大功率柴油機性能仿真與增壓系統優化

霍柏琦，石磊，陳京瑞

(1.中國人民解放軍92537部隊，北京 100000；2.上海交通大學 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240)

0 引言

圖1 試驗系統結構簡圖

目前，柴油機正朝著高功率密度、低油耗、低排放的方向發展,采用合適的增壓技術可提高柴油機功率并降低燃油消耗率[1-4]。相繼增壓是由2臺或2臺以上渦輪增壓器并聯組成的增壓系統，根據柴油機工況的變化，通過控制投入使用的增壓器數量來調整進氣量,在改善經濟性方面具有優勢[5-6]。為了改善某大功率柴油機的經濟性，將原增壓系統由2渦輪改裝為4渦輪,即增壓系統由雙列單個增壓器擴展布置為雙列兩個增壓器，且每列均為并聯結構。通過試驗測量改進前后不同增壓系統柴油機的燃燒和性能參數，并通過GT-Power軟件建立模型，仿真計算比較兩者間的差異。

1 試驗方案

柴油機試驗系統包括控制系統和測試系統兩部分，性能測量試驗臺架結構如圖1所示。

試驗分別對2渦輪和4渦輪柴油機進行相關參數的測量，主要包括轉速、缸壓、進排氣溫度、進排氣壓力、功率、扭矩、有效燃油消耗率、中冷器前后溫度壓力、渦輪前后溫度壓力等[7]。試驗以1500 r/min轉速為基準，通過調節測功機和供油量來維持轉速不變同時調節負荷的大小，選取6個工況點進行測量，分別是：0、25%、50%、75%、90%和100%負荷[8]。

2 燃燒分析

分析缸內燃燒過程，需要準確地找到燃燒始點和燃燒持續期[9]。以發動機累積放熱量的5%所對應的曲軸轉角作為燃燒始點，以累積放熱量的95%所對應的曲軸轉角作為燃燒終點,燃燒持續期是燃燒終點和燃燒始點的差值[10]。針對該柴油機燃燒過程設計計算程序。

首先將發動機基本參數輸入操作軟件，讀取試驗測得的缸壓隨曲軸轉角變化的示功圖數據、光順數據，根據缸壓反求放熱率，根據燃燒始點、燃燒終點計算燃燒過程。對2渦輪和4渦輪的柴油機分別在6個工況下測量得到了缸壓隨曲軸轉角變化的曲線，并利用缸壓反求放熱率得到各工況的放熱率曲線。

圖2為4渦輪增壓柴油機在0、50%、75%和100%負荷下缸壓反求放熱率與三韋伯函數擬合放熱率的比較曲線。從圖2中可以看出，兩者之間誤差很小，在誤差允許的范圍內，將其應用于仿真模型時仿真可信度較高。

a)0負荷 b)50%負荷

圖2 負荷不同時4渦輪增壓柴油機缸壓反求放熱率與函數擬合放效率的比較曲線

3 模型建立與校核

使用GT-Power軟件分別建立氣缸模塊、曲軸箱模塊、增壓器模塊等，將它們連接起來分別建立不同增壓系統的柴油機的仿真整機模型，如圖3所示。

在進行性能分析和優化之前,先對仿真模型關鍵參數進行優化并對模型進行校核。將已經優化的所有部件連接，組成整機模型并進行仿真計算[11]。4渦輪增壓柴油機的最高燃燒壓力、進氣壓力仿真計算結果和試驗結果對比如圖4、5所示。

從圖4、5中可以看出，仿真得到的最高燃燒壓力、進氣壓力參數與試驗值基本吻合，重合度較高。最高燃燒壓力、進氣壓力參數、排氣壓力、進氣溫度、排氣溫度、有效燃油消耗率各參數的相對誤差如表1所示，最大值均不超過4.36%,說明發動機模型相關參數的設置和模型標定比較合理，模型能真實的再現發動機運行狀態。

圖3 4渦輪發動機整機性能仿真模型

圖4 相對最高燃燒壓力對比 圖5 相對進氣壓力對比

%

4 性能對比

渦輪增壓系統的不同引起氣系統、燃燒情況及性能特征的差異[5]。圖6是不同增壓系統柴油機的增壓比在不同負荷下的變化規律。從圖6中可以看出，隨著負荷的增加，增壓比逐漸增大，同一負荷下，2渦輪柴油機的增壓比略低。

圖7是不同增壓系統柴油機的空燃比在不同負荷下的變化規律。從圖7中可以看出，隨著負荷的增加，空燃比逐漸減小，同一負荷下，2渦輪柴油機的空燃比較低，且在低負荷時差別更大。

圖6 不同增壓系統柴油機的增壓比在不同負荷下的變化 圖7 不同增壓系統柴油機的空燃比在不同負荷下的變化

圖8 不同增壓系統柴油機的燃燒持續期在不同負荷下的變化

圖8為不同增壓系統柴油機燃燒持續期(以曲軸轉角計)在不同負荷下的變化規律。從圖8中可以看出，隨著負荷的增加，燃燒持續期增長，同一負荷下,2渦輪柴油機燃燒持續期較短，且在低負荷下更短。這主要是因為功率越大，噴油量越多，燃燒所需時間就會越長。相同負荷下，4渦輪柴油機增壓壓力大，壓縮段缸內溫度較高，滯燃期短，同時，油氣混合更好，燃燒更均勻，產生相同的有用功所需時間更短；2渦輪柴油機油氣混合不好，燃燒粗暴，燃燒持續期略短，低負荷工況時更加嚴重。這同樣可以從放熱率規律中得到，相同功率下，2渦輪柴油機的最大瞬時放熱率反而更高。

圖9、10分別是不同增壓系統柴油機轉速為1500 r/min時在不同負荷下指示效率和相對有效燃油消耗率(以2渦輪1500 r/min，100%負荷時的有效燃油消耗率為基準，取為0)的變化規律。

圖9 不同增壓系統柴油機指示效率在不同負荷下的變化 圖10 不同增壓系統發動機相對有效燃油消耗率在不同負荷下變化

從圖9、10中可以看出，隨負荷增加，指示效率逐漸升高，有效燃油消耗率逐漸降低。且在全負荷內，相同負荷下4渦輪柴油機的有效燃油消耗率均比2渦輪柴油機的低，指示效率也均比2渦輪柴油機要好。其中100%負荷時，有效燃油消耗率降低4.96 g/(kW·h)。這是因為在全負荷內，相同負荷下的4渦輪柴油機增壓壓力較高，進氣量多，油氣混合更充分，燃燒更好，所以指示效率高、有效燃油消耗率低。

5 結論

1)試驗測得不同增壓系統的柴油機在1500 r/min時不同負荷下的缸壓隨曲軸轉角的變化規律，由此反求瞬時放熱率隨曲軸轉角的變化規律。根據韋伯燃燒模型，擬合放熱率曲線。

2)利用GT-Power仿真模型建立兩種增壓系統的仿真模型，并利用試驗值校核仿真模型，缸壓、最高燃燒溫度、進排氣溫度、進排氣壓力、有效燃油消耗率等參數的試驗測量值和模擬仿真計算值的誤差在5%以內，仿真結果可信度高。

3)通過比較2渦輪柴油機與4渦輪柴油機的氣系統、燃燒參數和性能參數，得到1500 r/min時相同負荷下4渦輪柴油機增壓比大，氣系統得到改善，燃燒更好，燃油經濟性提高，100%負荷時有效燃油消耗率降低4.96 g/(kW·h)。