论文部分内容阅读
摘要：本文利用AVL-boost软件建立某型柴油机的热力学模型，对比柴油机脉冲转换排气方案、MPC排气方案两种排气系统的整机性能参数，优化出一种方案，在此方案基础上，进行不同涡流比情况下的推进特性计算，得出一系列性能参数，为气道的优化设计提供指导。
Abstract： In this paper， the thermodynamic model of one diesel engine is established by using AVL-boost software， and the performance parameters of Pulse Conversion Exhaust System and MPC exhaust system are compared， a series of performance parameters are obtained by calculating the thrust characteristics under different swirl ratios， which can provide guidance for the optimum design of the port.
关键词：柴油机;热力学计算;推进特性
Key words： diesel engine;thermodynamic calculation;propulsive characteristic
中图分类号：U664.142 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0079-02
0 引言
柴油机工作过程很复杂，其性能受进气流动、排气流动、缸内工质混合及燃烧过程等影响，并由其相互作用所决定。传统热力计算往往基于经验值，误差较大，不能全面反映柴油机实际工作情况，已经不能满足高增压柴油机越来越高的设计和控制要求。随着计算机技术的发展，在柴油机设计时我们可以利用比较成熟的性能分析软件，建立柴油机的热力学模型，通过仿真计算得到柴油机综合参数以及整机性能，缩短开发周期，提高设计效率。
本文利用奥地利AVL公司的boost软件建立某型柴油机的热力学模型，对比柴油机脉冲转换排气方案、MPC排气方案两种排气系统的柴油机整机性能参数，优化出一种方案，在优化出的方案基础上，进行不同涡流比情况下的推进特性计算，得出一系列性能参数，为气道的优化设计提供指导。
1 柴油机工作过程模拟的理论基础
柴油机进排气管系内及缸内的气体流动很复杂，具有明显的三维流动特征。在推导气体流动的基本方程时可以简化假定：当流动空间的轴向几何尺寸比径向几何尺寸大很多时，可以认为流动空间内气体流动是一维的，对于每一流体参量，均可用相应管截面上的平均值来代替。柴油机的一维整机模型主要包括缸内系统、进排气管道系统及增压系统。缸内系统的计算模型建模时为了描述气缸内工质状态变化，可视气缸为一个整体系统，系统的边界由活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁面组成，边界因素通过边界条件进行控制;柴油机缸内工作过程计算时燃烧模型采用Vibe函数;柴油机模型参数主要设定温度、压力、流量系数和空燃比A/F等参数。
2 柴油机仿真分析
2.1 柴油机基本结构参数 柴油机气缸数、燃油消耗率、冲程、结构型式、缸径、冲程等基本结构参数见表1。
2.2 排气方案对比 柴油机排气系统的基本型式有脉冲增压系统、定压增压系统及MPC增压系统，每一种增压系统都各有优缺点，需根据具体场合选用。
本文利用AVL公司的boost软件，分别建立脉冲转换排气方案和MPC排气方案两种排气方案的热力学计算模型。某型柴油机为16缸，V型夹角60°，将气缸上下两排布置，发火顺序按照实际发火顺序设定。进气过程：大气到压气机到气缸盖进气道到空冷器到进气管到气缸;排气过程：气缸到气缸盖排气道到排气管到涡轮机到大气。在所建立的两种排气方案模型中，主要包括以下部分：进气管路、排气管路、涡轮增压器、气缸、中冷器等。
建模后，输入环境边界条件（温度、压力、空燃比等）、测点位置、柴油机基本参数以及零部件结构参数等。在规定工况下运行该模型，通过分析得到燃油消耗率、涡前排温、涡后排温、过量空气系数等性能参数。
两种热力学计算模型排气方案结果对比如表2所示。
从表2中不难看出，MPC排气方案明显优于脉冲转换排气方案，原因是采用MPC排气方案时，排气能量利用率高，涡轮效率高，从而使得燃油消耗率下降，涡轮前后温差增大。
2.3 推进特性计算 利用前面所建立的MPC排气方案模型进行某型16缸柴油机25%、50%、75%、100%、110%、120%工况下推进特性的计算，得出一系列性能参数，具体参见图1～图4。
3 结论
本文利用AVL-BOOS软件建立模型，对比两种排气方案，在优选出的排气方案基础上进行了不同涡流比的计算，最后进行了不同工况下的推进特性仿真分析。从仿真结果中可以看出，某型柴油机在100%工况下燃油消耗率为202.5g/kWh，比目标值205 g/kWh低2.5g/kWh，经济性能较好，动力性有较大提高。120%工况时最大爆发压力为162bar，比限制值170 bar低8bar。只有对排气系统进行优化设计，才能保证柴油机具有更加良好的性能，BOOST计算结果从理论上证明MPC排气方案可以满足柴油机的性能要求，可以为后期该型柴油机优化设计提供一定的理论依据。最终，需要结合试验数据对模型进行验证与修正。
参考文献：
[1]任素慧.机车柴油机的高原工作过程数值模拟[D].西南交通大学，2007.
[2]芮鹏.高强化柴油机性能优化及可调涡轮增压系统匹配的仿真研究[D].北京交通大学，2007.
[3]郑清平，徐行军.天然气发动机冷却水套CFD分析.
[4]趙以贤，毕小平，王普凯，刘西侠.车用内燃机冷却系的流动与传热仿真[J].内燃机工程，2003，4（04）：1-5.
[5]高孝洪.内燃机工作过程数值计算.
[6]王伟涛.增压柴油机进气系统仿真研究.
Abstract： In this paper， the thermodynamic model of one diesel engine is established by using AVL-boost software， and the performance parameters of Pulse Conversion Exhaust System and MPC exhaust system are compared， a series of performance parameters are obtained by calculating the thrust characteristics under different swirl ratios， which can provide guidance for the optimum design of the port.
关键词：柴油机;热力学计算;推进特性
Key words： diesel engine;thermodynamic calculation;propulsive characteristic
中图分类号：U664.142 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0079-02
0 引言
柴油机工作过程很复杂，其性能受进气流动、排气流动、缸内工质混合及燃烧过程等影响，并由其相互作用所决定。传统热力计算往往基于经验值，误差较大，不能全面反映柴油机实际工作情况，已经不能满足高增压柴油机越来越高的设计和控制要求。随着计算机技术的发展，在柴油机设计时我们可以利用比较成熟的性能分析软件，建立柴油机的热力学模型，通过仿真计算得到柴油机综合参数以及整机性能，缩短开发周期，提高设计效率。
本文利用奥地利AVL公司的boost软件建立某型柴油机的热力学模型，对比柴油机脉冲转换排气方案、MPC排气方案两种排气系统的柴油机整机性能参数，优化出一种方案，在优化出的方案基础上，进行不同涡流比情况下的推进特性计算，得出一系列性能参数，为气道的优化设计提供指导。
1 柴油机工作过程模拟的理论基础
柴油机进排气管系内及缸内的气体流动很复杂，具有明显的三维流动特征。在推导气体流动的基本方程时可以简化假定：当流动空间的轴向几何尺寸比径向几何尺寸大很多时，可以认为流动空间内气体流动是一维的，对于每一流体参量，均可用相应管截面上的平均值来代替。柴油机的一维整机模型主要包括缸内系统、进排气管道系统及增压系统。缸内系统的计算模型建模时为了描述气缸内工质状态变化，可视气缸为一个整体系统，系统的边界由活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁面组成，边界因素通过边界条件进行控制;柴油机缸内工作过程计算时燃烧模型采用Vibe函数;柴油机模型参数主要设定温度、压力、流量系数和空燃比A/F等参数。
2 柴油机仿真分析
2.1 柴油机基本结构参数 柴油机气缸数、燃油消耗率、冲程、结构型式、缸径、冲程等基本结构参数见表1。
2.2 排气方案对比 柴油机排气系统的基本型式有脉冲增压系统、定压增压系统及MPC增压系统，每一种增压系统都各有优缺点，需根据具体场合选用。
本文利用AVL公司的boost软件，分别建立脉冲转换排气方案和MPC排气方案两种排气方案的热力学计算模型。某型柴油机为16缸，V型夹角60°，将气缸上下两排布置，发火顺序按照实际发火顺序设定。进气过程：大气到压气机到气缸盖进气道到空冷器到进气管到气缸;排气过程：气缸到气缸盖排气道到排气管到涡轮机到大气。在所建立的两种排气方案模型中，主要包括以下部分：进气管路、排气管路、涡轮增压器、气缸、中冷器等。
建模后，输入环境边界条件（温度、压力、空燃比等）、测点位置、柴油机基本参数以及零部件结构参数等。在规定工况下运行该模型，通过分析得到燃油消耗率、涡前排温、涡后排温、过量空气系数等性能参数。
两种热力学计算模型排气方案结果对比如表2所示。
从表2中不难看出，MPC排气方案明显优于脉冲转换排气方案，原因是采用MPC排气方案时，排气能量利用率高，涡轮效率高，从而使得燃油消耗率下降，涡轮前后温差增大。
2.3 推进特性计算 利用前面所建立的MPC排气方案模型进行某型16缸柴油机25%、50%、75%、100%、110%、120%工况下推进特性的计算，得出一系列性能参数，具体参见图1～图4。
3 结论
本文利用AVL-BOOS软件建立模型，对比两种排气方案，在优选出的排气方案基础上进行了不同涡流比的计算，最后进行了不同工况下的推进特性仿真分析。从仿真结果中可以看出，某型柴油机在100%工况下燃油消耗率为202.5g/kWh，比目标值205 g/kWh低2.5g/kWh，经济性能较好，动力性有较大提高。120%工况时最大爆发压力为162bar，比限制值170 bar低8bar。只有对排气系统进行优化设计，才能保证柴油机具有更加良好的性能，BOOST计算结果从理论上证明MPC排气方案可以满足柴油机的性能要求，可以为后期该型柴油机优化设计提供一定的理论依据。最终，需要结合试验数据对模型进行验证与修正。
参考文献：
[1]任素慧.机车柴油机的高原工作过程数值模拟[D].西南交通大学，2007.
[2]芮鹏.高强化柴油机性能优化及可调涡轮增压系统匹配的仿真研究[D].北京交通大学，2007.
[3]郑清平，徐行军.天然气发动机冷却水套CFD分析.
[4]趙以贤，毕小平，王普凯，刘西侠.车用内燃机冷却系的流动与传热仿真[J].内燃机工程，2003，4（04）：1-5.
[5]高孝洪.内燃机工作过程数值计算.
[6]王伟涛.增压柴油机进气系统仿真研究.