压缩比对柴油机性能影响

邹振宇, 刘 晶

(1.吉林建筑工程学院土木工程学院,吉林长春 130021;2.国家开发银行吉林省分行,吉林长春 130021)

0 引 言

柴油机作为常用动力源,对人们的日常生产与生活影响巨大。近年来,对柴油机的动力性、经济性及排放等各方面的要求不断提高。压缩比对柴油机性能影响显著。对柴油机压缩比的测定与研究多采用实验的方法实现,用台架对柴油机的参数进行标定。这种方法虽然广为利用,但工作量很大,耗费人力、物力、财力。随着计算机技术的发展,数值模拟技术为内燃机的研发提供了一种新的研究渠道[1-2],利用计算机数值模拟可以很好地解决上述缺点,而且会大大缩短内燃机的研发时间[3],甚至可以得到实验很难得到的结果,柴油机工作过程的数值模拟已经受到国内外专家的高度重视[4-5]。

1 模型建立

1.1 实机模型

文中所研究的样机为6106柴油机,其基本参数见表1。

表1 6106柴油机参数

1.2 计算模型建立

柴油机工作流程如图1所示。

图1 柴油机工作流程图

GT-Power整机分析模型主要由进气系统、排气系统、涡轮增压系统、喷油组件、气缸和曲轴箱等组成。用实验数据对模型进行校准,确定模型的准确性。

几何结构的精确描述是准确实现数值模拟的重要前提,但柴油机模型涉及到的实体很多,而且结构极其复杂,如按真实实体结构建立计算几何模型需要花费大量时间且难以实现,也没有必要。因此根据计算经验,在保证对数值计算精度不产生很大影响的前提条件下,对实体结构进行一些等效简化处理。由于对整机进行分析涉及到的工作过程太多,同时也受到计算速度的影响,因此,将进排气管路简化成一维模型,此模型适于在整机工作过程的模拟、优化和最优控制中使用[6-8],这样既能保证计算的精度,又可以节省大量的时间。

由于所要分析的是柴油机的性能参数,从而对缸内的喷雾和燃烧也做了简化,燃烧模型采用的是准维模型,这种简化虽然看不出空间的不均匀性对柴油机性能的影响,但是,可以得到柴油机性能随时间的变化规律,而且结果精度也可以满足研发要求。

1.3 计算模型的校准

通常在进行数值模拟计算时,在模型建立以后,必须通过校准才能确定其准确性,然后进行模拟计算。

通过计算结果与实验结果的对比,可以看出模型是可靠的。

模型校准后部分计算结果如图2～图5所示。

图2 额定工况下缸内压力曲线计算值与实验值比较

图3 不同转速下功率的计算结果与实验值比较

图4 不同转速下空气流量的计算结果与实验值比较

图5 不同转速下充气效率的计算结果与实验值比较

2 计算结果与分析

压缩比对柴油机最高燃气压力、最高燃气温度的影响如图6所示。

从计算结果可以发现,随着压缩比的升高,最高燃气压力明显升高,压缩比每升高0.5,最高燃气压力升高3.5×105Pa左右。这是因为压缩比越大,相同初始状态的气体被压缩的越厉害,所以其压缩终点的压力越高,缩短了着火延迟期,使柴油机的燃烧特性得到了改善。从计算结果上还可以看到,随着压缩比增大,最高燃气温度下降,这是因为增大压缩比的同时增加了发动机的膨胀比,使得最高循环压力急剧升高,而且热能转化为有用功大大增加,从而最高燃气温度下降。

压缩比对功率、扭矩的影响如图7所示。

图7 压缩比对功率、扭矩的影响

由图7可以看出,压缩比越大,柴油机的功率和扭矩越大,这是因为压缩比越大,燃油燃烧的环境越理想,使燃烧室里的燃料更能充分燃烧,由热能转化为机械能的功越多。所以功率和扭矩都得到了很大程度上的提高,从计算结果来看,压缩比每提高0.5,扭矩和功率升高2.5 N·m,大大提高了柴油机的动力性和经济性。

压缩比对有效燃油消耗、充气效率的影响如图8所示。

图8 压缩比对有效燃油消耗、充气效率的影响

从计算结果可以看出,压缩比每提高0.5,有效燃油消耗下降约1 g/(kW·h)。这是因为随着压缩比增加,燃油燃烧更加充分,提高了柴油机有效热效率,也就是说,提高了柴油机热能转化为机械能的效率,从而降低柴油机的燃油消耗率。发动机的充气效率从图8上看是随着压缩比增大,逐渐提高,这是因为柴油机压缩比越大,会使废气排的越干净,从而使新鲜空气更容易进入,所以会使柴油机的充气效率得到提升。

3 结 语

利用CFD软件(GT-Power)对柴油机的工作过程进行数值模拟,可以发现,压缩比对柴油机的工作过程有很大的影响。压缩比越大,发动机的最高燃气压力、功率、扭矩、充气效率越高,说明大的压缩比可以很好地改善柴油机的燃烧特性,从而提高发动机的动力特性。同时,有效燃油消耗会大幅度降低,很好地改善了柴油机的经济特性。但是,太大的压缩比也决定了柴油机的机械负荷也比较大,所以对于柴油机,在保证机械负荷的前提下,尽量提高压缩比。

[1]张海艳.配气定时对柴油机性能影响的数值模拟分析[J].柴油机设计与制造,2006(6):12-16.

[2]焦天民,周龙保.应用CFD优化设计柴油机配气正时[J].内燃机工程,2005(5):16-17.

[3]刘永长.内燃机热力过程模拟[M].北京:机械工业出版社,2001:35-37.

[4]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,1999:37-38.

[5]Whitehouse N D,Way R J B.Rate of heat release in diesel engines and it’s correlation with fuel injection data[J].Proc.Instn.Mech.Engrs,1970,184(3):17-19.

[6]王荣生,解茂昭.内燃机燃烧多维数学模型的进展与前景[J].燃烧学与技术,1990(7):64-73.

[7]王荣生,夏尊诠.柴油机燃烧放热率的V2g数学模型[J].大连工学院学报,1978(3):18-20.

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