工作环境对自然吸气柴油机性能影响仿真_徐海成.pdf

第 44 卷（2022）第 6 期Vol.44（2022）No.6柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2022.06.001工作环境对自然吸气柴油机性能影响仿真徐海成1，潘兴隆2，马玉成3（1.海军装备部装备项目管理中心，北京100071；2.海军工程大学动力工程学院，武汉430033；3.海军工程大学舰船与海洋学院，武汉430033）摘要：基于CY4102BG四冲程自然吸气柴油机，利用GT-POWER一维仿真计算软件建立柴油机工作过程仿真模型，研究高原和水下工作环境对柴油机性能的影响。仿真结果表明：随着海拔的增高，柴油机有效功率有所下降，NOx排放上升，排气温度增加；随着水下排气背压的增高，柴油机有效功率下降，NOx排放显著上升。针对柴油机在非标况环境下NOx排放性能的恶化，通过调节喷油参数来优化柴油机综合性能。经优化，在不同工作环境下柴油机NOx排放降低7.3%21.4%，优化效果较为明显。关键词：一维仿真；进气压力；排气背压；NOx排放中图分类号：TK421文献标志码：A文章编号：1001-4357（2022）06-0001-06Simulation of the Influence of Working Environmenton the Performance of Naturally Aspirated Diesel EngineXU Haicheng1，PAN Xinglong2，MA Yucheng3（1.Power Equipment Department，Chinese Naval Armament Department Project Management Center，Beijing 100071，China；2.College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；3.College of Naval Architecture&Ocean Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）Abstract：Based on CY4102BG four stroke diesel engine，a simulation model of diesel engine workingprocess was established by using GT-POWER one-dimensional simulation software to study the influenceof plateau and underwater working environment on diesel engine performance.The simulation resultsshow that：With the increase of altitude，the effective power of diesel engine decreases，NOxemissionsincrease，and exhaust temperature increases；With the increase of underwater exhaust back pressure，the effective power of diesel engine decreases and NOxemissions increase significantly.Aiming at thedeteriorationofNOxemissionperformanceofdieselengineinnon-standardenvironment，thecomprehensiveperformance of diesel engine was optimized by adjusting fuel injection parameters.After optimization，NOxemission of diesel engine in different working conditions was reduced by 7.3%21.4%，and theoptimization effect was obvious.Key words：one-dimensional simulation；intake pressure；exhaust back pressure；NOxemission性能与排放收稿日期：2021-12-19；修回日期：2022-03-20第44 卷第6 期2柴 油 机0引言柴油机因其具有热效率高、可靠性好和工作适应性强等特点广泛地应用于各个领域和各种工作环境。随着能源与污染问题愈加严峻，要求柴油机在满足动力性和经济性的同时，减少环境污染并满足排放标准1-2。目前针对柴油机工作过程所进行的仿真大多基于标准大气状况开展，对于高原地区不同海拔高度以及水下等非标况环境进行的深入研究较少3。与涡轮增压柴油机相比，自然吸气柴油机无法通过涡轮增压器进行进气补偿来维持相对稳定的工作状态，工作环境的变化直接导致进排气条件的改变，对自然吸气柴油机进排气和燃烧过程影响较大，进而影响柴油机性能4-6。基于CY4102BG四冲程自然吸气柴油机，利用GT-POWER 一维仿真计算软件建立柴油机工作过程仿真模型，研究在不同工作条件下柴油机性能的变化规律。通过调整柴油机喷油时刻，改善柴油机的综合性能，并为柴油机优化控制提供依据。1柴油机仿真模型1.1一维模型建立CY4102BG柴油机基本参数如表1所示。根据CY4102BG柴油机基本参数和试验数据，在GT-POWER软件中建立柴油机一维模型，发动机各部件仿真模块包括进气和排气总管、进排气道、进气阀和排气阀、气缸、活塞、喷油器、曲轴箱等，将它们连在一起，并设置好已知边界条件。柴油机一维仿真模型如图1所示。1.2计算模型设置在 GT-POWER 软件中进行柴油机燃烧放热计算时，通常会用一个函数来拟合实际的放热规律，该函数须保证计算精度。本文应用韦伯函数模拟放热过程：dxd=c(m+1)ym e-a y(m+1)（1）dx=dQQ（2）y=-0c（3）式中：为曲轴转角；0为燃烧始角；c为燃烧持续期；m为燃烧品质指数；a为燃烧韦伯参数；Q为燃烧总放热量。柴油机缸内传热的计算应用Woschni传热基本公式：h=K1P0.8cylB0.2T0.53cyl K2Cpis+K3VswTrefPrefVref(Pcyl-Pmot)0.8（4）式中：Pcyl为缸内气体压力；B为气缸直径；Tcyl为缸内气体温度；Cpis为活塞平均速度；Vsw为气缸排量；Tref为参考状态的温度；Pref为参考状态的压力；Vref为参考状态的容积；Pmot为倒拖气缸压力；K1为常数项，计算时取130；K2和K3分别为气体速度系数和燃烧室形状系数，取值随柴油机不同工作行程变化。此外，在燃烧过程中NOx形成的计算模型基于扩展 Zel dovich 机理；发动机的摩擦损失模型为Chen-Flynn模型。1.3模型准确性验证为保证建模的可靠性，更加准确地模拟柴油机的工作过程，须对柴油机一维模型进行标定，柴油机缸压曲线、有效功率和NOx排放的标定情况如图2图4所示。表1CY4102BG柴油机基本参数气缸数缸径/mm行程/mm额定功率/kW额定转速/（rmin-1）发火时序进气形式进气阀开启位置/（）进气阀关闭位置/（）排气阀开启位置/（）排气阀关闭位置/（）压缩比进气阀直径/mm排气阀直径/mm连杆长度/mm4102118542 4001-3-4-2非增压上止点前14下止点后50下止点前56上止点后1617.54538192图1柴油机一维仿真模型2022 年 11 月3徐海成等：工作环境对自然吸气柴油机性能影响仿真柴油机缸压曲线仿真结果与试验数据基本吻合，最大误差不超过2%；有效功率在高转速工况下吻合较好，最大误差在1%以下；NOx排放在中低转速工况下最大误差为3.5%。经验证，本模型精度满足要求，可用于进一步性能对比和参数优化。2工作环境对柴油机性能影响2.1高原环境对柴油机性能影响分析对于自然吸气柴油机，海拔的变化直接导致进气压力和排气背压的变化，此外氧气质量浓度的变化对于燃烧过程也会产生显著影响，表2为大气环境在不同海拔下的参数变化。海拔每升高1 km大气压下降10%左右，氧气的质量浓度也随之下降。通过改变一维模型进排气口参数，模拟不同海拔下的工作环境，分别对柴油机在转速为2 400 r/min、1 800 r/min、1 200 r/min时的工作过程进行仿真计算，仿真结果如图5和图6所示。图5和图6分别为在不同转速下的柴油机有效功率和平均有效压力的变化规律。随着海拔的提升，柴油机进排气压力下降，柴油机进气流量逐渐减小，缸内压力随之下降，压缩时缸内气体质量也逐渐减小。因此当海拔升高时，柴油机有效功率逐渐下降，平均有效压力也随之下降。柴油机的容积效率对柴油机输出能力起着决定性影响，柴油机的容积效率随海拔和转速变化如图7所示。容积效率随着转速的提升先增大后减小，而随着海拔的升高，柴油机吸气能力大幅下降，容积效率也明显下降。表2不同海拔下的环境参数海拔/km012气压/kPa101.390.081.0氧气的质量浓度/（kgm-3）0.2510.2260.204图5变海拔柴油机有效功率变化图6变海拔柴油机平均有效压力变化图2柴油机缸内压力曲线图3柴油机有效功率图4柴油机NOx排放第44 卷第6 期4柴 油 机柴油机缸内最高燃烧温度也随着海拔的升高显著增加，如图8所示。海拔每上升1 km，温度增高100 K左右，这是由于此时着火延迟期增加而延长预混燃烧阶段的放热量导致的7。如图9所示，海拔升高导致进气量减少，尾燃持续时间较长，柴油机排气温度随海拔升高而增加。排气温度的升高对排气管的热负荷造成一定负面影响。柴油机不同转速下的NOx排放随海拔高度的变化如图10所示，NOx排放随海拔升高而急剧增加，海拔每升高1 km，NOx排放增长15%左右。柴油机NOx排放的主要影响因素是氧气含量和高温区域8-9。随着海拔升高，虽然缸内燃烧温度升高但氧含量减小，NOx排放仍然随海拔升高明显增长，说明在两个影响因素中，高温区域对于NOx生成影响更大。2.2水下环境对柴油机性能影响分析柴油机在水下工作时主要受到排气阻力的影响，排气背压显著增加，进一步导致柴油机动力性和排放性等一系列问题。为研究在不同工况下排气背压对柴油机性能的影响，将水面（排气背压为135 kPa）和水下（排气背压为165 kPa）状态下的性能仿真结果与原机对比，进气压力仍为标准大气压。图11和图12分别为在不同转速下柴油机有效功率和平均有效压力随水下排气背压变化规律，随着排气背压的增加，柴油机缸内燃烧压力下降，缸内平均有效压力下降，柴油机有效功率下降。图7变海拔柴油机容积效率变化图8变海拔缸内最高燃烧温度变化图9变海拔柴油机排气温度变化图10变海拔柴油机NOx排放变化图11水下柴油机有效功率变化图12水下柴油机平均有效压力变化2022 年 11 月5徐海成等：工作环境对自然吸气柴油机性能影响仿真图13为柴油机容积效率随排气背压和转速的变化。对于自然吸气柴油机，排气背压显著影响进气行程时的进气流量。随着排气背压的升高，进气流量减小，柴油机容积效率也随之减小，此外容积效率随着转速的增加呈先增大后减小的趋势。一般来说，容积效率越高，发动机的做功能力越强。柴油机排气温度随排气背压的变化如图14所示。随着排气背压的升高，进气量减少，预混燃烧过程进行缓慢，这也导致尾部燃烧的持续时间过长，最终导致排气温度的提高，影响柴油机的可靠性与生命力。此外，当排气背压过高时，对于燃烧过程的影响会更加明显，最高燃烧压力下降，燃料燃烧不充分，柴油机的经济性和动力性下降明显。图15为柴油机NOx排放