基于GT-Power 的柴油機(jī)機(jī)械增壓器匹配分析★

唐銳紅， 袁文華

（邵陽學(xué)院， 湖南 邵陽 422004）

引言

柴油機(jī)有著較好的經(jīng)濟(jì)性，且功率和轉(zhuǎn)速范圍寬、動力輸出強(qiáng)勁[1]，因此在各種類型的汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、小型發(fā)電站乃至大型遠(yuǎn)洋船舶上都有著廣泛應(yīng)用[2]。隨著增壓器在柴油機(jī)上的廣泛應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)增壓器對于柴油機(jī)性能的提升有重要的作用，因此針對增壓器進(jìn)行匹配分析，對于提升柴油機(jī)性能有著非常關(guān)鍵的意義和作用[3]。本文利用GT-Power 軟件，針對機(jī)械增壓器和某型單缸柴油機(jī)的匹配進(jìn)行了計算分析，研究加裝機(jī)械增壓器對柴油機(jī)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(jī)，具體型式為單缸風(fēng)冷四沖程柴油機(jī)，本文所研究單缸柴油機(jī)的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 單缸柴油機(jī)基本參數(shù)

在利用GT-Power 軟件進(jìn)行數(shù)值計算時，以熱力學(xué)第一定律、質(zhì)量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程為基本方程，建模時采用容積法模型對工質(zhì)流動過程進(jìn)行模擬。在上述基本方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合燃燒放熱模型和傳熱模型對缸內(nèi)的燃料燃燒放熱過程以及工質(zhì)與外界的傳熱過程進(jìn)行模擬計算[4]，目前對燃燒的一維模擬一般采用半經(jīng)驗公式，韋伯函數(shù)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(jī)和機(jī)械增壓器建模

根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際參數(shù)首先建立單缸柴油機(jī)的一維仿真計算模型，單缸柴油機(jī)GT-Power 仿真模型包括進(jìn)排氣環(huán)境、進(jìn)排氣管、進(jìn)排氣道、氣缸、噴油器和曲軸箱等模塊。在GT-Power 中，機(jī)械增壓器即為渦輪增壓器的壓氣機(jī)部分，工作原理和參數(shù)設(shè)置與渦輪增壓器相同，但是壓氣機(jī)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(jī)模型的基礎(chǔ)上可以建立機(jī)械增壓單缸柴油機(jī)模型，需要增加的模塊包括機(jī)械增壓器（壓氣機(jī)模塊）、傳動軸和傳動齒輪，最終建立的機(jī)械增壓單缸柴油機(jī)模型如圖1 所示。

3 機(jī)械增壓器匹配分析

本文針對柴油機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行機(jī)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(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)，研究機(jī)械增壓器對柴油機(jī)性能的影響。下頁圖2 所示為進(jìn)氣管的氣體壓力對比結(jié)果。從圖中可以看出，經(jīng)過機(jī)械增壓器增壓后的氣體壓力有所增加，在低轉(zhuǎn)速時增壓壓力較低，轉(zhuǎn)速越高，增壓后的氣體壓力越大。下頁圖3 所示為進(jìn)氣閥的進(jìn)氣流量對比結(jié)果，分析對比結(jié)果可知，在增加機(jī)械增壓器后，進(jìn)氣量顯著增加，尤其改善了柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速工作時的充氣狀況。

通過仿真得到柴油機(jī)的缸內(nèi)最高爆壓對比結(jié)果如下頁圖4 所示，結(jié)合前文分析結(jié)果，機(jī)械增壓器使得氣缸的進(jìn)氣量增加，從而有利于燃料的燃燒，因此氣缸內(nèi)的燃燒爆發(fā)壓力更高，缸內(nèi)最高爆壓大于無增壓柴油機(jī)。尤其柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)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(dǎo)致缸內(nèi)爆壓較高。

通過仿真得到柴油機(jī)功率對比結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，無論有無增壓器，柴油機(jī)的輸出功率都隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，但是增壓柴油機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)速升高的增長率大于無增壓柴油機(jī)。兩者在低轉(zhuǎn)速時相差不大，但是在較高轉(zhuǎn)速下增壓柴油機(jī)的輸出功率明顯高于無增壓柴油機(jī)。在額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min 下，增壓柴油機(jī)的輸出功率為6.35 kW，無增壓柴油機(jī)的輸出功率為5.37 kW，加機(jī)械增壓器后柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)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(jī)效率及油耗率對比結(jié)果如圖6 和圖7 所示。從效率及油耗率對比結(jié)果可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，增壓柴油機(jī)和無增壓柴油機(jī)的效率都呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，油耗率則是先降低后升高。此外，由圖可知在裝備機(jī)械增壓器后，柴油機(jī)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(jīng)濟(jì)性，只有在低轉(zhuǎn)速時油耗較高，經(jīng)濟(jì)性不好。

4 結(jié)論

1）本文在建立了單缸柴油機(jī)和機(jī)械增壓器仿真模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)械增壓柴油機(jī)的匹配性仿真分析，通過比較增壓柴油機(jī)和無增壓柴油機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)，研究機(jī)械增壓器對柴油機(jī)性能的影響。

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

3）在加裝機(jī)械增壓器后，柴油機(jī)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(jīng)濟(jì)性，只有在低轉(zhuǎn)速時油耗較高，經(jīng)濟(jì)性較差。