可变压缩比技术对柴油机性能的影响

2016-08-16薛光远马哲树刘吉财

江苏船舶 2016年3期

关键词：消耗率压缩比柴油机

薛光远,马哲树,徐　亮,刘吉财

(江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212003)

可变压缩比技术对柴油机性能的影响

薛光远,马哲树,徐亮,刘吉财

(江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212003)

利用GT-power软件研究不同压缩比对某4JB1型中冷增压系统柴油机燃油经济性和排放性能的影响规律。模拟结果表明，当发动机处于高负荷的工况时适当降低压缩比可以有效控制氮氧化物(NOX)的生成,处于低负荷的工况时采用高压缩能节约燃油。研究对柴油机压缩比参数的优化具有一定的参考价值。

柴油机；压缩比；燃油消耗率；氮氧化物

0　引言

压缩比一般指气缸总容积与燃烧室容积比值，是衡量发动机性能的重要参数。当发动机压缩比较高时，压缩终了时气缸内的空气压力和温度较高，利于燃料的着火，柴油机的冷起动性能和燃烧性能较好,但此时最高燃烧压力和压力升高率也会随之增加，使得发动机的工作变得粗暴，从而增加了燃烧过程中NOX的生成率和排放量[1]。若压缩比较低, 压缩终了时气缸内空气的压力和温度较低会导致气动性能和燃烧性能变差，从而引起燃油消耗率增加。因此，柴油机压缩比需要考虑多方面的影响因素进行折中确定[2]。

柴油机的压缩比一般是不可变化的，因为燃烧室容积和气缸的工作容积参数都是固定值的。为了使发动机能在各种工况中发挥更好的效能，可变压缩比技术(VCR)通过以变对变的方式来改善发动机的运行性能[3]。核心技术采用在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面自由运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，从而改变燃烧室的容积，最终使得压缩比发生改变[4]。

可变压缩比技术研究起步早。1952年英国内燃机研究所开始研究可变压缩比活塞。前苏联在20世纪80年代拖拉机研究所进行可变压缩比柴油机实验，证明该技术能够有效提高发动机部分负荷的经济性。我国西安交通大学从1969年开始研制出可变压缩比的摆盘柴油机[5]。近年来可变压缩比技术在发动机上的主要应用:瑞典申宝公司在2000年研制的1.6 L排量的5缸可变压缩比发动机，通过使发动机缸盖的位置变化来实现控制压缩比的变化为8～14;日本某公司在2005年研制出的可变压缩比发动机样机的压缩比变化范围为8～14，发动机的燃烧性能良好，燃油消耗量较同等排量的产品降幅达到了30%，并且发动机处于高EGR(废气再循环系统)率也能稳定运行[6]。

1　柴油机模型的建立与验证

1.1仿真模型建立

基于降低排放量并保持柴油机性能不变的需求，本文通过GT-power软件平台，对某4JB1型增压中冷柴油机进行建模和可变压缩比技术的仿真，对其燃油经济性和NOX生成量进行计算分析。某4JB1型柴油机基本参数见表1。

表1　某4JB1型柴油机基本参数

GT-power软件主要是以理想气体状态方程、有限元原理、能量守恒方程、能量守恒定律为基础，用于内燃机性能分析与模拟的软件。本模型包括发动机进排气管路、4气门、中冷系统、喷油器、气缸和曲轴箱组成。图1为某4JB1型柴油机整机物理模型。

4JB1型增压中冷柴油机模型中运用了3个子模型，环境模型选择考虑环境压力和温度的常规模型，热力学子模型采用直喷燃烧预测模型,传热子模型选择wosehni放热模型。

图1　某4JB1型柴油机整机物理模型示意图

1.2仿真模型验证

进行仿真前，必须对模型的准确性进行校准，校准的方式是与实验值进行对比。模拟值和实验值的对比见表2。通过表2可以发现，该发动机的外特性模拟计算结果与实验结果的吻合度较好，其中功率最大误差5%，扭矩最大误差1%，燃油消耗率最大误差2%，NOX生成量最大误差2%，Soot(碳烟)生成量最大误差9%，因而所建4JB1型柴油机物理模型在误差允许范围内, 可以利用模型代替实际柴油机对柴油机的性能进行模拟分析。

表2　模拟值和实验值的对比

2　压缩比对柴油机性能影响

本文研究在2 000 r/min和3 500 r/min两种工况下，压缩比对柴油机燃油消耗率、NOX和Soot生成量的影响分析(压缩比变化范围在16.2～20.2)。

2.1压缩比对燃油消耗率的影响

从图2和图3可以看出，在2 000 r/min工况下压缩比从16.2升至20.2时，在燃油消耗率方面，100%负荷时燃油消耗率下降幅度约72‰，75%负荷时下降幅度约48‰，50%负荷时下降幅度40‰。在3 500 r/min工况下，在燃油消耗率方面，100%负荷时下降幅度最大，油耗降低约62‰，75%负荷时下降幅度约40‰，50%负荷时下降幅度约31‰。

图2　转速2 000 r/min时压缩比对燃油消耗率的影响

图3　转速3 500 r/min时压缩比对燃油消耗率的影响

2.2压缩比对NOX生成量的影响

从图4和图5可以看出，在2 000r/min工况下压缩比从16.2升至20.2时，NOX生成量在100%负荷时变化最大，增大约18%；75%负荷时次之，增大约15%；50%负荷时增大约11%。在3 500 r/min的条件下压缩比从16.2升至20.2时，NOX生成量在100%负荷时变化最大，增大约15%；75%负荷时次之，增大约12%；50%负荷时增大约10%。

2.3压缩比对Soot生成量的影响

从图6和图7可以看出，在2 000 r/min工况下压缩比从16.2升至20.2时，Soot生成量在100%负荷时变化约0.012 g/(kW·h)，75%负荷时变化约0.009 g/(kW·h)，50%负荷时变化约0.008 g/(kW·h)。在3 500 r/min工况时，Soot生成量在100%负荷时下降幅度最大，降低约0.018 g/(kW·h),75%负荷时降低约0.014 g/(kW·h),50%负荷时降低约0.010 g/(kW·h)。随着压缩比的增大，

Soot生成量逐渐降低,但变化量很小。