直喷式柴油机压缩比和供油提前角优化计算_陆金华

引 言
柴油机以其较高的动力性 、经济性及较低的 排放 , 在汽车市场上所占份额越来越大 , 为此 , 各 国对车用柴油机的废气排放量也制定了严格的排 放法规 , 中国也在全面推行柴油机的欧 -Ⅲ排放标 准 , 并逐步向欧 -Ⅳ排放标准过渡 [ 1] 。为了满足日 益严格的排放法规要求 , 柴油机企业和科研机构 正致力于低排放柴油机的研发 , 并不断推出可靠
图 4 压缩比对涡轮前排温的影响
图 3 压缩比对比油耗的影响
图 5 压缩比对最高燃烧温度的影响
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现 代 车 用 动 力 2008年 第 1期
不变 , 仅改变供油提前角 , 分别计算供油提前角为 7°, 8°, 9°, 10°及 11°曲轴转角时的柴油机性能 。 计算结果见图 7～图 11。
3 供油提前角的优化计算
图 8 供油提前角对比油耗的影响
柴油机的供油提前角是影响其燃烧性能的主 要参数之一 。以往研究表明 :直喷式柴油机的供 油提前角对其燃油经济性 、动力性 、排放性能的影 响比其他参数更为显著 。 柴油机的供油提前角过 早或过迟直接影响到柴油机的输出功率 , 增加燃 油消耗 , 导致 工作 粗暴 , 燃 烧温 度过 高 , 运转 不 稳 [ 3, 4] 。本文利 用 AVLBOOST软件在负 荷不变 的情况下 , 保持柴油机的循环供油量和燃烧模型
图 1 4100型直喷式柴油机计算模型
1.2 验证模型的准确性 应用数值仿真技术辅助内燃机设计 , 关键在
于其预测能力也即模型的可靠性 。本wenku.baidu.com进行了总
功率实验 , 通过对计算和试验得出的发动机速度 特性的比较 , 验证了上 面用 AVLBOOST软件所 建立的模型的可靠性和准确性 [ 4] 。
2 压缩比的优化计算
图 11 供油提前角对最高燃烧压力的影 响
通过上述分析综合来看 , 从柴油机的经济性 和动力性出发 , 宜采用较大的供油提前角 , 但是 , 供油提前角增大会使 NOx的排放增加 。 由于对 于 4100型直喷式柴油机主要是要改善其排放性 能 , 所以宜采用较小的供油提前角 。初步确定供 油提前角为 7°曲轴转角 。
第 1期 (总第 129期 ) 现 代 车 用 动 力 No.1(serialNo.129) 2008年 2月 MODERNVEHICLEPOWER Feb.2008
文章编号 :1671 -5446(2008)01 -0018 -05
综合上述分析来看 , 压缩比宜取大值 。 但受 柴油机最高燃烧压力限值的制约 , 该机的压缩比 限值为 17.5, 此时的最高燃烧压力为 11.75 MPa。
图 7 供油提前角对功率的影响
由图 8可知 , 随着供油提前角的增大 , 柴油机 的比油耗降低 。由此可知 , 增大供油提前角可以 改善柴油机的经济性 。
影响发动机性能指标最重要的结构参数是压 缩比 。 压缩比越大 , 缸内压力和温度升高得越高 。 增压柴油机随着进气压力的提高 , 最高燃烧压力 和压力升高率也随之增加 。 为降低机械负荷 , 一 般采用较小的压缩比 ;但是压缩比过小 , 对于柴油 机的燃烧性能和冷起动不利 。 指示热效率随着压 缩比的增加而增大 , 而机械效率随着压缩比的增 加而减小[ 3, 4] 。 因此需要综合考虑这两方面的因 素 , 进行优化折衷 。
研究人员在原机型的基础上初选了一组压缩 比 , 其值 为 :15.0, 15.5, 16.0, 16.5, 17.0, 17.5, 18.0, 18.5, 19.0。通过模拟计算 , 获得了 4100型 直喷式柴油机在不同转速和压缩比下的性能变化 规律 (见图 2～图 6)。
图 2 压缩比对功率的影响
直喷式柴油机压缩比和供油提前角优化计算 ＊
陆金华 , 高国珍 , 姜光军 , 陈光敏
(南昌大学 机电工 程学院 , 江西 南昌 330031 )
摘要 :采用 AVLBOOST性能预测 软件对 4100型直喷式柴油机建立起工作 过程计算 模型 , 并 进行了 总功率 试验 , 通过对 计算与试验所得的发 动机速度特性的比较 , 验证了模型的准 确性 。 具体分 析了压缩比 和供油提 前角等主 要参数 对整机 性能的影响 , 确定了合理的压缩比和供油提前角 。 根据优化后的压缩比和供油提前角对原机 进行调整和试验 , 并对改进 前后柴油机的性能进 行比较 , 结果表明 :改进后的柴油机比油耗比 原机稍高一 些 , 但 动力性有 所提高 , 排放 明显降 低 , 达 到了开发低排放柴油 机的目的 , 减少了开发过程中的人力 、物力和财力 。 关键词 :欧 -Ⅲ 排放标准 ;压缩 比 ;供油提前角 ;优化 中图分类号 :TK423.5 文献标识码 :A
由图 9可看出 ,随着供油提前角的减小 , 柴油机 的涡轮前排温升高 。主要是因为减小供油提前角会 导致柴油机的后燃严重 , 从而使排气温度升高 。
由图 10可知 , 随着供油提前角的增大 , 最高 燃烧温度 升高 。 由于缸 内最高燃烧温度 是影响 NOx排放的主要因数 , 因此 , 减小供油提前角有助 于降低缸内的最高燃烧温度 , 从而达到降低 NOx 排放的目的 。
(ESC)和欧洲负荷烟度 (ELR)测试循环试验 。 改 进前后发动机的性能对比如图 12所示 。
图 10 供油提前角对最高燃烧温度的影 响
由图 11可知 , 柴油机缸内的最高燃烧压力随 着供油提前角的增大而增大 。这是因为 , 供油提 前角的增大 , 滞燃期变长 , 则在滞燃期内喷入燃烧 室的燃料增多 , 形成的可燃混合气和前期氧化物 的数量就增多 。一旦着火 , 在速燃期初期投入预 混合燃烧的燃油量愈多 , 放热率愈大 , 导致最高燃 烧压力愈高 。
CompressionRatioandInjectionTimingOptimizationofDirectInjectionDieselEngines
LUJin-hua, GAOGuo-zhen, JIANGGuang-jun, CHENGuang-min
(SchoolofMechanicalEngineering, NanchangUniversity, Nanchang 330031, China) Abstract:Thispaperestablishesanoperatingprocessofcalculationmodeltosimulatetheperformanceof4100 directinjection dieselenginebyusingsimulationsoftwareAVLBOOST, andcarriesoutoverallpowerexperiment, themodeloftheengineisadjustedbytheexperimentalresultsofspeedcharacteristic.Thispaperalsospecificallyanalyzestheeffectsofcompressionratioand injectiontimingonperformanceofthe4100 directinjectiondieselengine, andthenconfirmedappropriatecompressionratioand injectiontiming.Compressionratioandinjectiontimingoforiginalenginewasadjustedbyoptimizationresult, andthenengine experimentwascarriedouttocomparetheperformanceofengineamelioratedwithoriginalone.Theresultsshowthatthefuelconsumptionraterisesalittle, butthedynamicperformanceisimprovedandtheemissionofdieselengineisreducedalottoachieve thepurposeofexploitingdieselengineofthelowemission, thatcansavethemanpower, materialscostandfinancialresourcesin thestudyofdieselengine. Keywords:Euro-Ⅲ emissionstandards;compressionratio;injectiontiming;optimization
性高 , 经济性 好 , 性能优 越 , 排放量 低的柴油 机 。 AVLBOOST性能预测软件是分析发动机性能的 重要的现代化工具 , 在开发新产品和改造旧产品 过程中 , 发挥着巨大的作用 [ 2] 。
1 模型的建立和验证
1.1 计算模型的建立 研究人员根据 4100型直喷式柴油机的结构参
＊ 收稿日期 :2007 -12 -05 作者简介 :陆金华 (1983 -), 男 , 广西桂林人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为内燃机性能与排放控制 。
2008年第 1期 陆金华 , 等 :直喷式柴油机压缩比和供油提前角优 化计算
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数 , 利用 AVLBOOST软件建立了模拟计算模型 (如 图 1所示 )[ 2 ～ 4] 。燃烧室部分选择单区韦伯 (Vibe) 燃烧放热模型 , Woschni1978传热模型 , 增压器选择 简单模式[ 3, 5] 。图 1中, SB1, SB2为系统边界 ;TC1为 废气涡轮增压器 ;C01为中间冷却器 ;PL1, PL2为稳 压箱 ;C1, C2, C3, C4 为气缸 ;MP1, MP2, MP3, PM4, PM5, PM6, MP7为测量点 ;1, 2 …, 13为管段 。
由图 2和图 3可知 , 随着压缩比的增大 , 柴油 机输出功率不断增大 , 比油耗逐步降低 。 表明 , 压 缩比的提高不但可以使柴 油机的动力性 得到改 善 , 而且可以使其经济性得到提高 。
由图 4及图 5可知 , 压缩比的提高使排气温 度及最高燃烧温度均降低 , 而其最高燃烧压力越 大 , 排气温度越低 。这是因为 , 压缩比的提高 , 扩 大了循环的温度阶梯 , 增加了发动机的膨胀比 , 使 得最高循环压力急剧升高 , 且热能转化成的有用 功增加 , 从而使排气温度降低 。
由图 7可看到 , 柴油机的功率随着供油提前 角的增大而增加 。 这是因为 , 平均有效压力与最 高燃烧压力有关 , 通常平均有效压力随着最高燃 烧压力的上升而提高 。 由此可知 , 增大供油提前 角可以提高柴油机的动力性 。
图 6 压缩比对最高燃烧压力的影响
由图 2和图 6可以看出 , 压缩比从 15.0增大 到 19.0的过程中 , 柴油机的最高燃烧压力和功率 均呈上升趋势 , 说明压缩比的提高对改善燃烧有 利 。 4100型直喷式柴油机原来的压缩比为 17.5, 最高燃烧压力为 11.4 MPa, 低于 12 MPa的限值 。
2008年第 1期 陆金华 , 等 :直喷式柴油机压缩比和供油提前角优 化计算
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图 9 供 油提前角对涡轮前排温的影响
缩比和供油提前角优化 , 将优化后的参数应用于 4100型直喷式柴油机上 (已优化设计了燃烧室 ), 将压缩比调整 为 17.5, 通过电 控改 变供油 提前 角 , 进气提前角调整为 28°曲轴转角 , 进气迟闭角 调整为 50°曲轴转角 , 排气提前角调整为 63°曲轴 转角 , 排气迟闭角调整为 32°曲 轴转角进行了发 动 机 的全 负 荷性 能试 验 与欧 洲 稳态 测 试循 环
4 柴油机改进前后的试验结果对比
在对柴油机配气相位优化 [ 4] 的基础上 , 对压
图 12 柴油机改进前后全负荷性能对 比图