基于avl-box發(fā)動機模擬的柴油機性能優(yōu)化研究

基于avl-box發(fā)動機模擬的柴油機性能優(yōu)化研究

建立柴油性能計算模型在這項工作中，我們使用了帶有代表性的4c28步槍機作為原型，并使用了基于星星的專業(yè)軟件建立了基于機槍的動態(tài)計算模型。探討分析影響機槍設備性能的主要技術(shù)，并確定最佳參數(shù)值范圍。為提高和研究機械國家排放的產(chǎn)品提供指導和理論依據(jù)。1計算公式的建立本文的研究以四缸排量為2.8L的車用柴油機為開發(fā)樣機,探討各個系統(tǒng)參數(shù)對柴油機性能的影響規(guī)律,找出最佳的參數(shù)匹配使其達到車用國Ⅲ排放標準的要求。主要技術(shù)參數(shù)見表1。根據(jù)柴油機技術(shù)參數(shù)建立熱力學計算模型,如圖1所示。柴油機的燃燒模型選用AVL-MCC模型,傳熱模型選用Woschni模型,活塞傳熱面積及溫度、氣缸蓋傳熱面積及溫度、氣缸壁傳熱面積及溫度等熱力學參數(shù)參照文獻中有關(guān)經(jīng)驗公式計算得出。平均機械損失壓力的計算采用以下經(jīng)驗公式計算而得:pmm=0.00697A+0.0483(n1000)+0.0401?(Cm10)2MPapmm=0.00697A+0.0483(n1000)+0.0401?(Cm10)2ΜΡa式中,對于直噴式柴油機,A=ε-4,ε為壓縮比;n為柴油機轉(zhuǎn)速,r·min-1;Cm為活塞平均速度,m·s-1。2不同的參數(shù)對發(fā)動機性能的影響本文是在等平均有效壓力的條件下進行優(yōu)化,即在保證發(fā)動機動力性能的前提下進行參數(shù)的優(yōu)化。2.1不同信噪比下柴油標定轉(zhuǎn)速下最高發(fā)電消耗率壓縮比對柴油機的性能參數(shù)有很大的影響,特別是對缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力的影響是顯著的,而最大爆發(fā)壓力代表了發(fā)動機的機械負荷和熱負荷性能并影響柴油機的可靠性,確定柴油機的壓縮比對柴油機的開發(fā)和性能的掌握有一定的積極作用。本文模擬研究了柴油機標定轉(zhuǎn)速下不同壓縮比對有效燃油消耗率和缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力的影響,如圖2所示。從圖2中可以看出,缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力隨壓縮比的增加呈線性變化,有效燃油消耗率基本保持不變,壓縮比從16增加到20,缸內(nèi)最高壓力從10.6MPa增加到13.4MPa,在壓縮比為18時達到12MPa。由于柴油機設計缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力應小于12MPa,考慮到柴油機的機械負荷和可靠性,以及考慮冷起動性能的影響,壓縮比的選擇應在17.5左右。2.2噴油提前角的影響噴油提前角對柴油機的缸內(nèi)燃燒過程有重要的影響,對柴油機的經(jīng)濟性和排放性能起重要的作用。本文根據(jù)電控VE泵可以在不同的工況對噴油提前角進行合理的調(diào)整的特點,模擬了標定轉(zhuǎn)速全負荷工況下不同噴油提前角對有效燃油消耗率、缸內(nèi)最高溫度和排氣溫度的影響,如圖3所示。從圖3中可知,隨著噴油提前角從-12°CA減小到-4°CA,有效燃油消耗率從246.1g·(kW·h)-1增加到251.9g·(kW·h)-1,缸內(nèi)最高溫度從1971K降低到1899K,排氣溫度從780K增加到827K?？梢钥闯?推遲噴油可以降低缸內(nèi)最高溫度,從而降低NOx的生成;然而推遲噴油會造成后燃,使排氣溫度增加?？紤]到柴油機的經(jīng)濟性和排放性能,噴油提前角的選擇應在-8°CA到-6°CA。2.3進氣流量的影響配氣機構(gòu)是柴油機中重要的部件之一,合理的配氣相位可以改善柴油機的換氣過程,提高氣缸的充量系數(shù),從而提高動力性和經(jīng)濟性,改善排放性能,由于原機是非增壓柴油機,因此采用增壓后需要對柴油機的進排氣過程進行優(yōu)化匹配研究。本文分析了3200r·min-1、2200r·min-1和1000r·min-1全負荷工況時配氣相位對柴油機進氣流量和有效燃油消耗率的影響,如圖4～圖7所示。從圖4中可知,隨著進氣提前角從-50°CA減小到-10°CA,進氣流量在3200r·min-1時于-30°CA達到最大值129.2g·s-1,而且在-40°CA到-25°CA之間變化較小;2200r·min-1時進氣流量變化不大;在1000r·min-1時進氣流量從22.9g·s-1增加到25.5g·s-1。在較大的進氣提前角時有效燃油消耗率在3200r·min-1和2200r·min-1時較低,而在1000r·min-1時在-30°CA到-15°CA之間較低。綜合分析,進氣提前角選在-32°CA。從圖5可知,隨著進氣遲閉角從20°CA增加到60°CA,進氣流量在3200r·min-1時在35°CA到55°CA之間達到最大值且變化較小;2200r·min-1時在30°CA到45°CA之間達到最大值變化較小;1000r·min-1時進氣流量隨著進氣遲閉角的增大呈減少趨勢。有效燃油消耗率在3200r·min-1和2200r·min-1時基本保持不變,在1000r·min-1大的進氣提前角時略有增加?？紤]到進氣遲閉角過大在低速時會出現(xiàn)氣體倒流的現(xiàn)象,在滿足柴油機性能的前提下,進氣遲閉角應在38°CA。從圖6可以看出,隨著排氣提前角從-80°CA減小到-40°CA,進氣流量在3200r·min-1和2200r·min-1時有所增加,在2200r·min-1時增加較大;在1000r·min-1時變化不大。有效燃油消耗率在3200r·min-1和2200r·min-1時呈增加態(tài)勢,在-80°CA到-60°CA之間變化不大;在1000r·min-1時有效燃油消耗率逐漸減少,在-70°CA到-55°CA之間變化不大。綜合考慮各轉(zhuǎn)速的有效燃油消耗率和進氣流量,柴油機的排氣提前角應選在-65°CA左右。從圖7可知,隨著排氣遲閉角從30°CA增加到70°CA,在3200r·min-1時進氣流量在45°CA附近達到最大值129.4g·s-1,在40°CA到55°CA之間變化較小;在2200r·min-1和1000r·min-1時進氣流量有所減少。在3200r·min-1時有效燃油消耗率從253.9g·(kW·h)-1減少到248.0g·(kW·h)-1,在40°CA到70°CA之間變化不大;在2200時有效燃油消耗率變化不大。在1000r·min-1時有效燃油消耗率略有增加?？紤]到排氣遲閉角過大在低速時會出現(xiàn)廢氣倒流的現(xiàn)象,在滿足柴油機性能的前提下,排氣遲閉角應在45°CA為宜。優(yōu)化后的配氣相位如表2所示:3全配型nox排放模擬計算根據(jù)企業(yè)提供的電控VE泵的噴油壓力曲線和提前角的變化特性,利用BOOST軟件對柴油機進行NOx排放的模擬計算,十三工況的模擬數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)GB17691-2005對NOx進行計算,得出結(jié)果NOx的排放值為4.7g·(kW·h)-1,能滿足國Ⅲ排放限值的要求。4燃油消耗率的模擬結(jié)果用計算結(jié)果指導設計開發(fā),對原機的零部件結(jié)構(gòu)進行改進,重新設計樣機;用BOOST軟件對優(yōu)化的柴油機外特性進行模擬計算,并和樣機試驗結(jié)果進行了對比,如圖8所示。從圖8可以看出,在柴油機的外特性性能上,柴油機的功率和扭矩的模擬值與試驗值基本是一致;在低轉(zhuǎn)速時,柴油機的模擬有效燃油消耗率略大于實驗值,誤差在5%以內(nèi),在高轉(zhuǎn)速時,模擬值小于實驗值,誤差在4%以內(nèi),標定點柴油機燃油消耗率模擬值為248.7g·(kW·h)-1,而實驗值為258.6g·(kW·h)-1,外特性上模擬值的最低有效油耗為219.6g·(kW·h)-1,模擬值為220.7g·(kW·h)-1模擬計算的柴油機的排氣溫度與試驗值基本一致。外特性上表現(xiàn)出來的性能說明建立的柴油機計算模型與實際的運行工況是相符的,建立的模型是正確的。對研發(fā)的樣機進行了ESC十三工況排放試驗,試驗結(jié)果見表4,排放試驗結(jié)果已達國Ⅲ排放限值的