GT Power在机车柴油机上的仿真应用
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Abstract: GT2Power software is app lied for setting up a direct injection diesel engine model for four strokes, supercharged locomotive diesel engine. This model included in2cylinder model, intake system , exhaust sys2 tem , turbocharger, intercooler and the work p rocess simulation and computation of 16V240ZJ diesel engine w ith heavy load and high power are validated. From the contrast of test results and computation results, they have a good agreement and sm all error. It’s obvious that the m ethods by app lying GT2Power software for seting up sim ulation and computation model are useful, and can p rovide great advantages for studying locomotive diesel engine performance. Key words: GT2Power software; 16V240ZJ diesel engine; performances
= 820p0. 8 ·T - 0. 53 ·D - 0. 2 ·
C1 ·Cm
+ C2
Ta V s ( p pa Va
p0 )
0. 8
W / (m2 ·K) .
(2)
式中 : p为气缸内工质压力 ; T为气缸内工质温度 ; D 为气缸直径 ; Cm 为活塞平均速度 ; pa , Ta 和 Va 分别
压缩比为 12. 5,标定转速为 1 000 r/m in,标定功率为 2 647 kW ,燃烧室形状为开式 ,排量为 199. 05 L ,气
缸数量为 16缸 , V 型夹角为 50°,增压方式为定压增压 ,空气中间冷却.
按照 16V240ZJ型柴油机中气体工质的流经路线 ,气体流经进气系统时 ,先 、后经过空气滤清器 →
The applica tion of GT2Power software on the locom otive d iesel
WANG Juan, L IM ing2hai
( School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian J iaotong University, Dalian 116028, China)
2. 1 标定工况下模型的验证
第 3期
王 娟 ,等 : GT2Power在机车柴油机上的仿真应用
79
根据建立的 GT2Power模型 ,首先进行标定工况下模型的验证计算. 选定转速为 1 000 r/m in,平均有 效压力为 1. 609 M Pa,试验测得的燃油消耗率在 210 ～217 g / ( kW ·h)之间 ,供油提前角是上止点前 21°,增压器转速为 23 500 r/m in时的工况为参考标定工况. 实测缸内压力和喷油嘴端压力 ,将计算得到 的缸内压力 、喷油压力值和实验测得值对比 ,如图 3, 4所示.
计算 ,计算格式为显式. 标量在网格中心计算 ,如 :压力和温度等 ; 矢量在网格的交界面计算 , 如 :速度和
质量流量等. 一维非定常流动计算的基本控制方程 [6 ]为
1) 连续性方程
55ρt +ρ·55xc
+
c·55ρx +ρFc
·dF dx
=
0.
(3)
2) 动量方程
5c 5t
+ c·55xc
+ρ·55px
近年来 ,对发动机进行仿真计算的软件有很多 ,如 : AVL 公司的 Fire, Boost软件及 Gamma Technolo2
收稿日期 : 2008 - 05 - 04 作者简介 :王 娟 (1981 - ) ,女 ,大连交通大学助教 ,硕士.
第 3期
王 娟 ,等 : GT2Power在机车柴油机上的仿真应用
GT2Power在机车柴油机上的仿真应用
王 娟 , 李明海
(大连交通大学 交通运输工程学院 , 大连 116208)
摘 要 : 利用 GT2Power搭建了直喷式四冲程增压柴油机的仿真平台 ,其中包括 16缸模型 、进 排气管路模型 、涡轮增压器模型和中冷器模型. 并在机车用大功率重载增压柴油机 16V240ZJ 型发动机上进行了工作过程模拟计算验证 ,计算结果与实验结果吻合良好 ,误差较小. 可见 , 利用 GT2Power软件建立仿真计算模型这种方法 ,为机车柴油机的性能研究提供便利. 关键词 : GT2Power软件 ; 16V240ZJ柴油机 ; 性能 中图分类号 : U464. 172 文献标识码 : A
增压器压气机 →扩散弯管 →空气冷却器 →收敛弯管 →进气稳压箱 →进气支管 →气缸盖进气道 →进气门
→气缸 ;在流经排气系统时 ,工质先 、后经过气缸排气门 →气缸盖进气道 →排气支管 →排气总管 →增压
器涡轮机 →大气. 因此 ,经过合理简化 , 16V240ZJ型柴油机的工作过程计算模型如图 1所示.
柴油机一直是大功率发动机的主要动力源 ,由于它具有热效率高 、热能动力机械中油耗最低 、功率 范围最广 、适应各种转速 、启动迅速 、运行安全 、维修方便和使用寿命较长等特点而被广泛应用. 面对国 内 、外激烈的市场竞争 ,如何提高现代柴油机的性能 ,开发出轻巧化 、高性能 (高功率 、低油耗 、低排放 、 低噪声 、低振动和易启动 ) 、高寿命及低成本的新型柴油机 ,以满足用户对工作可靠 、耐久 、节能 、舒适和 环保等要求 ,已成为我国柴油机生产商的共同愿望 [ 2 ] .
第 24卷 第 3期 2 0 0 8年 9月
长 沙 交 通 学 院 学 报
JO URNAL O F CHANGSHA COMM UN ICAT IO NS UN IVERS ITY
Vol. 24 No. 3 Sep. 2008
文章编号 : 1000 - 9779 (2008) 03 - 0076 - 05
(1)
dy
式中
:
y是无因次时间函数
,
y
φ =φ
vE
-
φ vB
-
φ vB
=φφ- φvB ;φ,φvB和 φvE分别为瞬时曲轴转角 、燃烧始点角和燃烧 z
终点角 ;φz是燃烧持续角 ; m 是燃烧品质指数 ; c是常系数.
百度文库
传热子模型中周壁传热系数采用 W oschni公式 [4 - 5 ]计算 ,即
α g
80
长 沙 交 通 学 院 学 报 第 24卷
计算值 实测值 相对误差
燃油消耗率 / ( g·kW - 1 ·h - 1 )
213 210 1. 43%
表 1 标定工况计算值与实测值的比较
最高爆发 压力 / Pa 1. 174 ×107 1. 255 ×107
+ 4f · c2 D2
·c | c|
= 0.
(4)
3) 能量方程
78
长 沙 交 通 学 院 学 报 第 24卷
5p 5t
+
c·55px
-
a2
·5ρ 5t
-
a2 ·c·55ρx -
(κ - 1)ρ q + c 4f · c2 · c D 2 |c|
涡轮增压器与柴油机配合运行时 ,由于增压系统对发动机整个的运行有着很大的影响 ,因此有必要 对增压器的工作状态进行分析验证. 图 5 ～8 分别表示通过计算得到的增压器在标定工况下的工作状 态. 将计算得到的运行点以数据的形式表达出来 ,并将其与实验值进行对比 ,见表 1. 在表 1中 ,对比了 燃油消耗率 、最高爆发压力 、平均指示压力以及压气机 (涡轮机 )的转速和增压比等. 从表 1可以看出 , 计算值和实验值有较好的吻合 ,误差较小 ,满足了计算精度的要求 ,所建立的模型是可信的.
1 模型的建立
1. 1 物理模型 将该柴油机的整个热力系统模拟为几个串 、并联的子系统所组成的物理模型 ,包括 :进排气子系统 、
气缸子系统 、进排气管子系统 、燃油喷射子系统 、中冷器子系统和涡轮增压子系统 ,以及相应的边界条件 设置 ,共 6个物理模型. 1. 2 数学模型
本研究的数学模型中包括 3个子模型 :热力学子模型 (用来求解燃烧开始后燃烧室内压力 、温度和 燃烧产物 ) 、传热子模型 (用来求出工作过程总能量 )和环境模型 (用于考虑环境对系统压力 、温度和成 分的影响 ,也就是边界条件 ).
6. 45%
最高温度 / K
1 880 -
平均指示有效 压力 / Pa 1. 78 ×106 1. 61 ×106
7. 50%
压气机转速 /涡轮机转速 22 605 /22 605 23 500 /23 500
3. 81%
压气机 增压比
2. 57 2. 58 0. 40%
2. 2 牵引特性的计算分析及验证 柴油机的牵引特性是柴油机在机车上运用时的功率输出特性. 因此计算分析柴油机的牵引特性 ,以
图 1 16V240ZJ柴油机计算模型
根据发动机的实际结构以及工质的工作过程 (见图 1) ,本研究利用 GT2Power建立的仿真模型如图 2所示. 包括 :进气系统 、缸内系统 、增压器 、排气系统 、曲轴箱以及相应的边界条件模型.
图 2 基于 GT2Power建立的整机模型
2 模型验证及结果分析
= 0.
(5)
式中 : c,ρ, p和 F分别表示进口截面的流体流速 、密度 、压力和管截面积 , 其对应出口截面的参数分别为
c1
=
c
+
5c 5x
·dx,ρ1
=ρ+ 55ρx·dx,
p1
= p + 55px·dx和
F1
=F
+
5F 5x
·dx.
1. 3 发动机 Power模型
16V240ZJ型增压柴油机其主要技术参数有 :缸径 ×冲程为 240 mm ×275 mm ,连杆长度为 580 mm ,
采用了软件中自有的零维燃烧模型三段韦伯函数模型 ,它是由 3个韦伯函数叠加而成 ,将整个燃烧 过程分为预混合燃烧 、主燃烧和后燃 3个阶段. 通过联立 3个守恒方程 (即 :能量方程 、质量守恒方程和 理想气体状态方程 ) ,就可求出缸内气体压力 、温度和质量. 韦伯燃烧模型 [3 ]为
dx = c (m + 1) ym ×e - cym + 1.
为压缩始点时的气缸内工质压力 、温度和气缸容积 ; Vs 为气缸工作容积 ; p0 为发动机倒拖时的气缸压
力 ; C1 为气流速度系数 ; C2 为燃烧室现状系数.
由式 ( 1)求出瞬时平均换热系数之后 , 带入换热量方程式就可以求出整个工作过程气缸与外界的
换热量.
GT2Power采用一维交错网格 ,将柴油机进排气系统分成若干控制体积 , 应用有限体积法进行数值
随着内燃机性能的不断提高 ,产品更新的周期大幅度缩短 ,采用常规热力计算进行设计 ,已经远远 满足不了现代高性能内燃机研究工作的需要. 计算机的仿真计算为内燃机的设计提供了一种高效有用 的手段. 采用先进的计算机仿真技术来提高生产效率 、降低生产成本及提高产品质量等已经成为诸柴油 机生产厂商和柴油机工作者所认同的科学途径 [ 1 ].
77
gy公司的 GT2Power等 ,其中 GT2Power软件由于其界面简单 、易于操作 、计算速度快及精度高而被广泛 使用. GT2Power软件不仅用于发动机稳态和瞬态的仿真计算 ,也可以进行发动机 /动力系统的控制系统 分析 ,它在汽车领域已有了广泛的应用.
作者尝试用 GT2Power软件对机车柴油机 16V240ZJ型柴油机建立仿真模型 ,对该增压柴油机性能 进行仿真研究 ,预测该发动机的性能 ,并获得了一些在试验中难以获得的数据和曲线. 利用 GT2Power软 件搭建了机车增压柴油机的仿真平台 ,其中包括 16缸机模型 、增压器模型 、进排气系统模型和边界条件 模型等.
= 820p0. 8 ·T - 0. 53 ·D - 0. 2 ·
C1 ·Cm
+ C2
Ta V s ( p pa Va
p0 )
0. 8
W / (m2 ·K) .
(2)
式中 : p为气缸内工质压力 ; T为气缸内工质温度 ; D 为气缸直径 ; Cm 为活塞平均速度 ; pa , Ta 和 Va 分别
压缩比为 12. 5,标定转速为 1 000 r/m in,标定功率为 2 647 kW ,燃烧室形状为开式 ,排量为 199. 05 L ,气
缸数量为 16缸 , V 型夹角为 50°,增压方式为定压增压 ,空气中间冷却.
按照 16V240ZJ型柴油机中气体工质的流经路线 ,气体流经进气系统时 ,先 、后经过空气滤清器 →
The applica tion of GT2Power software on the locom otive d iesel
WANG Juan, L IM ing2hai
( School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian J iaotong University, Dalian 116028, China)
2. 1 标定工况下模型的验证
第 3期
王 娟 ,等 : GT2Power在机车柴油机上的仿真应用
79
根据建立的 GT2Power模型 ,首先进行标定工况下模型的验证计算. 选定转速为 1 000 r/m in,平均有 效压力为 1. 609 M Pa,试验测得的燃油消耗率在 210 ～217 g / ( kW ·h)之间 ,供油提前角是上止点前 21°,增压器转速为 23 500 r/m in时的工况为参考标定工况. 实测缸内压力和喷油嘴端压力 ,将计算得到 的缸内压力 、喷油压力值和实验测得值对比 ,如图 3, 4所示.
计算 ,计算格式为显式. 标量在网格中心计算 ,如 :压力和温度等 ; 矢量在网格的交界面计算 , 如 :速度和
质量流量等. 一维非定常流动计算的基本控制方程 [6 ]为
1) 连续性方程
55ρt +ρ·55xc
+
c·55ρx +ρFc
·dF dx
=
0.
(3)
2) 动量方程
5c 5t
+ c·55xc
+ρ·55px
近年来 ,对发动机进行仿真计算的软件有很多 ,如 : AVL 公司的 Fire, Boost软件及 Gamma Technolo2
收稿日期 : 2008 - 05 - 04 作者简介 :王 娟 (1981 - ) ,女 ,大连交通大学助教 ,硕士.
第 3期
王 娟 ,等 : GT2Power在机车柴油机上的仿真应用
GT2Power在机车柴油机上的仿真应用
王 娟 , 李明海
(大连交通大学 交通运输工程学院 , 大连 116208)
摘 要 : 利用 GT2Power搭建了直喷式四冲程增压柴油机的仿真平台 ,其中包括 16缸模型 、进 排气管路模型 、涡轮增压器模型和中冷器模型. 并在机车用大功率重载增压柴油机 16V240ZJ 型发动机上进行了工作过程模拟计算验证 ,计算结果与实验结果吻合良好 ,误差较小. 可见 , 利用 GT2Power软件建立仿真计算模型这种方法 ,为机车柴油机的性能研究提供便利. 关键词 : GT2Power软件 ; 16V240ZJ柴油机 ; 性能 中图分类号 : U464. 172 文献标识码 : A
增压器压气机 →扩散弯管 →空气冷却器 →收敛弯管 →进气稳压箱 →进气支管 →气缸盖进气道 →进气门
→气缸 ;在流经排气系统时 ,工质先 、后经过气缸排气门 →气缸盖进气道 →排气支管 →排气总管 →增压
器涡轮机 →大气. 因此 ,经过合理简化 , 16V240ZJ型柴油机的工作过程计算模型如图 1所示.
柴油机一直是大功率发动机的主要动力源 ,由于它具有热效率高 、热能动力机械中油耗最低 、功率 范围最广 、适应各种转速 、启动迅速 、运行安全 、维修方便和使用寿命较长等特点而被广泛应用. 面对国 内 、外激烈的市场竞争 ,如何提高现代柴油机的性能 ,开发出轻巧化 、高性能 (高功率 、低油耗 、低排放 、 低噪声 、低振动和易启动 ) 、高寿命及低成本的新型柴油机 ,以满足用户对工作可靠 、耐久 、节能 、舒适和 环保等要求 ,已成为我国柴油机生产商的共同愿望 [ 2 ] .
第 24卷 第 3期 2 0 0 8年 9月
长 沙 交 通 学 院 学 报
JO URNAL O F CHANGSHA COMM UN ICAT IO NS UN IVERS ITY
Vol. 24 No. 3 Sep. 2008
文章编号 : 1000 - 9779 (2008) 03 - 0076 - 05
(1)
dy
式中
:
y是无因次时间函数
,
y
φ =φ
vE
-
φ vB
-
φ vB
=φφ- φvB ;φ,φvB和 φvE分别为瞬时曲轴转角 、燃烧始点角和燃烧 z
终点角 ;φz是燃烧持续角 ; m 是燃烧品质指数 ; c是常系数.
百度文库
传热子模型中周壁传热系数采用 W oschni公式 [4 - 5 ]计算 ,即
α g
80
长 沙 交 通 学 院 学 报 第 24卷
计算值 实测值 相对误差
燃油消耗率 / ( g·kW - 1 ·h - 1 )
213 210 1. 43%
表 1 标定工况计算值与实测值的比较
最高爆发 压力 / Pa 1. 174 ×107 1. 255 ×107
+ 4f · c2 D2
·c | c|
= 0.
(4)
3) 能量方程
78
长 沙 交 通 学 院 学 报 第 24卷
5p 5t
+
c·55px
-
a2
·5ρ 5t
-
a2 ·c·55ρx -
(κ - 1)ρ q + c 4f · c2 · c D 2 |c|
涡轮增压器与柴油机配合运行时 ,由于增压系统对发动机整个的运行有着很大的影响 ,因此有必要 对增压器的工作状态进行分析验证. 图 5 ～8 分别表示通过计算得到的增压器在标定工况下的工作状 态. 将计算得到的运行点以数据的形式表达出来 ,并将其与实验值进行对比 ,见表 1. 在表 1中 ,对比了 燃油消耗率 、最高爆发压力 、平均指示压力以及压气机 (涡轮机 )的转速和增压比等. 从表 1可以看出 , 计算值和实验值有较好的吻合 ,误差较小 ,满足了计算精度的要求 ,所建立的模型是可信的.
1 模型的建立
1. 1 物理模型 将该柴油机的整个热力系统模拟为几个串 、并联的子系统所组成的物理模型 ,包括 :进排气子系统 、
气缸子系统 、进排气管子系统 、燃油喷射子系统 、中冷器子系统和涡轮增压子系统 ,以及相应的边界条件 设置 ,共 6个物理模型. 1. 2 数学模型
本研究的数学模型中包括 3个子模型 :热力学子模型 (用来求解燃烧开始后燃烧室内压力 、温度和 燃烧产物 ) 、传热子模型 (用来求出工作过程总能量 )和环境模型 (用于考虑环境对系统压力 、温度和成 分的影响 ,也就是边界条件 ).
6. 45%
最高温度 / K
1 880 -
平均指示有效 压力 / Pa 1. 78 ×106 1. 61 ×106
7. 50%
压气机转速 /涡轮机转速 22 605 /22 605 23 500 /23 500
3. 81%
压气机 增压比
2. 57 2. 58 0. 40%
2. 2 牵引特性的计算分析及验证 柴油机的牵引特性是柴油机在机车上运用时的功率输出特性. 因此计算分析柴油机的牵引特性 ,以
图 1 16V240ZJ柴油机计算模型
根据发动机的实际结构以及工质的工作过程 (见图 1) ,本研究利用 GT2Power建立的仿真模型如图 2所示. 包括 :进气系统 、缸内系统 、增压器 、排气系统 、曲轴箱以及相应的边界条件模型.
图 2 基于 GT2Power建立的整机模型
2 模型验证及结果分析
= 0.
(5)
式中 : c,ρ, p和 F分别表示进口截面的流体流速 、密度 、压力和管截面积 , 其对应出口截面的参数分别为
c1
=
c
+
5c 5x
·dx,ρ1
=ρ+ 55ρx·dx,
p1
= p + 55px·dx和
F1
=F
+
5F 5x
·dx.
1. 3 发动机 Power模型
16V240ZJ型增压柴油机其主要技术参数有 :缸径 ×冲程为 240 mm ×275 mm ,连杆长度为 580 mm ,
采用了软件中自有的零维燃烧模型三段韦伯函数模型 ,它是由 3个韦伯函数叠加而成 ,将整个燃烧 过程分为预混合燃烧 、主燃烧和后燃 3个阶段. 通过联立 3个守恒方程 (即 :能量方程 、质量守恒方程和 理想气体状态方程 ) ,就可求出缸内气体压力 、温度和质量. 韦伯燃烧模型 [3 ]为
dx = c (m + 1) ym ×e - cym + 1.
为压缩始点时的气缸内工质压力 、温度和气缸容积 ; Vs 为气缸工作容积 ; p0 为发动机倒拖时的气缸压
力 ; C1 为气流速度系数 ; C2 为燃烧室现状系数.
由式 ( 1)求出瞬时平均换热系数之后 , 带入换热量方程式就可以求出整个工作过程气缸与外界的
换热量.
GT2Power采用一维交错网格 ,将柴油机进排气系统分成若干控制体积 , 应用有限体积法进行数值
随着内燃机性能的不断提高 ,产品更新的周期大幅度缩短 ,采用常规热力计算进行设计 ,已经远远 满足不了现代高性能内燃机研究工作的需要. 计算机的仿真计算为内燃机的设计提供了一种高效有用 的手段. 采用先进的计算机仿真技术来提高生产效率 、降低生产成本及提高产品质量等已经成为诸柴油 机生产厂商和柴油机工作者所认同的科学途径 [ 1 ].
77
gy公司的 GT2Power等 ,其中 GT2Power软件由于其界面简单 、易于操作 、计算速度快及精度高而被广泛 使用. GT2Power软件不仅用于发动机稳态和瞬态的仿真计算 ,也可以进行发动机 /动力系统的控制系统 分析 ,它在汽车领域已有了广泛的应用.
作者尝试用 GT2Power软件对机车柴油机 16V240ZJ型柴油机建立仿真模型 ,对该增压柴油机性能 进行仿真研究 ,预测该发动机的性能 ,并获得了一些在试验中难以获得的数据和曲线. 利用 GT2Power软 件搭建了机车增压柴油机的仿真平台 ,其中包括 16缸机模型 、增压器模型 、进排气系统模型和边界条件 模型等.