夏清梁+高占斌

摘 要：利用GT-Power仿真軟件和增壓柴油機(jī)TBD234V6技術(shù)參數(shù)、性能參數(shù)等建立其整機(jī)模型，并對該模型內(nèi)部所采用的計(jì)算原理進(jìn)行了分析，而后利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與該整機(jī)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對比及校核。結(jié)果表明，其各個參數(shù)在誤差均在6%要求范圍內(nèi)，能夠較為準(zhǔn)確地模擬該型號游艇發(fā)動機(jī)的實(shí)際工作情況，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：GT-Power；游艇發(fā)動機(jī)；渦輪增壓；仿真；校核

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.252

0 引言

柴油機(jī)以其突出的熱效率、扭矩特性和可靠性被廣泛用作船舶、固定式裝備及各種車輛的動力[1]。隨著國家對發(fā)動機(jī)節(jié)能和排放要求的逐步提高，提高功率、降低油耗、滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求就成為我們研究的最終目的[2]。而對于柴油發(fā)動機(jī)傳統(tǒng)的研究常采用臺架試驗(yàn)方法，人力和物力消耗大，設(shè)計(jì)周期長，效果差。仿真技術(shù)可在計(jì)算機(jī)上反復(fù)多次試驗(yàn)運(yùn)行，具有投資少、效益高、無風(fēng)險(xiǎn)、周期短、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可獲得比實(shí)物試驗(yàn)更多的信息，從而成為發(fā)動機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作的一個重要手段和環(huán)節(jié)[3] 。

本文首先建立了TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)GT-Power仿真模型，并對其進(jìn)行了驗(yàn)證和校核。模型最終滿足誤差要求，為該型號柴油機(jī)作為游艇發(fā)動機(jī)的進(jìn)一步研究分析及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 柴油機(jī)TBD234V6 GT-POWER建模

目前常見的發(fā)動機(jī)工作過程模擬軟件主要有FIRE、BOOST 、GT-Power等。GT-Power是由美國Gamma Technologies公司開發(fā)的、適用于對各種內(nèi)燃機(jī)工作過程及性能仿真分析的大型軟件，得到廣泛的應(yīng)用[4]。本文研究對象為河柴重工提供的TBD234V6增壓中冷柴油機(jī)，基本參數(shù)如表1 所示。

利用GT-power建模時應(yīng)首先建立其單缸模型，再此基礎(chǔ)上構(gòu)建V型6缸的整體模型。在該模型中應(yīng)包括進(jìn)排氣端、進(jìn)排氣道、中冷器、進(jìn)排氣閥、廢氣渦輪增壓器、噴油器、氣缸、曲軸箱等模塊。在建模的過程中對于各個模塊中涉及的柴油機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)按實(shí)際數(shù)值輸入，完成之后設(shè)置好運(yùn)行條件進(jìn)行運(yùn)算，得到的結(jié)果與試驗(yàn)臺架測試的結(jié)果比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，最終得到比較精確的整機(jī)模型，建模流程如圖2所示，整機(jī)模型如圖2所示。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 傳熱模型

柴油機(jī)工作時，工質(zhì)向氣缸蓋底面，活塞頂面和氣缸套的濕潤表面等燃燒室各個壁面的換熱量Qw是能量守恒方程中的一部分。根據(jù)工質(zhì)對燃燒室周壁面的瞬時平均換熱系數(shù)αg和壁面的平均溫度Tw，可以計(jì)算出Qw。按傳熱學(xué)中的牛頓公式，單位曲軸轉(zhuǎn)角的換熱量可寫成：

其中，ω為角速度，αg為瞬時平均換熱系數(shù)，A為換熱面積，T為氣缸內(nèi)工質(zhì)瞬時溫度，Tw為壁面平均溫度，i=1，2，3時分別代表氣缸蓋，活塞，氣缸套。而對于αg采用Woschni公式來計(jì)算：

其中，T為氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度，D為缸直徑，Cm為活塞平均速度，pa、Ta、Va、Vs分別是壓縮始點(diǎn)缸內(nèi)工質(zhì)壓力、溫度、氣缸容積、氣缸工作容積，C1 、C2分別是氣流速度系數(shù)和燃燒室現(xiàn)狀系數(shù)。

推薦的壁面平均溫度值為： 缸蓋表面溫度： 550 ～ 600 K；活塞頂表面溫度： 550 ～600 K； 氣缸套表面溫度：400 ～ 450 K。對于本文所建立的整機(jī)模型，缸蓋表面、活塞頂表面、氣缸套表面選擇的溫度分別是 550 K、550 K、400 K。

2.2 燃燒模型

GT -Power 提供6種燃燒模型，可用于壓燃式發(fā)動機(jī)，也可用于點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)。模擬油機(jī)燃燒放熱規(guī)律最常見的是三元韋伯燃燒模型—Eng Cyl Comb DIWiebe，該模型把整個燃燒過程分為預(yù)混合燃燒、主燃和后燃，整個燃燒放熱率曲線由3條韋伯函數(shù)曲線疊加而成[5]。Weibe模型形式簡單，采用由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)推導(dǎo)出的半經(jīng)驗(yàn)公式：

將上式兩端對φ求導(dǎo)得到：

式中，X為燃料燃燒百分?jǐn)?shù)，dX/dφ為X隨曲軸轉(zhuǎn)角變化率，m為燃燒品質(zhì)指數(shù)，φ為瞬時曲軸轉(zhuǎn)角，φZ燃燒持續(xù)角，φB為燃燒起始角，φC燃燒終點(diǎn)角。從公式中可以得出，只要適當(dāng)?shù)剡x取參數(shù) m、φB、φZ，由韋伯公式表達(dá)的放熱率就唯一被確定。

2.3 噴油器模型

根據(jù)發(fā)動機(jī)缸內(nèi)噴射、進(jìn)氣道噴射、進(jìn)氣歧管噴射等燃油噴射系統(tǒng)形式，選擇不同的噴油器模型。已知瞬時噴油壓力情況下使用 InjProfileCon噴油器模型； 已知燃油噴射量和空燃比的情況下使InjAFSeqConn 噴油器模型，一般用于汽油機(jī)建模； 已知燃油噴射量和噴射脈寬的情況下使用InjPulseC-onn 噴油器模型，多應(yīng)用于電控發(fā)動機(jī)。對于柴油機(jī)，一般使用 InjProfileConn 模型，在輸入瞬時噴油壓力 MAP 圖時，應(yīng)注意噴油壓力值對應(yīng)凸輪軸的轉(zhuǎn)角為對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的一半[6]。

而進(jìn)排氣系統(tǒng)包括進(jìn)進(jìn)排氣氣道、排氣氣門、進(jìn)排氣歧管。GT-power管內(nèi)采用一維非定常流動，流動計(jì)算的方法推薦的方法是顯式求解。流體的計(jì)算是采用：有限容積法。

2.4 增壓系統(tǒng)

此次仿真采用的是增壓中冷系統(tǒng)。當(dāng)柴油機(jī)在穩(wěn)定工況時，渦輪增壓器應(yīng)滿足下列共同工作的條件：

①渦輪與壓氣機(jī)能量平衡： NT=NK； ②通過渦輪與壓氣機(jī)的流量平衡： ，其中，為渦輪流量，為壓氣機(jī)流量，相應(yīng)的燃油量；③轉(zhuǎn)速相等，由于壓氣機(jī)和渦輪是連續(xù)在同一根軸上的，所以壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速始終等于渦輪轉(zhuǎn)速，即nT=nK=nTK。

一般情況下，渦輪和壓氣機(jī)特性沒有數(shù)據(jù)，而只有渦輪和壓氣機(jī)特性圖，需從圖中提取相關(guān)數(shù)據(jù)，對壓氣機(jī)而言，必須給出喘振線和阻塞線。GT -Power 規(guī)定，壓氣機(jī)和渦輪 MAP圖輸入最少要有2 個速度，每個速度至少有3 組數(shù)據(jù)。對壓氣機(jī)而言，每組數(shù)據(jù)中流量最小、壓比最大點(diǎn)默認(rèn)為喘振線上的點(diǎn)。阻塞線為壓氣機(jī)的最大速度線，要求匹配點(diǎn)在阻塞線內(nèi)，且要有一定裕度。不管是壓氣機(jī)還是渦輪，高效率區(qū)的點(diǎn)必須標(biāo)出。數(shù)據(jù)越多，輸入MAP 越接近壓氣機(jī)和渦輪特性線[7]。

由于壓氣機(jī)和渦輪工作條件不一樣，要想得到匹配，需將流量和轉(zhuǎn)速折算到同一條件下。GT -Power

轉(zhuǎn)速和流量修正公式為：

式中： 對于壓氣機(jī)而言，Ti為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度，Tref為參考溫度，Rin為進(jìn)氣的氣體常數(shù)，Rref為參考?xì)怏w常數(shù)，Pin為進(jìn)氣壓力，Pref為進(jìn)氣參考壓力； 對于渦輪而言，Ti為渦輪前溫度，Tref為參考溫度，Rin為廢氣的氣體常數(shù)，Rref為參考?xì)怏w常數(shù)，Pin為渦輪進(jìn)氣壓力，Pref為進(jìn)氣參考壓力。如果要使修正的速度和流量與實(shí)際值一致，即使得渦輪和壓氣機(jī)匹配圖上的點(diǎn)與輸入 MAP 圖保持一致，則渦輪、壓氣機(jī)的數(shù)據(jù)設(shè)定為： 壓氣機(jī)：Tref= Ti= 298 K，Pref= Pin= 100 Pa，Rref= Rin= 287 J / （ kg·K） ； 渦輪： Tref= Ti= 渦輪前溫度，Pref= Pin= 渦輪前壓力，Rref= Rin=289 J / （ kg·K）[8]。

3 試驗(yàn)臺架及校核工況點(diǎn)

此次試驗(yàn)是以一臺排量為10.8L的渦輪增壓柴油機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行的， 如圖3是試驗(yàn)試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)簡圖?？刂圃囼?yàn)臺架由柴油機(jī)TBD234V6、AVL439煙度測量儀、DEWE2010燃燒分析儀、HORIBA-MEXA-1600DSEGR排氣分析儀、DW440電渦流測功器、NCK2000發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)、HZB2000油耗測量儀等測量裝置，各種傳感器及其顯示儀器組成。

研究所用的渦輪增壓柴油機(jī)TBD234V6作為游艇的推進(jìn)動力，必須能夠帶動螺旋槳進(jìn)行穩(wěn)定工作。當(dāng)發(fā)動機(jī)按照螺旋槳特性（推進(jìn)特性）運(yùn)行時， 其輸出功率與轉(zhuǎn)速3次方滿足正比關(guān)系。因此，在已知功率或轉(zhuǎn)速n的情況下，可根據(jù)公式（C為常數(shù)）計(jì)算得到另一個參數(shù)，而扭矩可由計(jì)算獲得。本文從標(biāo)定功率 Pe0的10%（696r/min）開始，每間隔10%設(shè)置一個工況點(diǎn)，分別為20%Pe0（877r/min）、30%Pe0（1004r/min）、40%Pe0（1105r/min）、50%Pe0（1191r/min）、60%Pe0（1265r/min）、70%Pe0（1332r/min）、80%Pe0（1392r/min）、90%Pe0（1448r/min）、100%Pe0（1500r/min），共計(jì)10個工況點(diǎn)。如表2所示，是通過計(jì)算得出的具體10個工況點(diǎn)。

4 模型仿真結(jié)果校核

GT- Power 仿真軟件在設(shè)置初始條件時，需要該柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和每循環(huán)噴油量，且負(fù)荷的大小由噴油量所確定。因此，要由試驗(yàn)臺架所測得的實(shí)際油耗量再計(jì)算得出每循環(huán)噴油量，具體如表 3所示。

如圖4～9分別是該游艇發(fā)動機(jī)功率、扭矩、空氣質(zhì)量流量、增壓壓力、燃油質(zhì)量流量、NOX濃度的校準(zhǔn)曲線，即試驗(yàn)值與仿真結(jié)果的對比。

從圖中可以看出試驗(yàn)值與仿真結(jié)果的吻合度較高，且功率、扭矩、進(jìn)氣量及增壓壓力的誤差值在6%以內(nèi)，油耗誤和NOX濃度的最大誤差不超過 5% ，以上參數(shù)的校核均在正常的誤差范圍； 所以，此次建立的GT-Power整機(jī)模型是有效的。

4 結(jié)論

本文主要是利用GT-Power仿真軟件建立了渦輪增壓柴油機(jī)TBD234V6整機(jī)模型，分析該不同模塊采用的數(shù)學(xué)原理。而后利用臺架所測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與該模型仿真結(jié)果進(jìn)行校核，最終獲得了較為準(zhǔn)確的發(fā)動機(jī)模型。該模型的建立可為進(jìn)一步研究渦輪增壓柴油機(jī)TBD234V6奠定理論基礎(chǔ)，同時也大大減少了人力、物力及時間的投入。

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作者簡介：夏清梁（1988-），男，碩士在讀，研究方向：內(nèi)燃機(jī)性能與增壓。