变海拔环境下柴油机性能仿真研究

景 琦，骆清国

(陆军装甲兵学院 车辆工程系， 北京 100072)

装甲车辆行驶地域广阔，行驶工况多变复杂，而柴油机作为车辆行驶动力的重要来源，其可靠性是车辆完成作战任务的重要保证[1-3]。在我国西部地区，高原、山地分布广阔，在高原地区，当海拔从0 m上升到5 000 m时，空气密度下降41.7%，大气压力下降48.6%，气压的降低对柴油机的燃烧状况造成恶劣的影响，容易造成功率下降、排气温度过高、燃油经济性下降等问题[4-5]。

为了解决这一问题，研究者采用高原实地试验或在实验室搭建发动机海拔模拟试验平台的方法来探究柴油机高原性能变化情况[6-7]。Xin Wang等将柴油机测试台架安装在卡车上，实现了在不同海拔高度上移动测量发动机性能变化规律的目的[8]。Z.C.Kan等在实验室搭建了模拟高原环境的发动机测试系统，进行了冷启动过程中影响柴油机燃烧因素的研究[9]。Szedlmayer，M.在美国陆军建立的小型发动机海拔研究实验室内对直喷式涡轮增压柴油机进行试验，获得了在变海拔条件下，发动机燃烧和性能的变化规律[10]。高荣刚等利用仿真软件FIRE对不同海拔条件下柴油机缸内燃烧过程进行了三维仿真模拟[11]。

综上可知，利用试验方法对柴油机高原性能变化规律进行研究存在着测试投入大、试验周期长等问题。因此，本文基于发动机一维仿真软件GT-Power，利用试验与仿真相结合的手段，将特定工况下的柴油机试验数据用于校正发动机工作过程模型，仿真研究了海拔变化对柴油机燃烧特性以及整机动力性及经济性的影响规律。

1 柴油机数值仿真基本理论

柴油机的工作循环是周期性的将燃料燃烧所产生的热能转变为机械能的过程，它由活塞运动行程的进气、压缩、膨胀和排气等多个重复进行的过程组成。

将柴油机气缸视作一个热力系统，根据能量守恒方程、质量守恒方程及气体状态方程，在GT-Power上对缸内的热力过程进行建模。

缸内能量守恒方程：

(1)

式中：φ为曲轴转角；m为气缸内的工质质量；u为气缸内的工质内能；V为缸内容积；p为气缸内的工质压力；QB为燃料燃烧放热量；QW为通过系统边界的热损失；he为排出气缸废气的焓值；dme/dφ为排出气缸废气的质量流量。

缸内质量守恒方程：

(2)

式中：mB为燃油喷射质量；mi为进气质量；me为排气质量。

假设缸内工质为理想气体，满足理想气体状态方程：

pVS=mRT

(3)

式中：R为气体状态常数；p为工质压力；T为工质温度。

采用Hiroyasu准维油滴蒸发燃烧模型，该模型指出燃烧速率主要由油滴蒸发速率控制，油滴的蒸发将延续到大部分的燃烧过程。

假设空气与油滴的速度相同，则有：

mfijuni=(mfij+maij)uij

(4)

式中：mfij为各区燃油质量；uni为第i个时间步长中喷孔出口速度；uij为第(i，j)区的瞬时速度。

各区所含有的燃油蒸汽质量为：

(5)

式中：SMDi为各区(i，j)在所计算时刻的油滴索特平均直径；N为油滴群的颗粒数。

各区的当量燃油空气比Fij可按下式确定，即：

(6)

式中：mjv为燃油蒸汽质量；fsz为理论燃空比。

着火以后的油滴燃烧率ψB的计算式为：

(7)

式中：Bf为传质系数。

2 柴油机模型的建立与验证

2.1 模型建立

假设工质为理想气体，缸内工质混合均匀且完全燃烧，气体流动过程为准稳态流动过程。缸内燃烧模型选择广安博之模型，缸内传热采用沃西尼公式，利用GT-Power自带的增压器和涡轮模块，并将其对应的流量特性、效率特性曲线输入模型。

利用该型柴油机自身参数建立GT-Power模型，如图1所示。本文所研究的柴油机基本参数见表1，

图1 柴油机工作过程模型示意图

表1 柴油机基本参数

2.2 验证

为了验证GT模型的准确性，在大气压力为89.3 kPa，温度为25.8 ℃，湿度为63%的环境下对该型号柴油机进行了台架试验，试验装置如图2所示。

图2 柴油机台架试验装置图

分别选择额定工况点(2 200 r/min)和最大扭矩工况点(1 500 r/min)的瞬时放热率对试验和仿真结果进行比较，如图3、图4所示，结果表明，仿真值与实验值平均误差为4.2%，满足工程计算的精度要求，验证了柴油机工作过程仿真模型的准确性。

图3 额定工况瞬时放热率试验与仿真结果曲线

图4 最大扭矩工况瞬时放热率试验与仿真结果曲线

3 仿真结果及分析

通过在GT-Power中改变环境压力和温度，达到模拟海拔高度变化的目的，分析柴油机性能和燃烧特性受海拔高度的影响规律。

3.1 海拔对动力性的影响

对柴油机高原环境动力性的分析主要集中在对功率下降的测量与分析上，功率随海拔变化曲线如图5所示。

图5 柴油机功率随海拔的变化曲线

由图5可知，当海拔高度由0 m上升到4 500 m时，各工况下的功率都处于下降态势，其中额定工况功率由402.3 kW下降到325.4 kW，下降了19.1%。在0 m到3 000 m时，功率每1 km下降4%，当海拔从3 000 m上升到4 500 m时，功率急剧增加，每1 km为11%。主要是由于海拔高度的升高，进气密度降低，直接导致缸内燃烧恶化，致使发动机功率下降。

3.2 海拔对经济性的影响

柴油机外特性工况下的燃油消耗率随海拔的变化曲线如图6所示。在保持海拔不变时，燃油消耗率随着转速的升高先减小后增大。随着海拔的升高，柴油机的燃油消耗率呈现上升趋势，同时低转速下的燃油消耗率增幅明显，高转速下的燃油消耗率增幅相对较小。

图6 柴油机燃油消耗率随海拔的变化曲线

当柴油机转速在1 800 r/min以下时，海拔高度从0 m升高到4 500 m，燃油消耗率平均升高15.8%；当转速在1 800 r/min以上时，燃油消耗率平均升高7.2%。这是由于在低转速时增压器转速下降受海拔高度的影响程度更高，进气量不足，导致燃烧恶化程度加剧，从而降低了发动机的经济性。

3.3 海拔对燃烧的影响

柴油机受海拔变化影响所产生的性能衰减，主要是因为缸内燃烧情况受到进气密度的影响。因此，对缸内燃烧情况进行仿真，仿真曲线如图7所示。

图7 柴油机最高燃烧压力随海拔的变化曲线

在同海拔高度下，随着转速的上升，缸内最高燃烧压力基本趋于定值，当海拔升高时，不同工况下的最高燃烧压力呈现下降趋势。这是因为，随着海拔高度的升高，进气密度的降低致使缸内燃烧不充分，最终导致缸内最高燃烧压力随海拔的升高而降低的现象产生。

柴油机缸内瞬时放热率随海拔高度的变化曲线如图8所示。从图8可以看出，随着海拔高度的增加，瞬时放热率的峰形变窄，且放热率峰值不断后移，说明随着海拔的升高缸内后燃现象加剧。此外，随着海拔的升高燃烧始点后移，海拔高度每升高1 km，燃烧始点平均后移0.8 ℃A。

图8 柴油机瞬时放热率随海拔的变化曲线

4 结论

1) 基于Hiroyasu燃烧模型和Woschni传热模型建立的GT-Power柴油机工作过程仿真模型在模拟柴油机变海拔环境下的性能变化规律时具有较高的准确性，有效地缩短了研究周期。

2) 海拔高度的变化对柴油机功率有显著影响。具体表现为随海拔的升高功率显著降低，其中高海拔时功率下降幅度大于低海拔。

3) 随海拔高度的增加，柴油机的燃油消耗率降低。在低转速下燃油消耗率降低幅度高于高转速燃油消耗率。

4) 随海拔高度的增加，柴油机的燃烧开始恶化。最高燃烧压力降低。海拔升高造成燃烧始点后移，最高瞬时放热率增加，燃烧持续期延长，后燃现象严重。