柴油機(jī)可調(diào)兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)一維仿真建模及驗(yàn)證

彭海勇,武濤,張海波,張寶川,沈笠

1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,上海 201620;2.上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240

0 引言

全球能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻,對(duì)柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn),柴油機(jī)強(qiáng)化程度越來越高,提高柴油機(jī)增壓壓比、進(jìn)一步增大循環(huán)進(jìn)氣量是提高柴油機(jī)功率密度、降低排放的有效措施[1]。傳統(tǒng)的單增壓器增壓系統(tǒng)很難滿足現(xiàn)代柴油機(jī)對(duì)高增壓的需求,很難兼顧復(fù)雜多變的柴油機(jī)工況。為解決單增壓器系統(tǒng)存在的問題,研究人員提出了相繼增壓系統(tǒng)和可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)。自20世紀(jì)60年代末開始,研究人員針對(duì)兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)在大功率柴油機(jī)上的應(yīng)用開展了大量的研究[2-6],經(jīng)過幾十年的發(fā)展,可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)品化階段[7-9]。此外,研究人員還將可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)與米勒循環(huán)、廢氣再循環(huán)、可變截面渦輪增壓(variable geometry turbocharger,VGT)等技術(shù)結(jié)合,對(duì)兩級(jí)增壓系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行更深入的研究[10-15]。

可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的增壓壓力,提高柴油機(jī)廢氣利用率,改善柴油機(jī)在低工況時(shí)的性能,提高發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。由于旁通閥能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)增壓系統(tǒng)的連續(xù)調(diào)節(jié),可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)能夠有效改善柴油機(jī)在工況變化時(shí)功率輸出變化的平順性[16-17]。柴油機(jī)工況復(fù)雜多變,動(dòng)態(tài)工況下旁通閥控制策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,采用仿真計(jì)算的方法是研究可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制策略的有效手段之一[18]。仿真計(jì)算可以大大降低柴油機(jī)動(dòng)態(tài)工況試驗(yàn)的成本和難度,計(jì)算結(jié)果可以為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況控制策略的臺(tái)架試驗(yàn)提供重要的參考價(jià)值。

本文中針對(duì)某WP7柴油機(jī),采用GT-Power軟件建立可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)的仿真模型,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證,為可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)柴油機(jī)瞬態(tài)工況控制策略研究提供指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象及系統(tǒng)組成

某WP7柴油機(jī)基本參數(shù)如表1所示,采用的可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)管路連接示意如圖1所示。

表1 WP7柴油機(jī)基本參數(shù)

圖1 可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)管路連接示意圖

可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)由高壓級(jí)和低壓級(jí)2個(gè)渦輪增壓器串聯(lián)組成;高壓級(jí)和低壓級(jí)增壓器之間接入1個(gè)壓間中冷器,用來對(duì)低壓級(jí)增壓器增壓后的進(jìn)氣進(jìn)行冷卻;高壓級(jí)增壓器后接入1個(gè)高壓級(jí)中冷器,用來對(duì)經(jīng)兩級(jí)增壓后的進(jìn)氣進(jìn)行冷卻,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量;在高壓級(jí)渦輪旁安裝1個(gè)旁通閥對(duì)增壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 穩(wěn)態(tài)仿真模型建立及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真模型的建立

采用GT-Power軟件建立的可調(diào)兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)柴油機(jī)一維仿真模型如圖2所示。由圖2可知:整個(gè)系統(tǒng)模型由可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、曲軸箱及氣缸等模塊構(gòu)成,其中,氣缸模塊是整個(gè)模型的關(guān)鍵,其參數(shù)設(shè)置是影響仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素之一。缸內(nèi)燃燒采用韋伯燃燒模型,韋伯模型公式相對(duì)簡(jiǎn)單,需設(shè)置的參數(shù)較少,在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)實(shí)際放熱過程時(shí)計(jì)算精度較高,計(jì)算速度和收斂速度較快,在發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。韋伯模型需設(shè)置的參數(shù)主要包括著火延遲角、預(yù)混燃燒比例、后燃比例、預(yù)混燃燒持續(xù)期、主燃持續(xù)期和后燃持續(xù)期等。

圖2 可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)柴油機(jī)一維仿真模型

發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況下燃燒模型主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 標(biāo)定工況下韋伯燃燒模型設(shè)置參數(shù)

2.2 穩(wěn)態(tài)模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

在對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),選擇外特性工況和推進(jìn)特性工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率、進(jìn)氣壓力及渦輪前排氣溫度3個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

本次仿真中選取的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況點(diǎn)示意如圖3所示。外特性工況下發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率、進(jìn)氣壓力、渦前排溫的穩(wěn)態(tài)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示,各參數(shù)試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差如圖5所示。

圖3 原機(jī)外特性工況點(diǎn)

由圖4可知:在外特性工況下,穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果差別不大,而且隨轉(zhuǎn)速增大的變化趨勢(shì)非常一致。由圖5可知:油耗率的仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果最大相對(duì)誤差為2.95%,進(jìn)氣壓力的最大相對(duì)誤差為4.96%,渦前排氣溫度的最大相對(duì)誤差為4.89%。

圖4 外特性工況發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率、進(jìn)氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5 外特性工況發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率、進(jìn)氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差

為進(jìn)一步確認(rèn)模型的可靠性,對(duì)部分推進(jìn)特性工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率、進(jìn)氣壓力和渦前溫度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析。選取推進(jìn)特性的全負(fù)荷工況為1 500 r/min時(shí)的外特性工況,其他工況點(diǎn)則根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)特性計(jì)算得到。選取的推進(jìn)特性工況點(diǎn)如圖6所示。

圖6 模型驗(yàn)證計(jì)算工況點(diǎn)

推進(jìn)特性工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率、進(jìn)氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖7所示,相對(duì)誤差如圖8所示。由圖7、8可知:在推進(jìn)特性工況下,油耗率、進(jìn)氣壓力和渦前溫度的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上非常接近;油耗率的仿真和試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差最大為2.86%,進(jìn)氣壓力的最大相對(duì)誤差為4.01%,渦前排氣溫度的最大相對(duì)誤差為4.86%。

圖7 推進(jìn)特性工況發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率、進(jìn)氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖8 推進(jìn)特性工況發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率、進(jìn)氣壓力、渦前排溫穩(wěn)態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差

根據(jù)以上分析,外特性和推進(jìn)特性工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率、進(jìn)氣壓力和渦前溫度的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果在數(shù)值和變化趨勢(shì)上均非常接近,最大相對(duì)誤差均小于5%。因此,所建立的一維仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)相符,仿真結(jié)果具有較高的精度和可靠性,該模型可應(yīng)用于可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的仿真研究。

3 瞬態(tài)仿真模型建立及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 瞬態(tài)仿真模型建立

穩(wěn)態(tài)仿真時(shí),仿真模型的轉(zhuǎn)速、燃燒模型參數(shù)、供油參數(shù)等相關(guān)參數(shù)均維持恒定不變;發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)工況下,轉(zhuǎn)速、噴油參數(shù)及燃燒模型參數(shù)等隨循環(huán)變化而發(fā)生改變,進(jìn)行瞬態(tài)工況仿真計(jì)算時(shí),仿真模型應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況的變化對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際瞬態(tài)工況過程的模擬。進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真計(jì)算時(shí),缸內(nèi)燃燒模型是決定仿真精度和可靠性的關(guān)鍵因素。在瞬態(tài)工況下,由于工況變化,噴油參數(shù)、轉(zhuǎn)速等邊界條件發(fā)生改變,實(shí)際的缸內(nèi)燃燒過程必然會(huì)發(fā)生變化。這種工況變化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)非穩(wěn)定的過渡過程在增壓柴油機(jī)上的表現(xiàn)得更加突出。這主要是由于工況突變時(shí),增壓器存在一定的響應(yīng)滯后造成的。因此,在瞬態(tài)工況仿真計(jì)算時(shí),若缸內(nèi)燃燒模型的相關(guān)參數(shù)采用恒定值,仿真計(jì)算無法真實(shí)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程,無法得到正確結(jié)果。

進(jìn)行瞬態(tài)工況仿真計(jì)算時(shí),在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,基于轉(zhuǎn)速和噴油量的變化對(duì)各穩(wěn)態(tài)工況下的韋伯燃燒模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,得到燃燒模型各參數(shù)隨噴油量和轉(zhuǎn)速變化的map圖;然后根據(jù)瞬態(tài)仿真計(jì)算過程中每個(gè)計(jì)算循環(huán)得到的轉(zhuǎn)速和噴油量結(jié)果查燃燒模型各參數(shù)的map圖,得到對(duì)應(yīng)循環(huán)的燃燒模型韋伯參數(shù),并對(duì)燃燒模型進(jìn)行實(shí)時(shí)循環(huán)更新,模擬瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的循環(huán)變化。除對(duì)燃燒模型參數(shù)做出調(diào)整外,進(jìn)行瞬態(tài)工況仿真時(shí),應(yīng)對(duì)模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。利用GT-Power軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真計(jì)算時(shí),穩(wěn)態(tài)工況下的轉(zhuǎn)速為恒定值,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí),計(jì)算模式通常設(shè)為轉(zhuǎn)速模式;瞬態(tài)工況下,轉(zhuǎn)速通常由計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和測(cè)功機(jī)測(cè)量得到的負(fù)荷、轉(zhuǎn)矩共同確定,在瞬態(tài)工況模擬時(shí),計(jì)算模式通常采用轉(zhuǎn)矩模式。

瞬態(tài)仿真計(jì)算中設(shè)置模型相關(guān)參數(shù)時(shí),計(jì)算步長應(yīng)采用基于時(shí)間的方式。模型輸入的一些實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù),如瞬態(tài)工況下實(shí)時(shí)測(cè)量得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和噴油量等,也是基于時(shí)間采樣得到的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。此外,在模擬計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)加速等瞬態(tài)工況時(shí),首先使各循環(huán)參數(shù)在初始工況下達(dá)到穩(wěn)定,然后調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、循環(huán)噴油量等參數(shù)模擬相應(yīng)瞬態(tài)工況的實(shí)際變化。因此,在進(jìn)行瞬態(tài)工況仿真計(jì)算時(shí),應(yīng)關(guān)閉仿真軟件中以收斂條件作為計(jì)算自動(dòng)結(jié)束的默認(rèn)設(shè)置。在計(jì)算結(jié)果輸出設(shè)置中,應(yīng)選擇保存各計(jì)算結(jié)果基于時(shí)間的實(shí)時(shí)變化值。

3.2 瞬態(tài)仿真模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

在推進(jìn)工況條件下,主要對(duì)瞬態(tài)過程的進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。本研究中試驗(yàn)臺(tái)架為電渦流測(cè)功機(jī)臺(tái)架,試驗(yàn)結(jié)果較難準(zhǔn)確反映柴油機(jī)推進(jìn)特性的螺旋槳工況。為了驗(yàn)證柴油機(jī)在推進(jìn)特性下的瞬態(tài)燃燒模型和渦輪增壓器模型的可靠性,將試驗(yàn)得到的轉(zhuǎn)速和循環(huán)噴油量導(dǎo)入到一維仿真模型中,在轉(zhuǎn)速計(jì)算模式下,得到瞬態(tài)工況下轉(zhuǎn)矩和進(jìn)氣壓力。瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣壓力的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

a)轉(zhuǎn)矩 b)進(jìn)氣壓力

為了更真實(shí)地模擬實(shí)際工況,將試驗(yàn)測(cè)量的瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩代入一維仿真模型的轉(zhuǎn)矩模塊,對(duì)柴油機(jī)在瞬態(tài)過程中的轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行計(jì)算,并與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖10所示。由圖10可知:發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況下的轉(zhuǎn)速計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果非常接近;工況過渡區(qū)間,轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化趨勢(shì)非常接近;這說明瞬態(tài)工況下的轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確度。

圖10 動(dòng)態(tài)工況下轉(zhuǎn)速仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由以上分析可見,在整個(gè)瞬態(tài)工況過程中,仿真計(jì)算和試驗(yàn)得到的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及增壓壓力結(jié)果及其變化趨勢(shì)均有非常好的一致性,利用該模型進(jìn)行瞬態(tài)工況下可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)的控制策略仿真研究有很好的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

基于WP7柴油機(jī),運(yùn)用GT-Power軟件建立了安裝有可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)的柴油機(jī)仿真計(jì)算模型,并對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1)穩(wěn)態(tài)工況下,可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)仿真模型計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明,仿真和試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性,油耗率相對(duì)誤差為2.95%,進(jìn)氣壓力相對(duì)誤差為4.96%,渦前溫度相對(duì)誤差為4.89%,可以利用該模型進(jìn)行可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的仿真研究。

2)瞬態(tài)工況下,可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)仿真模型計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性,計(jì)算轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和增壓壓力與試驗(yàn)的結(jié)果相差較小;在整個(gè)瞬態(tài)工況過程中,試驗(yàn)和計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及增壓壓力結(jié)果變化趨勢(shì)的一致性非常好,利用該模型進(jìn)行瞬態(tài)工況下可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)的控制策略仿真研究有很好的指導(dǎo)意義。

3)瞬態(tài)工況仿真計(jì)算過程中,根據(jù)瞬時(shí)循環(huán)轉(zhuǎn)速和噴油量結(jié)果,對(duì)由穩(wěn)態(tài)工況的燃燒模型標(biāo)定得到的韋伯模型參數(shù)map進(jìn)行查表,得到瞬時(shí)燃燒模型參數(shù),實(shí)現(xiàn)燃燒模型的動(dòng)態(tài)改變;瞬態(tài)燃燒模型可以較好地模擬瞬態(tài)工況下的缸內(nèi)燃燒變化過程。