基于GT-Power 的柴油機機械增壓器匹配分析★

唐銳紅， 袁文華

（邵陽學院， 湖南 邵陽 422004）

引言

柴油機有著較好的經濟性，且功率和轉速范圍寬、動力輸出強勁[1]，因此在各種類型的汽車、拖拉機、農業機械、工程機械、小型發電站乃至大型遠洋船舶上都有著廣泛應用[2]。隨著增壓器在柴油機上的廣泛應用，人們發現增壓器對于柴油機性能的提升有重要的作用，因此針對增壓器進行匹配分析，對于提升柴油機性能有著非常關鍵的意義和作用[3]。本文利用GT-Power 軟件，針對機械增壓器和某型單缸柴油機的匹配進行了計算分析，研究加裝機械增壓器對柴油機性能的影響。

1 研究對象及分析方法

本文的研究對象為某型單缸柴油機，具體型式為單缸風冷四沖程柴油機，本文所研究單缸柴油機的基本參數如表1 所示。

表1 單缸柴油機基本參數

在利用GT-Power 軟件進行數值計算時，以熱力學第一定律、質量守恒方程和理想氣體狀態方程為基本方程，建模時采用容積法模型對工質流動過程進行模擬。在上述基本方程的基礎上，結合燃燒放熱模型和傳熱模型對缸內的燃料燃燒放熱過程以及工質與外界的傳熱過程進行模擬計算[4]，目前對燃燒的一維模擬一般采用半經驗公式，韋伯函數是比較常用的燃燒放熱模型。韋伯燃燒模型[5]如下：

2 單缸柴油機和機械增壓器建模

根據柴油機的實際參數首先建立單缸柴油機的一維仿真計算模型，單缸柴油機GT-Power 仿真模型包括進排氣環境、進排氣管、進排氣道、氣缸、噴油器和曲軸箱等模塊。在GT-Power 中，機械增壓器即為渦輪增壓器的壓氣機部分，工作原理和參數設置與渦輪增壓器相同，但是壓氣機模塊不和渦輪相連接，而是需要通過傳動軸及齒輪和曲軸箱相連接。在單缸柴油機模型的基礎上可以建立機械增壓單缸柴油機模型，需要增加的模塊包括機械增壓器（壓氣機模塊）、傳動軸和傳動齒輪，最終建立的機械增壓單缸柴油機模型如圖1 所示。

3 機械增壓器匹配分析

本文針對柴油機的關鍵性能參數進行機械增壓器的匹配性分析，通過對比有增壓器和無增壓器時的柴油機關鍵性能參數，研究機械增壓器對柴油機性能的影響。下頁圖2 所示為進氣管的氣體壓力對比結果。從圖中可以看出，經過機械增壓器增壓后的氣體壓力有所增加，在低轉速時增壓壓力較低，轉速越高，增壓后的氣體壓力越大。下頁圖3 所示為進氣閥的進氣流量對比結果，分析對比結果可知，在增加機械增壓器后，進氣量顯著增加，尤其改善了柴油機高轉速工作時的充氣狀況。

通過仿真得到柴油機的缸內最高爆壓對比結果如下頁圖4 所示，結合前文分析結果，機械增壓器使得氣缸的進氣量增加，從而有利于燃料的燃燒，因此氣缸內的燃燒爆發壓力更高，缸內最高爆壓大于無增壓柴油機。尤其柴油機在高轉速下運行時，氣缸充氣效率較低，燃燒狀況不良，所以增壓器對燃燒的改善效果更加顯著，導致缸內爆壓較高。

通過仿真得到柴油機功率對比結果如圖5 所示。從圖中可以看出，無論有無增壓器，柴油機的輸出功率都隨著轉速的升高而增大，但是增壓柴油機輸出功率隨轉速升高的增長率大于無增壓柴油機。兩者在低轉速時相差不大，但是在較高轉速下增壓柴油機的輸出功率明顯高于無增壓柴油機。在額定轉速2 500 r/min 下，增壓柴油機的輸出功率為6.35 kW，無增壓柴油機的輸出功率為5.37 kW，加機械增壓器后柴油機額定轉速下的輸出功率提高了18.2%。

有增壓器和無增壓器的柴油機效率及油耗率對比結果如圖6 和圖7 所示。從效率及油耗率對比結果可以看出，隨著轉速的升高，增壓柴油機和無增壓柴油機的效率都呈現先升高后降低的變化規律，油耗率則是先降低后升高。此外，由圖可知在裝備機械增壓器后，柴油機大部分工況下的油耗率可以保持在250 g/（kW·h）以下，具有良好的經濟性，只有在低轉速時油耗較高，經濟性不好。

4 結論

1）本文在建立了單缸柴油機和機械增壓器仿真模型的基礎上，進行了機械增壓柴油機的匹配性仿真分析，通過比較增壓柴油機和無增壓柴油機的關鍵性能參數，研究機械增壓器對柴油機性能的影響。

2）在額定轉速2 500 r/min 下，增壓柴油機的輸出功率為6.35 kW，無增壓柴油機的輸出功率為5.37 kW，加機械增壓器后柴油機額定轉速下的輸出功率提高了18.2%。

3）在加裝機械增壓器后，柴油機大部分工況下的油耗率可以保持在250 g/（kW·h）以下，具有良好的經濟性，只有在低轉速時油耗較高，經濟性較差。