)程中，燃燒放熱率計(jì)算是一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)。內(nèi)燃機(jī)的燃燒模擬過(guò)程，大體經(jīng)歷了燃燒放熱率計(jì)算、零維燃燒模型、準(zhǔn)維燃燒模型和多維燃燒模型四個(gè)發(fā)展階段，所謂燃燒放熱率計(jì)算，是指由實(shí)測(cè)的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)（示功圖），根據(jù)能量守恒方程和經(jīng)驗(yàn)傳熱公式，推算燃油燃燒的放熱過(guò)程，用以分析內(nèi)燃機(jī)的燃燒。這種方法比較直觀、簡(jiǎn)便，對(duì)診斷燃燒有一定的作用，迄今在性能研究中仍受到重視[1-6]。

本次模擬計(jì)算的燃燒過(guò)程采用韋博模型。該柴油機(jī)采用直列泵和螺旋氣道，計(jì)算所用燃燒模型的標(biāo)定參考直列系列柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行。

3.1.5計(jì)算模型

發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算模型如圖5所示。左右兩側(cè)氣流由大氣環(huán)境SB1、SB2，分別經(jīng)管路44、46，空濾器和管路進(jìn)氣壓氣機(jī)進(jìn)行壓縮，經(jīng)管路流入左右兩側(cè)中冷器然后進(jìn)入氣缸，左右兩邊排氣經(jīng)過(guò)渦輪排出。

圖5　整機(jī)性能計(jì)算模型

3.2分析過(guò)程

根據(jù)項(xiàng)目開發(fā)要求：該V型柴油機(jī)為船電用柴油機(jī)，但兼顧車用特性（扭矩儲(chǔ)備系數(shù)1.245）。故本次計(jì)算選取船用特性的標(biāo)定點(diǎn)與車用特性的最大扭矩點(diǎn)做計(jì)算分析。

3.2.1增壓匹配

增壓器的選擇只針對(duì)船用特性需求進(jìn)行，根據(jù)該V型柴油機(jī)的標(biāo)定功率、標(biāo)定轉(zhuǎn)速和目標(biāo)油耗率的需求，考慮當(dāng)前燃燒技術(shù)水平（由于玉柴該V型柴油機(jī)的期望目標(biāo)功率1 000 kW柴油機(jī)的燃燒水平來(lái)考慮），通過(guò)需求空氣流量、發(fā)動(dòng)機(jī)排量來(lái)初定增壓器的需求壓比與流量。過(guò)量空氣系數(shù)選為2.0，充氣效率選為0.95，中冷后溫度定為70℃.

因此，標(biāo)定點(diǎn)的增壓壓比定為3.2，空氣流量為1.8 kg/s（單個(gè)增壓器流量為0.9 kg/s）.

3.2.2排氣管系結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本計(jì)算分析主要針對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)，對(duì)排氣管系的結(jié)構(gòu)參數(shù)（主管直徑、歧管直徑）進(jìn)行了優(yōu)化。考慮該V型機(jī)型需兼顧車用特性的要求，排氣管系選為脈沖排氣系統(tǒng)。

（1）在其它條件不變的情況下，排氣主管直徑對(duì)總體性能的影響趨勢(shì)如下圖6所示。

圖6　排氣總管直徑對(duì)總體性能的影響

從上圖可以看出主管直徑58 mm~65 mm區(qū)間，功率升高趨勢(shì)變緩、油耗率減小趨勢(shì)變緩、排溫也在允許范圍內(nèi)，因此，通過(guò)計(jì)算分析，確定排氣總管直徑的初選范圍為58 mm~65 mm，推薦值為60 mm.

（2）在其它條件不變的情況下，排氣歧管直徑對(duì)總體性能的影響趨勢(shì)如下圖7所示。

從上圖可以看出歧管直徑50 mm～55 mm區(qū)間，功率降低趨勢(shì)緩慢、油耗率升高趨勢(shì)緩慢、排溫也在允許范圍內(nèi)，因此，通過(guò)計(jì)算分析，確定排氣歧管直徑的初選范圍為50 mm～55 mm，推薦值為55 mm.

（3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，排氣主管與歧管的長(zhǎng)度將根據(jù)整機(jī)的結(jié)構(gòu)布置需要確定，在此不做優(yōu)化。

（4）排氣歧管與主管之間圓滑過(guò)渡，推薦夾角30°.

3.2.3壓縮比優(yōu)化

壓縮比的優(yōu)化確定主要考慮最高燃燒壓力的限制與熱轉(zhuǎn)化效率，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，最大限度地提高熱轉(zhuǎn)化效率。為此，需要結(jié)合增壓系統(tǒng)進(jìn)行增壓壓比、壓縮比、最高燃燒壓力限制三者之間的協(xié)調(diào)匹配。

根據(jù)玉柴的經(jīng)驗(yàn)、玉柴對(duì)最高燃燒壓力的限制、相似機(jī)型的參數(shù)，壓縮比初定為15~16，推薦值為15.

3.3預(yù)測(cè)結(jié)果

通過(guò)計(jì)算模型建立和詳細(xì)分析過(guò)程，初步預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)性能，如表3所示。

表3　預(yù)測(cè)結(jié)果

4　結(jié)論

該V型柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)：供油壓力100 MPa、進(jìn)氣渦流比2、壓縮比15、淺ω燃燒室。該V型柴油機(jī)排氣系統(tǒng)：脈沖排氣系統(tǒng)。該V型柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)：增壓壓比3.2、中冷后溫度70℃；配氣相位還可以進(jìn)一步優(yōu)化。在以上條件下該V型柴油機(jī)性能指標(biāo)可以達(dá)到，具體如下。

（1）渦輪增壓器匹配，壓比在3.2（標(biāo)定點(diǎn)），單增壓器流量在0.9（標(biāo)定點(diǎn)）kg/s.

（2）進(jìn)排氣系統(tǒng)幾何參數(shù)（如表4）。

表4　進(jìn)排氣系統(tǒng)幾何參數(shù)

（3）壓縮比在15～16（推薦值為15）。

（4）整機(jī)熱量分配（如表5）。

表5　整機(jī)熱量分配表

5　結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程計(jì)算在柴油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用。采用AVL-BOOST建立發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)工作過(guò)程計(jì)算模型，并完成求解和計(jì)算結(jié)果處理。從計(jì)算過(guò)程來(lái)看，采用一維熱力學(xué)計(jì)算對(duì)柴油機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算研究可以方便的完成對(duì)柴油機(jī)的壓縮比、噴油提前角、進(jìn)排氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)等影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果具有較高的可靠性和實(shí)用性。由此可見，工作過(guò)程模擬計(jì)算分析為內(nèi)燃機(jī)的研究提供了一種全新的方法和工具，也為內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)意義更強(qiáng)的計(jì)算依據(jù)。

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[6]田翀.YC6T柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬與優(yōu)化[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

中圖分類號(hào)：TK421

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0051-04

收稿日期：2016-01-05

作者簡(jiǎn)介：陳 剛（1980-），男，湖北荊州人，碩士，工程師，研究方向：內(nèi)燃機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)。

Simulation Calculation and Analysis Research for YC V Engine Performance

CHEN Gang，CHENG Zhi-jun，YANG Liang，XIE De-jing
（Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd，Yulin Guangxi 537005，China）

Abstract:For a new development v diesel engine，to ensure performance for simulation calculation and analysis research at the beginning of design，by way of AVL Boost software，we established calculation model for intake system，and turbocharger and valve lift curve，obtained preliminary performance conclusion，it provides much more valuable data and performance optimization direction for follow-up test development

Key words：vengine；simulation；calculation model；performance forecast