薛光遠,馬哲樹,徐　亮,劉吉財

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

?

可變壓縮比技術對柴油機性能的影響

薛光遠,馬哲樹,徐亮,劉吉財

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

利用GT-power軟件研究不同壓縮比對某4JB1型中冷增壓系統(tǒng)柴油機燃油經(jīng)濟性和排放性能的影響規(guī)律。模擬結果表明，當發(fā)動機處于高負荷的工況時適當降低壓縮比可以有效控制氮氧化物(NOX)的生成,處于低負荷的工況時采用高壓縮能節(jié)約燃油。研究對柴油機壓縮比參數(shù)的優(yōu)化具有一定的參考價值。

柴油機；壓縮比；燃油消耗率；氮氧化物

0　引言

壓縮比一般指氣缸總容積與燃燒室容積比值，是衡量發(fā)動機性能的重要參數(shù)。當發(fā)動機壓縮比較高時，壓縮終了時氣缸內的空氣壓力和溫度較高，利于燃料的著火，柴油機的冷起動性能和燃燒性能較好,但此時最高燃燒壓力和壓力升高率也會隨之增加，使得發(fā)動機的工作變得粗暴，從而增加了燃燒過程中NOX的生成率和排放量[1]。若壓縮比較低, 壓縮終了時氣缸內空氣的壓力和溫度較低會導致氣動性能和燃燒性能變差，從而引起燃油消耗率增加。因此，柴油機壓縮比需要考慮多方面的影響因素進行折中確定[2]。

柴油機的壓縮比一般是不可變化的，因為燃燒室容積和氣缸的工作容積參數(shù)都是固定值的。為了使發(fā)動機能在各種工況中發(fā)揮更好的效能，可變壓縮比技術(VCR)通過以變對變的方式來改善發(fā)動機的運行性能[3]。核心技術采用在缸體與缸蓋之間安裝楔型滑塊，缸體可以沿滑塊的斜面自由運動，使得燃燒室與活塞頂面的相對位置發(fā)生變化，從而改變燃燒室的容積，最終使得壓縮比發(fā)生改變[4]。

可變壓縮比技術研究起步早。1952年英國內燃機研究所開始研究可變壓縮比活塞。前蘇聯(lián)在20世紀80年代拖拉機研究所進行可變壓縮比柴油機實驗，證明該技術能夠有效提高發(fā)動機部分負荷的經(jīng)濟性。我國西安交通大學從1969年開始研制出可變壓縮比的擺盤柴油機[5]。近年來可變壓縮比技術在發(fā)動機上的主要應用:瑞典申寶公司在2000年研制的1.6 L排量的5缸可變壓縮比發(fā)動機，通過使發(fā)動機缸蓋的位置變化來實現(xiàn)控制壓縮比的變化為8～14;日本某公司在2005年研制出的可變壓縮比發(fā)動機樣機的壓縮比變化范圍為8～14，發(fā)動機的燃燒性能良好，燃油消耗量較同等排量的產(chǎn)品降幅達到了30%，并且發(fā)動機處于高EGR(廢氣再循環(huán)系統(tǒng))率也能穩(wěn)定運行[6]。

1　柴油機模型的建立與驗證

1.1仿真模型建立

基于降低排放量并保持柴油機性能不變的需求，本文通過GT-power軟件平臺，對某4JB1型增壓中冷柴油機進行建模和可變壓縮比技術的仿真，對其燃油經(jīng)濟性和NOX生成量進行計算分析。某4JB1型柴油機基本參數(shù)見表1。

表1　某4JB1型柴油機基本參數(shù)

GT-power軟件主要是以理想氣體狀態(tài)方程、有限元原理、能量守恒方程、能量守恒定律為基礎，用于內燃機性能分析與模擬的軟件。本模型包括發(fā)動機進排氣管路、4氣門、中冷系統(tǒng)、噴油器、氣缸和曲軸箱組成。圖1為某4JB1型柴油機整機物理模型。

4JB1型增壓中冷柴油機模型中運用了3個子模型，環(huán)境模型選擇考慮環(huán)境壓力和溫度的常規(guī)模型，熱力學子模型采用直噴燃燒預測模型,傳熱子模型選擇wosehni放熱模型。

圖1　某4JB1型柴油機整機物理模型示意圖

1.2仿真模型驗證

進行仿真前，必須對模型的準確性進行校準，校準的方式是與實驗值進行對比。模擬值和實驗值的對比見表2。通過表2可以發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動機的外特性模擬計算結果與實驗結果的吻合度較好，其中功率最大誤差5%，扭矩最大誤差1%，燃油消耗率最大誤差2%，NOX生成量最大誤差2%，Soot(碳煙)生成量最大誤差9%，因而所建4JB1型柴油機物理模型在誤差允許范圍內, 可以利用模型代替實際柴油機對柴油機的性能進行模擬分析。

表2　模擬值和實驗值的對比

2　壓縮比對柴油機性能影響

本文研究在2 000 r/min和3 500 r/min兩種工況下，壓縮比對柴油機燃油消耗率、NOX和Soot生成量的影響分析(壓縮比變化范圍在16.2～20.2)。

2.1壓縮比對燃油消耗率的影響

從圖2和圖3可以看出，在2 000 r/min工況下壓縮比從16.2升至20.2時，在燃油消耗率方面，100%負荷時燃油消耗率下降幅度約72‰，75%負荷時下降幅度約48‰，50%負荷時下降幅度40‰。在3 500 r/min工況下，在燃油消耗率方面，100%負荷時下降幅度最大，油耗降低約62‰，75%負荷時下降幅度約40‰，50%負荷時下降幅度約31‰。

圖2　轉速2 000 r/min時壓縮比對燃油消耗率的影響

圖3　轉速3 500 r/min時壓縮比對燃油消耗率的影響

2.2壓縮比對NOX生成量的影響

從圖4和圖5可以看出，在2 000r/min工況下壓縮比從16.2升至20.2時，NOX生成量在100%負荷時變化最大，增大約18%；75%負荷時次之，增大約15%；50%負荷時增大約11%。在3 500 r/min的條件下壓縮比從16.2升至20.2時，NOX生成量在100%負荷時變化最大，增大約15%；75%負荷時次之，增大約12%；50%負荷時增大約10%。

2.3壓縮比對Soot生成量的影響

從圖6和圖7可以看出，在2 000 r/min工況下壓縮比從16.2升至20.2時，Soot生成量在100%負荷時變化約0.012 g/(kW·h)，75%負荷時變化約0.009 g/(kW·h)，50%負荷時變化約0.008 g/(kW·h)。在3 500 r/min工況時，Soot生成量在100%負荷時下降幅度最大，降低約0.018 g/(kW·h),75%負荷時降低約0.014 g/(kW·h),50%負荷時降低約0.010 g/(kW·h)。隨著壓縮比的增大，

Soot生成量逐漸降低,但變化量很小。

圖4　轉速2 000 r/min時壓縮比對NOX生成量的影響

圖5　轉速3 500 r/min時壓縮比對NOX生成量的影響

圖6　轉速2 000 r/min時壓縮比對碳煙生成量的影響

圖7　轉速3 500 r/min時壓縮比對碳煙生成量的影響

3　結語

(1)該發(fā)動機的外特性模擬計算結果與實驗結果的吻合度較好，所建柴油機模型誤差在允許范圍內, 可以利用GT-power計算模型代替實際柴油機對柴油機的性能進行模擬分析。

(2)發(fā)動機處于高負荷的工況時，適當降低壓縮比有助于控制了NOX的生成。當發(fā)動機處于低負荷的工況時采用高壓縮比可有效節(jié)約燃油。

(3)可變壓縮比技術在中速工況點比高速工況點作用更加顯著。當發(fā)動機處于中速工況時，適當減少壓縮比可以顯著改善NOX生成量。

[1]魏春源，張衛(wèi)正，葛蘊珊.高等內燃機學[M].北京:北京理工大學出版社,2001.

[2]陳永賢.若干燃燒控制參數(shù)對柴油機低負荷排放特性和效率影響的試驗[J].內燃機學報,2011(5):193-196.

[3]崔彪，常思勤，李子非.發(fā)動機可變壓縮比技術的探討[[J].內燃機，2011(4):4-6.

[4]林承伯.可變壓縮比技術對汽油機性能的影響[D].長沙：湖南大學，2014.

[5]李可順．噴油提前角對船用柴油NOX排放特性的影響[J]．大連海事大學學報，2010(8):88-90.

[6]牛釗文.可變壓縮比技術的研究與展望[J].內燃機, 2010(4):46-49.

2015-10-25

薛光遠(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為船舶動力裝置；馬哲樹(1973—)，男，博士，碩士生導師，研究方向船舶柴油機動力裝置及節(jié)能減排技術。

U664.121

A