柴油机可调两级涡轮增压系统一维仿真建模及验证

2023-05-13彭海勇武涛张海波张宝川沈笠

内燃机与动力装置 2023年2期

彭海勇,武涛,张海波,张宝川,沈笠

1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海 201620;2.上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海 200240

0 引言

全球能源和环境问题日益严峻,对柴油机技术的发展提出了新的挑战,柴油机强化程度越来越高,提高柴油机增压压比、进一步增大循环进气量是提高柴油机功率密度、降低排放的有效措施[1]。传统的单增压器增压系统很难满足现代柴油机对高增压的需求,很难兼顾复杂多变的柴油机工况。为解决单增压器系统存在的问题,研究人员提出了相继增压系统和可调两级增压系统。自20世纪60年代末开始,研究人员针对两级涡轮增压系统在大功率柴油机上的应用开展了大量的研究[2-6],经过几十年的发展,可调两级增压系统已经进入了产品化阶段[7-9]。此外,研究人员还将可调两级增压系统与米勒循环、废气再循环、可变截面涡轮增压(variable geometry turbocharger,VGT)等技术结合,对两级增压系统的应用进行更深入的研究[10-15]。

可调两级增压系统能够实现较高的增压压力,提高柴油机废气利用率,改善柴油机在低工况时的性能,提高发动机瞬态工况时的动态响应特性。由于旁通阀能够实现对增压系统的连续调节,可调两级增压系统能够有效改善柴油机在工况变化时功率输出变化的平顺性[16-17]。柴油机工况复杂多变,动态工况下旁通阀控制策略的优化设计是关键,采用仿真计算的方法是研究可调两级增压系统的动态控制策略的有效手段之一[18]。仿真计算可以大大降低柴油机动态工况试验的成本和难度,计算结果可以为发动机瞬态工况控制策略的台架试验提供重要的参考价值。

本文中针对某WP7柴油机,采用GT-Power软件建立可调两级增压系统的仿真模型,根据试验结果对该模型进行验证,为可调两级增压系统柴油机瞬态工况控制策略研究提供指导。

1 研究对象及系统组成

某WP7柴油机基本参数如表1所示,采用的可调两级增压系统管路连接示意如图1所示。

表1 WP7柴油机基本参数

图1 可调两级增压系统管路连接示意图

可调两级增压系统由高压级和低压级2个涡轮增压器串联组成;高压级和低压级增压器之间接入1个压间中冷器,用来对低压级增压器增压后的进气进行冷却;高压级增压器后接入1个高压级中冷器,用来对经两级增压后的进气进行冷却,提高发动机的进气量;在高压级涡轮旁安装1个旁通阀对增压系统进行调节。

2 稳态仿真模型建立及试验验证

2.1 仿真模型的建立

采用GT-Power软件建立的可调两级涡轮增压系统柴油机一维仿真模型如图2所示。由图2可知:整个系统模型由可调两级增压系统、进气系统、排气系统、曲轴箱及气缸等模块构成,其中,气缸模块是整个模型的关键,其参数设置是影响仿真计算结果准确性的关键因素之一。缸内燃烧采用韦伯燃烧模型,韦伯模型公式相对简单,需设置的参数较少,在模拟发动机缸内实际放热过程时计算精度较高,计算速度和收敛速度较快,在发动机仿真计算和优化设计中得到广泛应用。韦伯模型需设置的参数主要包括着火延迟角、预混燃烧比例、后燃比例、预混燃烧持续期、主燃持续期和后燃持续期等。

图2 可调两级增压系统柴油机一维仿真模型

发动机标定工况下燃烧模型主要参数设置如表2所示。

表2 标定工况下韦伯燃烧模型设置参数

2.2 稳态模型的试验验证

在对仿真模型进行验证时,选择外特性工况和推进特性工况下的发动机油耗率、进气压力及涡轮前排气温度3个参数进行对比验证。

本次仿真中选取的发动机外特性工况点示意如图3所示。外特性工况下发动机油耗率、进气压力、涡前排温的稳态计算和试验结果对比如图4所示,各参数试验和计算结果的相对误差如图5所示。

图3 原机外特性工况点

由图4可知:在外特性工况下,稳态仿真计算和试验结果差别不大,而且随转速增大的变化趋势非常一致。由图5可知:油耗率的仿真计算和试验结果最大相对误差为2.95%,进气压力的最大相对误差为4.96%,涡前排气温度的最大相对误差为4.89%。

图4 外特性工况发动机油耗率、进气压力、涡前排温稳态仿真计算与试验结果对比

图5 外特性工况发动机油耗率、进气压力、涡前排温稳态计算与试验结果相对误差

为进一步确认模型的可靠性,对部分推进特性工况下发动机的油耗率、进气压力和涡前温度进行对比验证分析。选取推进特性的全负荷工况为1 500 r/min时的外特性工况,其他工况点则根据发动机的推进特性计算得到。选取的推进特性工况点如图6所示。

图6 模型验证计算工况点

推进特性工况下,发动机油耗率、进气压力、涡前排温稳态仿真与试验结果的对比如图7所示,相对误差如图8所示。由图7、8可知:在推进特性工况下,油耗率、进气压力和涡前温度的计算和试验结果在数值上非常接近;油耗率的仿真和试验计算结果相对误差最大为2.86%,进气压力的最大相对误差为4.01%,涡前排气温度的最大相对误差为4.86%。

图7 推进特性工况发动机的油耗率、进气压力、涡前排温稳态仿真与试验结果对比

图8 推进特性工况发动机的油耗率、进气压力、涡前排温稳态仿真与试验结果相对误差

根据以上分析,外特性和推进特性工况下,发动机的油耗率、进气压力和涡前温度的稳态试验和计算结果在数值和变化趋势上均非常接近,最大相对误差均小于5%。因此,所建立的一维仿真模型与实际系统相符,仿真结果具有较高的精度和可靠性,该模型可应用于可调两级增压系统柴油机稳态性能的仿真研究。

3 瞬态仿真模型建立及试验验证

3.1 瞬态仿真模型建立

稳态仿真时,仿真模型的转速、燃烧模型参数、供油参数等相关参数均维持恒定不变;发动机在瞬态工况下,转速、喷油参数及燃烧模型参数等随循环变化而发生改变,进行瞬态工况仿真计算时,仿真模型应根据发动机实际工况的变化对相关参数进行动态调整,实现对发动机实际瞬态工况过程的模拟。进行发动机一维仿真计算时,缸内燃烧模型是决定仿真精度和可靠性的关键因素。在瞬态工况下,由于工况变化,喷油参数、转速等边界条件发生改变,实际的缸内燃烧过程必然会发生变化。这种工况变化导致发动机出现非稳定的过渡过程在增压柴油机上的表现得更加突出。这主要是由于工况突变时,增压器存在一定的响应滞后造成的。因此,在瞬态工况仿真计算时,若缸内燃烧模型的相关参数采用恒定值,仿真计算无法真实模拟发动机瞬态过程,无法得到正确结果。

进行瞬态工况仿真计算时,在稳态试验结果的基础上,基于转速和喷油量的变化对各稳态工况下的韦伯燃烧模型的相关参数进行标定,得到燃烧模型各参数随喷油量和转速变化的map图;然后根据瞬态仿真计算过程中每个计算循环得到的转速和喷油量结果查燃烧模型各参数的map图,得到对应循环的燃烧模型韦伯参数,并对燃烧模型进行实时循环更新,模拟瞬态工况下发动机缸内燃烧过程的循环变化。除对燃烧模型参数做出调整外,进行瞬态工况仿真时,应对模型的相关参数进行调整。利用GT-Power软件进行发动机一维仿真计算时,稳态工况下的转速为恒定值,进行稳态计算时,计算模式通常设为转速模式;瞬态工况下,转速通常由计算得到的发动机输出功率和测功机测量得到的负荷、转矩共同确定,在瞬态工况模拟时,计算模式通常采用转矩模式。

瞬态仿真计算中设置模型相关参数时,计算步长应采用基于时间的方式。模型输入的一些实时动态参数,如瞬态工况下实时测量得到的发动机转矩和喷油量等,也是基于时间采样得到的实际测量结果。此外,在模拟计算发动机加速等瞬态工况时,首先使各循环参数在初始工况下达到稳定,然后调整发动机转矩、循环喷油量等参数模拟相应瞬态工况的实际变化。因此,在进行瞬态工况仿真计算时,应关闭仿真软件中以收敛条件作为计算自动结束的默认设置。在计算结果输出设置中,应选择保存各计算结果基于时间的实时变化值。

3.2 瞬态仿真模型的试验验证

在推进工况条件下,主要对瞬态过程的进气压力、转矩及转速的计算结果进行对比分析。本研究中试验台架为电涡流测功机台架,试验结果较难准确反映柴油机推进特性的螺旋桨工况。为了验证柴油机在推进特性下的瞬态燃烧模型和涡轮增压器模型的可靠性,将试验得到的转速和循环喷油量导入到一维仿真模型中,在转速计算模式下,得到瞬态工况下转矩和进气压力。瞬态工况下发动机转矩、进气压力的仿真与试验结果对比如图9所示。

a)转矩 b)进气压力

为了更真实地模拟实际工况,将试验测量的瞬态工况下发动机的输出转矩代入一维仿真模型的转矩模块,对柴油机在瞬态过程中的转速变化进行计算,并与试验测量结果进行对比,如图10所示。由图10可知:发动机瞬态工况下的转速计算与试验结果非常接近;工况过渡区间,转速波动变化趋势非常接近;这说明瞬态工况下的转速计算结果具有一定的准确度。