DK-28柴油機性能仿真及米勒循環模式研究

張 雷 錢作勤

(武漢理工大學能動學院 武漢 430063)

0 引 言

傳統的柴油機研究方法是制造出原型機，在試驗臺架上進行測試，然后多次對其進行修改與再制造，從而滿足設計目的和設計要求.但是這種研究方法周期長、效率低、成本高、誤差大.計算機仿真技術可以設計柴油機數學模型，選擇需要研究的方向，通過計算機快速的運算過程得出結果，可縮短研究周期，提高研究效率，降低研究成本，并且具有很高的準確性.

國外最先由英國曼徹斯特理工大學等高校和研究機構開始著手柴油機計算機工作過程的數值模擬計算[1]，同時開發相應的計算機仿真軟件，BOOST軟件和GT-POWER軟件功能較為全面，通常用于發動機整機性能的研究[2].

國內最先由中科院等單位將數值計算的方法應用到柴油機的研究中.之后，清華大學對英國曼徹斯特理工大學開發的MK-14程序進行簡化運用，開始了國內柴油機仿真技術的發展.隨著國內柴油機仿真技術的進步及國外先進仿真軟件的引進，上海交通大學等[3-6]都利用計算機仿真技術對柴油機進行了深入的研究，得到了許多突破性的成果.成果主要集中在以下幾個方面：柴油機性能的優化、柴油機結構的改進，以及柴油機故障的排除.

由于大氣污染問題越來越嚴重，柴油機的排放問題逐漸成為主要研究方向.米勒循環從柴油機的工作原理本身出發，通過改變進氣門關閉角(IVC)來改變柴油機的進氣行程與做功行程，提高了發動機的熱效率同時降低了發動機的排放.米勒循環(EIVC)模式下，發動機進氣門在傳統循環關閉時刻之前提前關閉，降低了缸內的最高燃燒溫度，這對NOx的排放有著積極的改善作用[7].進氣行程被縮短，泵氣損失得到降低[8].阿特金森循環(LIVC)模式下，發動機進氣門在傳統循環關閉時刻之后延遲關閉，一方面可以使發動機不使用節氣門，直接通過阿特金森循環調節進氣量，減少了節氣損失[9].另一方面延長了氣體膨脹行程，將對發動機的做功量以及做功行程有著較大提高[10].

米勒循環通過對進氣門關閉時刻的控制，這種方式最大的優點是由于工質額外膨脹而使得工質在下止點的溫度壓力更低[11]，進而造成燃燒后的整體溫度壓力都會比傳統燃燒更低[12].這種溫度與壓力的降低對控制NOx的排放有十分積極的作用[13-14].整體溫度降低也使得發動機與環境之間的溫差更小，從而可以降低溫損失，提高熱效率[15].此外排氣溫度也低了，也降低了可用焓因為直接排出而造成的損失.

基于此，文中利用AVL_BOOST軟件建立了DK-28柴油機的仿真模型，驗證了模型的準確性，為DK-28柴油機的性能影響因素仿真計算提供了強有力的理論支撐，同時設置了米勒循環模式，為DK-28柴油機的排放控制提供了新的方向.

1 DK-28柴油機模型的建立

1.1 DK-28柴油機主要技術參數

本文仿真計算的主要研究對象是DK-28柴油機，其主要技術參數見表1.

表1 DK-28柴油機主要技術參數

1.2 仿真計算模型的建立

根據DK-28柴油機在試驗臺架工作的結構布置形式，在AVL_BOOST軟件中建立DK-28柴游機的計算模型.其模型圖見圖1.

圖1 DK-28柴油機BOOST仿真模型圖

圖中：SB1，SB2為入口與出口系統邊界；1～22為進排氣各管路(21為渦輪增壓器壓氣機前的進氣管；2～9為各缸進氣道；10～17為各缸排氣道；18為排氣支管；19為渦輪增壓器渦輪后的排氣管；22為中冷器至進氣總管之間的進氣管)；PL1，PL2分別為一個進氣總管和一個排氣總管；C1～C8為8個氣缸；TC1為渦輪增壓器；CL1為空氣濾清器；CO1為中冷器；MP1～MP7為7個測量點，通過這些測量點，可以模擬計算出在這些測點上的氣體狀態，便于之后與試驗數據的比對.

1.3 模型準確性的驗證

利用前文建立的計算模型，模擬計算柴油機在額定工況(100%負荷)下的示功圖(由于研究的是DK-28發電機組柴油機即輔機，為點工況，因此只進行了100%工況下示功圖的模型驗證)，計算與試驗結果對比見圖2.

圖2 計算結果與試驗結果的示功圖對比

在額定工況下(750 r/min，100%負載)對模型進行的模擬計算(此時單缸循環噴油量為2.64 g)，與試驗值的對比見表2.

表2 (750 r/min，100%負載)工況下計算結果和試驗結果對比

估算50%負荷時柴油機的單缸循環噴油量，通過調節單缸循環噴油量使柴油機的有效功率趨近1 250 kW(此時單缸循環噴油量為1.54 g)，則該模型即可模擬計算50%負荷下柴油機的工作過程，計算結果與試驗值的對比見表3.

表3 (750 r/min，50%負載)工況下計算結果和試驗結果對比

估算25%負荷時柴油機的單缸循環噴油量，通過調節單缸循環噴油量使柴油機的有效功率趨近625 kW(此時單缸循環噴油量為1.0 g)，則該模型即可模擬計算25%負荷下柴油機的工作過程，計算結果與試驗值的對比見表4.

從以上的計算結果和測試結果對比可以看出，計算結果和試驗測量數據吻合，驗證了計算模型合理性和正確性，可以利用該模型進行內燃機的性能仿真與優化分析.

表4 (750 r/min，25%負載)工況下計算結果和試驗結果對比

2 柴油機米勒循環模式研究

2.1 米勒循環模式的設置

阿特金森循環與米勒循環是通過改變氣門正時來實現的，在AVL_BOOST軟件中通過改變氣門升程曲線來改變氣門正時，見圖3.

圖3 不同模式下曲軸轉角與氣門升程關系

2.2 米勒循環模式的一維仿真計算

利用AVL_BOOST軟件對不同氣門正時情況下的DK-28柴油機性能進行模擬計算，見圖4～7.

圖4 不同模式下平均有效壓力

由圖4可知，EIVC模式對平均有效壓力有著較大的影響，平均有效壓力：EIVC2>IVC>EIVC1>EIVC3>EIVC4，隨著進氣門關閉角的提前，平均有效壓力下降明顯.EIVC模式下，EIVC4模式平均有效壓力最低，這是由于EIVC4模式下進氣門關閉時間最早，進氣時間最短，進氣量最少，進入缸內的少量空氣在氣缸內迅速膨脹，造成缸內壓力的大幅下降.LIVC模式對平均有效壓力影響不是很顯著，平均有效壓力：IVC>LIVC2>LIVC3>LIVC1>LIVC4,但是隨著進氣門關閉角的延遲，平均有效壓力有下降的趨勢.LIVC模式下，LIVC4進氣門關閉時間最晚，進氣時間最長，少量氣體被重新推回到進氣道中，從而造成了平均有效壓力下降的現象.

圖5 不同模式下功率

由圖5可知，EIVC模式對功率有著較大的影響，功率：EIVC2>IVC>EIVC1>EIVC3>EIVC4，隨著進氣門關閉角的提前，功率下降明顯.LIVC模式對功率的影響不是很顯著，功率：IVC>LIVC2>LIVC3>LIVC1>LIVC4,但是隨著進氣門關閉角的延遲，功率有下降的趨勢.EIVC模式下，EIVC4模式功率最低，這是由于EIVC4模式下進氣門關閉時間最早，進氣時間最短，進氣量最少，充量系數下降很快，造成了缸內燃燒不充分，對柴油機的做功能力造成了很大的影響，造成了功率大幅度下降的結果.EIVC2模式功率較高，是因為EIVC模式在縮短了進氣行程的同時也降低了泵氣損失，這將一定程度上提高發動機的功率.LIVC4模式下，進氣門關閉時間最晚，進氣時間最長，少量氣體被重新推回到進氣道中，對缸內的燃燒產生了一定的影響作用，造成功率略有下降的結果.LIVC2模式較LIVC1，LIVC3模式功率稍高是因為延遲關閉進氣門，加大了氣體的膨脹行程，一定程度上提高了發動機的做功行程，因此會產生功率的上升現象.功率的計算結果與平均有效壓力的計算結果具有一致性.

圖6 不同模式下燃油消耗率

由圖6可知，EIVC模式對燃油消耗率有著較大的影響，燃油消耗率：EIVC4>EIVC3>EIVC2>EIVC1>IVC，隨著進氣門關閉角的提前，燃油消耗率上升明顯.LIVC模式對燃油消耗率的影響不是很顯著，燃油消耗率：LIVC4>LIVC3>LIVC2>LIVC1>IVC,但是隨著進氣門關閉角的延遲，燃油消耗率逐漸上升.EIVC模式下，EIVC4模式燃油消耗率最高，這是由于EIVC4模式下進氣門關閉時間最早，進氣時間最短，進氣量最少，造成空燃比下降明顯，很多燃油得不到充分的氧化燃燒.隨著進氣時間的延長，缸內燃燒狀態逐漸好轉，燃油消耗率也逐漸下降.LIVC模式下，LIVC4模式的燃油消耗率最高，是因為進氣門開啟時間最長，從缸內被推回到進氣道的氣體最多，空燃比下降，造成了燃燒能力的下降，使得燃油消耗率上升.

圖7 不同模式下缸內最高溫度

由圖7可知，EIVC模式與LIVC模式缸內燃燒溫度都有著較為明顯的變化.EIVC模式下，缸內溫度：IVC>EIVC2>EIVC1>EIVC3>EIVC4，隨著進氣門關閉角的提前，缸內溫度下降明顯，EIVC4模式溫度最低，這是因為EIVC4模式進氣門關閉時刻最早，進氣量最少，空氣在氣缸內迅速膨脹，壓力降低，氣體在缸內得到一定程度的冷卻，從而使燃燒溫度降低.EIVC1模式與EIVC2模式相比溫度較低是因為泵氣損失使得缸內壓力下降，氣體膨脹，氣體在缸內得到一定程度的冷卻，從而使燃燒溫度降低.LIVC模式下，缸內溫度：LIVC2>IVC>LIVC3>LIVC1>LIVC4，隨著進氣門關閉角的提前，缸內溫度下降明顯.LIVC4模式溫度最低是因為進氣門開啟時間最長，從缸內被推回到進氣道的氣體最多，缸內壓力下降，氣體膨脹，氣體在缸內得到一定程度的冷卻，從而使燃燒溫度降低.

綜上所述，在LIVC模式下，延遲進氣門關閉角，進氣時間較額定進氣時間更長，在進氣量上不會出現明顯的變化，但是隨著進氣門關閉角的延遲，會有一部分的進氣被推回到進氣道中，造成了柴油機平均有效壓力，功率，缸內溫度的下降以及燃油消耗率的上升.在EIVC模式下，提前進氣門關閉角，進氣時間較額定進氣時間縮短，進氣量會隨著進氣門關閉角的提前而大幅減少，充量系數下降，空燃比下降，造成了柴油機燃燒不充分，缸內溫度降低，燃油消耗率大幅度上升同時造成柴油機的平均有效壓力，功率下降.EIVC模式下，柴油機的做功能力有所損失，但是帶來了降低缸內溫度的效果，對改善NOx的排放有著積極的意義.

3 結 論

1) 進氣量限制了米勒循環的做功能力，進氣門早關會使燃油消耗率上升.

2) 米勒循環對缸內溫度的降低作用明顯，能對柴油機的NOx排放起到改善作用.

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