车用电控柴油机喷油器匹配仿真分析研究
2014-11-21陈其志王蕊邓礼建郑国世
陈其志 王蕊 邓礼建 郑国世
摘 要：本文介绍了车用电控柴油机喷油器匹配仿真分析研究过程。研究结果表明：GT-POWER软件可用于车用电控柴油机喷油器匹配仿真分析研究；所建立的仿真模型能准确模拟车用电控柴油机实际运行工况；确定了C型喷油器为本次仿真计算的最优匹配选择。
关键词：电控柴油机；喷油器；仿真计算
中图分类号：U464.136 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2014）02-0024-05
随着计算机技术的发展，仿真技术越来越成熟，从而使发动机理论也建立在一个新的基础之上，GT-POWER是一款适用于对各种内燃机进行性能模拟仿真的应用软件，包括车用电控柴油机。本文首先应用GT-POWER软件建立车用电控柴油机的模型，然后对该款柴油机进行台架性能试验，通过试验结果与仿真结果的对比，验证所建立的模型的正确性和可靠性，之后选择三种不同的喷油器对柴油机性能进行仿真计算与分析，确定最佳喷油器，达到喷油器选型的目的。
1 柴油机仿真模型建立
计算机仿真就是应用软件对发动机工作过程进行模拟计算，它可以减少试验次数及时间，节省人力、物力和财力。软件内部集成了大量的经验公式，在遇到各种预设情况时给予支持，自动完成繁杂的计算步骤，得出内燃机的各项性能参数，为优化设计提供理论支持和参考。
1.1 GT-POWER软件简介
GT-POWER软件具有准确的物理模型、丰富的解析技能和简单方便的建模方法，适用于对各种内燃机进行性能模拟仿真，包括车用电控柴油机。模型采用通用的功能模块进行连接和匹配，组成简洁直观的发动机模型，从而可以在计算机程序上进行发动机稳态及瞬态性能方面的模拟计算，为零部件的优化设计和匹配调整提供依据。
1.2 仿真模型建立过程
此次仿真计算研究对象是某6.7 L电控高压共轨柴油机，它的基本参数与性能指标如表1所示。
表1 某6.7 L柴油机参数与指标
应用GT-POWER软件依次建立柴油机的气缸体、进气歧管、排气歧管、涡轮增压器和中冷器以及燃烧的模型，之后把各个部分连接起来，形成柴油机的总体模型，见图1。
1.3 模型标定思路
柴油机模型建立好之后，还需要针对具体要求设置运行参数，进行模型标定。
1.3.1 中冷系统的标定
图2 中冷系统标定流程示意图
用质量流量边界模拟压气机出口，环境边界模拟中冷器出口；通过调整有关压力损失和热传递参数，使中冷后的压力和温度跟实测保持一致。
1.3.2 燃烧模型标定
直接采用GT-Power的放热率模型，输入缸压曲线；在没有缸压曲线的情况下，柴油机考虑DIJet仿真燃烧模型 。标定调整方法可以通过GT-Power自带DOE工具，优化目标包括功率、爆压、进气流量，在所有DOE计算结果中进行折衷处理。
1.3.3 摩擦功标定
燃烧模型标定完后，如果功扭仍不满足要求，调整摩擦功参数。
1.3.4 涡轮增压系统标定
用自由轴驱动涡轮，驱动转速为实测增压器转速；用自由轴驱动压气机，驱动转速为实测增压器转速；先后对压气机和涡轮机进行调试，实现增压器系统的内部平衡，即转速、流量、功率三者平衡。
1.3.5 系统参数标定
在1.3.1基础上增加发动机本体，用环境边界模拟涡前压力、温度。调整对象包括进气歧管、进气管、气缸内壁、排气歧管和排气管；调整参数包括有关压力损失和热传递的参数，如：进气歧管的压损、温度，进气管口的温度、进气管流量系数，气缸壁面温度、热传递因子，排气歧管的压损、温度，排气管壁温；使充气效率、中冷器出口压力、温度，进气歧管部分温度，排气歧管部分温度、压力跟实测保持一致。
1.4 仿真模型计算与验证
柴油机模型建立好之后，针对具体要求设置运行参数进行了模型标定，之后进行模型模拟运算，对柴油机全负荷运行时的几个工况点的动力性能进行模拟计算，得到如图3，图4所示的特性曲线图。由图3得知，GT-POWER软件仿真计算功率和该型发动机的台架实际测试结果误差在±3%以内，1 300 rpm-1 600 rpm略大，图中误差线为2%；由图4得知，GT-POWER软件仿真计算比油耗和该型发动机的台架实际测试结果误差在±3%以内，图中误差线为±3%；由此说明本仿真模型能够比较准确地反映柴油机的实际性能、可靠性较高，能够作为进一步喷油器选型设计的依据。
图2 试验与仿真功率对比图
图3 试验与仿真比油耗对比图
2 喷油器选型仿真计算
2.1 计算对象
选取三种喷油器，进行仿真计算与分析。重点是分析喷油器匹配中发动机的经济性、动力性、可靠性方面的变化与差异。三种喷油器的主要特征如表2所示。
表2 喷油器主要参数
2.2 计算方法
根据仿真模型，分别针对A、B、C三种喷油器进行计算，分析它们对发动机扭矩、比油耗以及涡轮增压器的涡前排气温度等的影响，尤其是发动机万有特性对车用柴油机的燃油经济性影响很大，不能忽略。
2.3 计算条件
模型中压力损失及温度控制条件如下：
进气阻力：-3 kPa，模拟空气滤清器。
中冷压差：13 kPa，模拟空空中冷器。
排气背压：20 kPa，模拟后处理系统。
中冷后温：50 deg_c，模拟空空中冷器。
2.4 计算分析
依据计算方法和计算条件，进行三种喷油器的仿真计算，下面对计算结果进行分析。
如图5所示，B型喷油器在1 300 rpm以下发动机扭矩满足不了设计要求，在实际开发中可能会遇到，即使发动机扭矩满足要求，发动机排气烟度也可能大于其它两种喷油器；C型喷油器与A型喷油器的发动机扭矩基本相当。endprint
图5 三种喷油器的扭矩曲线
图6 三种喷油器的比油耗曲线
如图6所示，B型喷油器的发动机全负荷比油耗整体比其它两种差，1 300 rpm以下差别更大；C型喷油器与A型喷油器基本相当。
如图7所示，B型喷油器在1 300 rpm以下的发动机涡前排气温度低于其它两种，平均低约20 deg_C；C型喷油器与A型喷油器基本相当。
图7 三种喷油器的涡前排气温度曲线
B—点划线；VS C—实线
图8 B、C型喷油器的万有特性曲线
C—实线；VS A—点划线
图9 A、C型喷油器的万有特性曲线
如图8所示，C型喷油器在发动机万有特性上表现是在60%负荷以上燃油经济性优于B型喷油器。
如图9所示，C型喷油器在发动机万有特性上表现是在最大扭矩转速以上燃油经济性优于A型喷油器。
综合分析，C型喷油器整体性能最优。
3 台架试验验证
图10 三种喷油器的实际台架运行扭矩曲线
图11 三种喷油器的实际台架运行比油耗曲线
图12 三种喷油器的实际台架运行S415烟度曲线
通过软件仿真计算，得出了C型喷油器整体最优；随后在试验室采用该型号发动机的180马力标定进行了实际的喷油器运行试验，每次更换喷油器之后对标定进行调整，使之满足以下条件：
①排温、爆压、增压器转速不超过限值；
②外特性达到设计目标；
③经济性、烟度最优。
试验结果如图11、图12、图13所示，从扭矩曲线吻合性、比油耗、烟度方面得出了C型喷油器整体最优，进一步验证了仿真模型的准确性和实用性。
4 结论
（1）GT-POWER软件可用于车用电控柴油机喷油器匹配仿真分析研究。
（2）所建立的仿真模型能准确模拟车用电控柴油机实际运行工况。
（4）确定了C型喷油器为本次仿真计算的最优匹配选择。
参考文献：
[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]唐忠良，等.基于GT—power的船用柴油机增压匹配仿真优化分析[J].内燃机，2013，1（6）.endprint
图5 三种喷油器的扭矩曲线
图6 三种喷油器的比油耗曲线
如图6所示，B型喷油器的发动机全负荷比油耗整体比其它两种差，1 300 rpm以下差别更大；C型喷油器与A型喷油器基本相当。
如图7所示，B型喷油器在1 300 rpm以下的发动机涡前排气温度低于其它两种，平均低约20 deg_C；C型喷油器与A型喷油器基本相当。
图7 三种喷油器的涡前排气温度曲线
B—点划线；VS C—实线
图8 B、C型喷油器的万有特性曲线
C—实线；VS A—点划线
图9 A、C型喷油器的万有特性曲线
如图8所示，C型喷油器在发动机万有特性上表现是在60%负荷以上燃油经济性优于B型喷油器。
如图9所示，C型喷油器在发动机万有特性上表现是在最大扭矩转速以上燃油经济性优于A型喷油器。
综合分析，C型喷油器整体性能最优。
3 台架试验验证
图10 三种喷油器的实际台架运行扭矩曲线
图11 三种喷油器的实际台架运行比油耗曲线
图12 三种喷油器的实际台架运行S415烟度曲线
通过软件仿真计算，得出了C型喷油器整体最优；随后在试验室采用该型号发动机的180马力标定进行了实际的喷油器运行试验，每次更换喷油器之后对标定进行调整，使之满足以下条件：
①排温、爆压、增压器转速不超过限值；
②外特性达到设计目标；
③经济性、烟度最优。
试验结果如图11、图12、图13所示，从扭矩曲线吻合性、比油耗、烟度方面得出了C型喷油器整体最优，进一步验证了仿真模型的准确性和实用性。
4 结论
（1）GT-POWER软件可用于车用电控柴油机喷油器匹配仿真分析研究。
（2）所建立的仿真模型能准确模拟车用电控柴油机实际运行工况。
（4）确定了C型喷油器为本次仿真计算的最优匹配选择。
参考文献：
[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]唐忠良，等.基于GT—power的船用柴油机增压匹配仿真优化分析[J].内燃机，2013，1（6）.endprint
图5 三种喷油器的扭矩曲线
图6 三种喷油器的比油耗曲线
如图6所示，B型喷油器的发动机全负荷比油耗整体比其它两种差，1 300 rpm以下差别更大；C型喷油器与A型喷油器基本相当。
如图7所示，B型喷油器在1 300 rpm以下的发动机涡前排气温度低于其它两种，平均低约20 deg_C；C型喷油器与A型喷油器基本相当。
图7 三种喷油器的涡前排气温度曲线
B—点划线；VS C—实线
图8 B、C型喷油器的万有特性曲线
C—实线；VS A—点划线
图9 A、C型喷油器的万有特性曲线
如图8所示，C型喷油器在发动机万有特性上表现是在60%负荷以上燃油经济性优于B型喷油器。
如图9所示，C型喷油器在发动机万有特性上表现是在最大扭矩转速以上燃油经济性优于A型喷油器。
综合分析，C型喷油器整体性能最优。
3 台架试验验证
图10 三种喷油器的实际台架运行扭矩曲线
图11 三种喷油器的实际台架运行比油耗曲线
图12 三种喷油器的实际台架运行S415烟度曲线
通过软件仿真计算，得出了C型喷油器整体最优；随后在试验室采用该型号发动机的180马力标定进行了实际的喷油器运行试验，每次更换喷油器之后对标定进行调整，使之满足以下条件：
①排温、爆压、增压器转速不超过限值；
②外特性达到设计目标；
③经济性、烟度最优。
试验结果如图11、图12、图13所示，从扭矩曲线吻合性、比油耗、烟度方面得出了C型喷油器整体最优，进一步验证了仿真模型的准确性和实用性。
4 结论
（1）GT-POWER软件可用于车用电控柴油机喷油器匹配仿真分析研究。
（2）所建立的仿真模型能准确模拟车用电控柴油机实际运行工况。
（4）确定了C型喷油器为本次仿真计算的最优匹配选择。
参考文献：
[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]唐忠良，等.基于GT—power的船用柴油机增压匹配仿真优化分析[J].内燃机，2013，1（6）.endprint
