變海拔環境下柴油機性能仿真研究

景 琦，駱清國

(陸軍裝甲兵學院 車輛工程系， 北京 100072)

裝甲車輛行駛地域廣闊，行駛工況多變復雜，而柴油機作為車輛行駛動力的重要來源，其可靠性是車輛完成作戰任務的重要保證[1-3]。在我國西部地區，高原、山地分布廣闊，在高原地區，當海拔從0 m上升到5 000 m時，空氣密度下降41.7%，大氣壓力下降48.6%，氣壓的降低對柴油機的燃燒狀況造成惡劣的影響，容易造成功率下降、排氣溫度過高、燃油經濟性下降等問題[4-5]。

為了解決這一問題，研究者采用高原實地試驗或在實驗室搭建發動機海拔模擬試驗平臺的方法來探究柴油機高原性能變化情況[6-7]。Xin Wang等將柴油機測試臺架安裝在卡車上，實現了在不同海拔高度上移動測量發動機性能變化規律的目的[8]。Z.C.Kan等在實驗室搭建了模擬高原環境的發動機測試系統，進行了冷啟動過程中影響柴油機燃燒因素的研究[9]。Szedlmayer，M.在美國陸軍建立的小型發動機海拔研究實驗室內對直噴式渦輪增壓柴油機進行試驗，獲得了在變海拔條件下，發動機燃燒和性能的變化規律[10]。高榮剛等利用仿真軟件FIRE對不同海拔條件下柴油機缸內燃燒過程進行了三維仿真模擬[11]。

綜上可知，利用試驗方法對柴油機高原性能變化規律進行研究存在著測試投入大、試驗周期長等問題。因此，本文基于發動機一維仿真軟件GT-Power，利用試驗與仿真相結合的手段，將特定工況下的柴油機試驗數據用于校正發動機工作過程模型，仿真研究了海拔變化對柴油機燃燒特性以及整機動力性及經濟性的影響規律。

1 柴油機數值仿真基本理論

柴油機的工作循環是周期性的將燃料燃燒所產生的熱能轉變為機械能的過程，它由活塞運動行程的進氣、壓縮、膨脹和排氣等多個重復進行的過程組成。

將柴油機氣缸視作一個熱力系統，根據能量守恒方程、質量守恒方程及氣體狀態方程，在GT-Power上對缸內的熱力過程進行建模。

缸內能量守恒方程：

(1)

式中：φ為曲軸轉角；m為氣缸內的工質質量；u為氣缸內的工質內能；V為缸內容積；p為氣缸內的工質壓力；QB為燃料燃燒放熱量；QW為通過系統邊界的熱損失；he為排出氣缸廢氣的焓值；dme/dφ為排出氣缸廢氣的質量流量。

缸內質量守恒方程：

(2)

式中：mB為燃油噴射質量；mi為進氣質量；me為排氣質量。

假設缸內工質為理想氣體，滿足理想氣體狀態方程：

pVS=mRT

(3)

式中：R為氣體狀態常數；p為工質壓力；T為工質溫度。

采用Hiroyasu準維油滴蒸發燃燒模型，該模型指出燃燒速率主要由油滴蒸發速率控制，油滴的蒸發將延續到大部分的燃燒過程。

假設空氣與油滴的速度相同，則有：

mfijuni=(mfij+maij)uij

(4)

式中：mfij為各區燃油質量；uni為第i個時間步長中噴孔出口速度；uij為第(i，j)區的瞬時速度。

各區所含有的燃油蒸汽質量為：

(5)

式中：SMDi為各區(i，j)在所計算時刻的油滴索特平均直徑；N為油滴群的顆粒數。

各區的當量燃油空氣比Fij可按下式確定，即：

(6)

式中：mjv為燃油蒸汽質量；fsz為理論燃空比。

著火以后的油滴燃燒率ψB的計算式為：

(7)

式中：Bf為傳質系數。

2 柴油機模型的建立與驗證

2.1 模型建立

假設工質為理想氣體，缸內工質混合均勻且完全燃燒，氣體流動過程為準穩態流動過程。缸內燃燒模型選擇廣安博之模型，缸內傳熱采用沃西尼公式，利用GT-Power自帶的增壓器和渦輪模塊，并將其對應的流量特性、效率特性曲線輸入模型。

利用該型柴油機自身參數建立GT-Power模型，如圖1所示。本文所研究的柴油機基本參數見表1，

圖1 柴油機工作過程模型示意圖

表1 柴油機基本參數

2.2 驗證

為了驗證GT模型的準確性，在大氣壓力為89.3 kPa，溫度為25.8 ℃，濕度為63%的環境下對該型號柴油機進行了臺架試驗，試驗裝置如圖2所示。

圖2 柴油機臺架試驗裝置圖

分別選擇額定工況點(2 200 r/min)和最大扭矩工況點(1 500 r/min)的瞬時放熱率對試驗和仿真結果進行比較，如圖3、圖4所示，結果表明，仿真值與實驗值平均誤差為4.2%，滿足工程計算的精度要求，驗證了柴油機工作過程仿真模型的準確性。

圖3 額定工況瞬時放熱率試驗與仿真結果曲線

圖4 最大扭矩工況瞬時放熱率試驗與仿真結果曲線

3 仿真結果及分析

通過在GT-Power中改變環境壓力和溫度，達到模擬海拔高度變化的目的，分析柴油機性能和燃燒特性受海拔高度的影響規律。

3.1 海拔對動力性的影響

對柴油機高原環境動力性的分析主要集中在對功率下降的測量與分析上，功率隨海拔變化曲線如圖5所示。

圖5 柴油機功率隨海拔的變化曲線

由圖5可知，當海拔高度由0 m上升到4 500 m時，各工況下的功率都處于下降態勢，其中額定工況功率由402.3 kW下降到325.4 kW，下降了19.1%。在0 m到3 000 m時，功率每1 km下降4%，當海拔從3 000 m上升到4 500 m時，功率急劇增加，每1 km為11%。主要是由于海拔高度的升高，進氣密度降低，直接導致缸內燃燒惡化，致使發動機功率下降。

3.2 海拔對經濟性的影響

柴油機外特性工況下的燃油消耗率隨海拔的變化曲線如圖6所示。在保持海拔不變時，燃油消耗率隨著轉速的升高先減小后增大。隨著海拔的升高，柴油機的燃油消耗率呈現上升趨勢，同時低轉速下的燃油消耗率增幅明顯，高轉速下的燃油消耗率增幅相對較小。

圖6 柴油機燃油消耗率隨海拔的變化曲線

當柴油機轉速在1 800 r/min以下時，海拔高度從0 m升高到4 500 m，燃油消耗率平均升高15.8%；當轉速在1 800 r/min以上時，燃油消耗率平均升高7.2%。這是由于在低轉速時增壓器轉速下降受海拔高度的影響程度更高，進氣量不足，導致燃燒惡化程度加劇，從而降低了發動機的經濟性。

3.3 海拔對燃燒的影響

柴油機受海拔變化影響所產生的性能衰減，主要是因為缸內燃燒情況受到進氣密度的影響。因此，對缸內燃燒情況進行仿真，仿真曲線如圖7所示。

圖7 柴油機最高燃燒壓力隨海拔的變化曲線

在同海拔高度下，隨著轉速的上升，缸內最高燃燒壓力基本趨于定值，當海拔升高時，不同工況下的最高燃燒壓力呈現下降趨勢。這是因為，隨著海拔高度的升高，進氣密度的降低致使缸內燃燒不充分，最終導致缸內最高燃燒壓力隨海拔的升高而降低的現象產生。

柴油機缸內瞬時放熱率隨海拔高度的變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，隨著海拔高度的增加，瞬時放熱率的峰形變窄，且放熱率峰值不斷后移，說明隨著海拔的升高缸內后燃現象加劇。此外，隨著海拔的升高燃燒始點后移，海拔高度每升高1 km，燃燒始點平均后移0.8 ℃A。

圖8 柴油機瞬時放熱率隨海拔的變化曲線

4 結論

1) 基于Hiroyasu燃燒模型和Woschni傳熱模型建立的GT-Power柴油機工作過程仿真模型在模擬柴油機變海拔環境下的性能變化規律時具有較高的準確性，有效地縮短了研究周期。

2) 海拔高度的變化對柴油機功率有顯著影響。具體表現為隨海拔的升高功率顯著降低，其中高海拔時功率下降幅度大于低海拔。

3) 隨海拔高度的增加，柴油機的燃油消耗率降低。在低轉速下燃油消耗率降低幅度高于高轉速燃油消耗率。

4) 隨海拔高度的增加，柴油機的燃燒開始惡化。最高燃燒壓力降低。海拔升高造成燃燒始點后移，最高瞬時放熱率增加，燃燒持續期延長，后燃現象嚴重。