基于BOOST的柴油机整机性能优化设计

3 整机性能优化设计
根据上述分析 ，对 压 缩 比 、燃 烧 起 始 角 、燃 烧 持 续 期 、进排气提前角和 进 气 迟 闭 角 等 参 数 分 别 取 最 优 化 值优化后 ，柴油机的 功 率 和 扭 矩 都 得 到 了 一 定 程 度 的 提高，同 时 使 得 柴 油 机 的 油 耗 有 所 降 低 ，有 效 地 改 善 了柴油机的动力性和经济性。柴油机参数优化前后 的性能对比如表 1 所示。
建立的模型如图 2 所示。
图 3 压缩比对扭矩的影响 Fig． 3 The torque curve at different compression ratio
图 4 压缩比对油耗的影响 Fig． 4 The fuel consumption curve at different compression ratio
gf —每缸每循环喷油量； R—气体常数；
h—气体内焓；
φ—曲轴转角；
下角标 z，d，e—缸内气体、新鲜空气和已燃气体。
图 1 表示了气缸内的能量守恒关系式的物理意
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义。气缸中的工质内能变化是由喷入燃油的燃烧热 量 dQf / dφ，进入气缸新鲜空气带入的热量 （ dmd / dφ） hd ，废气排出气缸带走的热量 （ dme / dφ） he ，工质与气 缸盖、缸套和活塞进行热交换的热量 dQw / dφ 以及传 给活塞的机械功所相当的热量 pz（ dVz / dφ） 所组成。
0 引言
发动机工作过程 是 一 个 非 常 复 杂 的 系 统 ，涉 及 到 热力 学、化 学 反 应 动 力 学、流 体 动 力 学 及 传 热 学 等 多 门学科［1］。自 20 世纪 70 年代以来，随着快速、大容量 计算机和数据处理系统在发动机研究中的应用越来 越广 泛，使 发 动 机 热 力 循 环 模 拟 成 为 可 能 ，发 动 机 设 计由过去 比 较 粗 糙 的 经 验、半 经 验 公 式 向 着 模 拟 计 算、优化设计和发动机 CAD 方面过渡，并取得了一系 列新的进展。通过使用计算软件对发动机工作过程 的仿真计算 ，可以比 较 深 入 地 了 解 工 作 过 程 中 参 数 变 化的规律 、结构参数 及 工 况 条 件 等 因 素 对 工 作 过 程 影 响的 程 度，进 而 与 试 验 研 究 相 互 补 充，形 成 对 发 动 机 工 作 过 程 进 行 比 较 全 面、深 入 的 分 析 研 究 方 法，实 现 发动机性能优化［2－5］。本文利用 AVL BOOST 软件，建 立了某型号六缸增 压 柴 油 机 模 型 ，对 其 工 作 过 程 进 行 了仿真计算 ，分析 了 压 缩 比 、燃 烧 起 始 角 、燃 烧 持 续 期 和配气相位等参数 对 柴 油 机 整 机 性 能 的 影 响 ，并 对 各 参数进行了优化 ，计 算 结 果 对 农 用 柴 油 机 优 化 设 计 和 性能分析有重要的参考意义。
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2． 3 燃烧持续期 本文中的燃烧持续期是 AVL BOOST 软件所定义
的 ，指燃油在气缸内 开 始 发 火 到 燃 烧 完 全 结 束 这 段 时 期，包括速燃阶段、缓燃阶段和后燃 阶 段。在 转 速 不 变的情况下 ，改变燃 烧 持 续 期 得 到 各 曲 轴 转 角 下 的 柴 油机性能变化曲线如图 9 ～ 图 11 所示。
=
dQf dφ
+
dme dφ
he
－
dQw dφ
－
pz
dVz dφ
（ 1）
dmz dφ
= dmd dφ
－
dme dφ
+
gf
dx dφ
（ 2）
pzVz = mzRzTz
（ 3）
式中 m—气体质量流量；
U—气体内能；
Qf —燃烧热量； Qw —活塞导热量； V—气体体积；
P—气体压力；
T—气体温度；
x—已燃气体比例；
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基 于 BOOST 的 柴 油 机 整 机 性 能 优 化 设 计
李 文1 ，刘载文1 ，付晓宁2 ，许继平1
（ 1． 北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048； 2． 济南输油分公司， 济南 250100）
摘 要： 为 了 研 究 柴 油 机 结 构 参 数 和 运 行 参 数 对 整 机 性 能 的 影 响 ，用 发 动 机 工 作 过 程 仿 真 软 件 BOOST 对 某 型 号
图 8 压缩比对最高燃烧温度的影响 Fig． 8 The maximum temperature curve at different combustion
starting time
从图 6 ～ 图 8 曲线可以看出： 1） 额定转速下，柴油机的功率和扭矩随着燃烧起 始角的增大而减小。这是因为图 9 ～ 图 11 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 ，所 以 减 小 燃 烧 起 始 角 可 以 提高柴油机的动力性。 2） 额定转速下，随着燃烧起始角的增大，柴油机 的油耗率增大。因此减小燃烧起始角可以改善柴油 机的经济性。 3） 随着燃烧起始角的增大，最高燃烧温度降低。 由于缸内最高燃烧温度是影响 NOx 生成的主要因素， 因此增大燃烧起始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。 从柴油机的经济 性 和 动 力 性 方 面 考 虑 ，宜 采 用 较 小的燃烧起始角，但是燃烧起始角减小会引起 NOx 的 排放增加。
2） 工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度
和成分有关；
3） 气体流入或流出气缸为准稳态流动；
4） 进出口的气体动能忽略不计。
在上 述 假 定 下，缸 内 气 体 可 以 用 3 个 基 本 参 数
源自文库
（ m，p，T） 构成的 3 个方程来描述，即能量守恒、质量
守恒和气体状态方程，其数学表达式如下
d( mzUz) dφ
1 柴油机工作过程计算模型
1． 1 工作过程仿真数学模型 在零维燃烧模型 的 工 作 过 程 计 算 中 ，综 合 考 虑 模
拟精度对结果的影 响 以 及 工 作 量 的 关 系 ，对 工 质 做 如
收稿日期： 2011－01－10 基金项目： 国家重点实验室开放课题研究基金项目（ 2007DA780154F
工作过程进行了模 拟 计 算 ，研 究 了 一 些 重 要 参 数 对 柴 油机性能影响的变 化 规 律 ，并 对 计 算 结 果 做 了 相 应 的 分析。 2． 1 压缩比
在原机的基础上 ，选 择 不 同 的 压 缩 比 进 行 模 拟 计 算，得 到 柴 油 机 在 额 定 转 速、不 同 压 缩 比 下 的 性 能 参 数变化规律，结果如图 3 ～ 图 5 所示。
图 2 算例柴油机的计算模型 Fig． 2 The diesel simulation model
2 参数优化计算及分析
对上述柴油机模型在额定转速 2 200 r / min 下的
图 5 压缩比对最高燃烧温度的影响 Fig． 5 The maximum temperature curve at different compression ratio
0913） 作者简介： 李 文（ 1971 － ） ，女，山东德州人，硕 士 研 究 生，（ E － mail）
liw@ th． btbu． edu． cn。
下假定［6］：
1） 气缸内的状态是均匀的，即不考虑气缸内各点
的压 力、温 度 和 浓 度 的 差 异，并 认 为 在 进 气 期 间 流 入
气缸内空气与气缸内残余废气实现瞬时的完全混合；
由图 3 ～ 图 5 可知，随着压缩比的增大，柴油机输 出功率及扭矩不断增大，油耗率不 断 减 小。这 表 明， 压缩比的增大可以 使 柴 油 机 的 动 力 性 提 高 ，并 可 以 改 善柴油机的经济性。 2． 2 燃烧起始角
柴油机的燃烧起始点是与供油提前角息息相关 的。在负荷 不 变 的 情 况 下，保 持 柴 油 机 的 循 环 供 油 量 、燃烧模型和燃 烧 持 续 期 不 变 ，只 改 变 燃 烧 起 始 角 ， 分别计算柴油机性能，结果见图 6 ～ 图 8 所示。
图 11 压缩比对最高燃烧温度的影响 Fig． 11 The maximum temperature curve at different combustion duration
由图 9 ～ 图 11 可知： 柴油机的功率和扭矩随着燃 烧持续期的增大而先增大后减小。燃烧持续期为 50° CA 时，柴油机的功率和扭矩达到最大值，动力性能最 佳； 油耗随燃烧持续期的增大而先减小后增大，燃烧 持续期为 50° CA 时，柴油机的油耗达到最小值，经济 性能最佳； 最高燃烧温度随着燃烧持续期的增大而逐 渐减小，由于缸内最高燃烧温度是影响 NOx 排放的主 要因素 ，因此增大燃 烧 持 续 期 有 助 于 降 低 缸 内 的 最 高 燃烧温度，从而达到降低 NOx 的目的。
工 作 过 程 仿 真 ，通 过 对 比 其 整 机 性 能 参 数 发 现 ，优 化 后 的 柴 油 机 动 力 性 、经 济 性 和 排 放 性 能 均 有 所 提 高 。
关 键 词 ： 柴 油 机 性 能 ； 优 化 设 计 ； 仿 真 ； BOOST
中图分类号： TK422
文献标识码： A
文章编号： 1003－188X（ 2011） 10－0191－04
的 增 压 柴 油 机 进 行 了 建 模 和 模 拟 计 算 。改 变 压 缩 比 、燃 烧 起 始 角 及 配 气 相 位 等 参 数 ，比 较 了 不 同 参 数 下 发 动 机
转矩 、功 率 、缸 内 燃 气 最 高 温 度 和 最 高 压 力 等 性 能 参 数 ，选 定 了 最 优 化 的 参 数 组 合 。 利 用 优 化 后 的 参 数 再 次 进 行
表 1 参数优化前后的性能对比 Tab． 1 The comparation between original and new parameters
功率 / kW
扭矩 / N·m
油耗
最高燃烧温度
/ g·（ kW·h） －1
/K
优化前
268
1165
优化后
280
1210
对比结果 /%
4． 5
3． 9
223 215 －3． 6
2050 2025 －1． 2
优化后，最高燃烧温度降低，由于最高燃烧温度是 影响 NOX生成的主要因素，所以优化后柴油机的排放 得到改善。
综上所述 ，燃烧持 续 期 的 增 大 能 够 保 证 柴 油 机 燃 烧过程的柔和 ，使 柴 油 机 较 平 稳 地 运 转 。 但 是 燃 烧 持
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续期的增大导致燃 烧 定 容 度 的 恶 化 ，加 上 泵 气 损 失 的 增加，柴 油 机 的 热 效 率 下 降，而 选 择 较 小 的 燃 烧 持 续 期则会导致柴油机的机械负荷和热负荷的急剧增加。
图 9 燃烧持续期对扭矩的影响 Fig． 9 The torque curve at different combustion duration
图 10 压缩比对油耗的影响 Fig． 10 The fuel consumption curve at different combustion duration
图 1 气缸内能量守恒简图 Fig． 1 The chart of energy balance in cylinder
1． 2 柴油机基本参数 缸径 / m： 0． 126 行程 / m： 0． 13 压缩比： 15． 5 额定转速 / r·min－1 ： 2 200 额定功率 / kW： 266 气缸排列方式： 六缸直列 燃烧方式： 直喷、增压中冷、四冲程 根据柴油机的结构参数，利用 AVLBOOST 软件所
图 6 燃烧起始角对扭矩的影响 Fig． 6 The torque curve at different combustion starting time
图 7 压缩比对油耗的影响 Fig． 7 The fuel consumption curve at different combustion starting time