压缩比对柴油机性能影响

1、收稿日期:2011-04-24基金项目:国家自然科学基金资助项目(5087601作者简介:邹振宇(1978-,男,汉族,辽宁海城人,吉林建筑工程学院讲师,吉林大学博士研究生,主要从事内燃机工作过程的数值模拟方向研究,E -m ail:511230zz y.第32卷第4期 长春工业大学学报(自然科学版 Vo l 32N o.42011年08月 Jo ur nal of Chang chun U niversity of T echnolo gy (N atural Science Edition A ug 2011压缩比对柴油机性能影响邹振宇1, 刘 晶2(1.吉林建筑工程学院土木工程学院,吉林

2、长春 130021;2.国家开发银行吉林省分行,吉林长春 130021摘 要:利用大型通用柴油机工作过程数值模拟软件GT -Pow er,以6106柴油机为样机对其动力性能进行了模拟计算,得到了压缩比对柴油机性能影响的规律,计算结果为柴油机的性能开发和优化设计提供依据。关键词:柴油机;压缩比;数值模拟中图分类号:TK421.5 文献标志码:A 文章编号:1674-1374(201104-0319-04Effects of compression ratio on diesel engine perform ancesZOU Zhen -yu 1, LIU Jing2(1.Department

3、of Basic Science,Jilin Architectu re and Civil Engin eer ing Ins titute,Ch angchun 130021,C hina;2.Developing Bank of J ilin,Changchun 130021,ChinaAbstract:With so ftw are GT -Pow er for analyzing the operation process of the general larg e diesel engine,w e simulate the dynamic proper ties of the 6

4、106diesel engine and get the effects of com pression ratio on diesel eng ine per for mances.T he results offer the suppo rt fo r the developm ent and optim um design of diesel eng ine.Key words:diesel eng ine;com pr ession ratio;numerical simulation.0 引 言柴油机作为常用动力源,对人们的日常生产与生活影响巨大。近年来,对柴油机的动力性、经济性及排

5、放等各方面的要求不断提高。压缩比对柴油机性能影响显著。对柴油机压缩比的测定与研究多采用实验的方法实现,用台架对柴油机的参数进行标定。这种方法虽然广为利用,但工作量很大,耗费人力、物力、财力。随着计算机技术的发展,数值模拟技术为内燃机的研发提供了一种新的研究渠道1-2,利用计算机数值模拟可以很好地解决上述缺点,而且会大大缩短内燃机的研发时间3,甚至可以得到实验很难得到的结果,柴油机工作过程的数值模拟已经受到国内外专家的高度重视4-5。1 模型建立1.1 实机模型文中所研究的样机为6106柴油机,其基本参数见表1。表1 6106柴油机参数发动机型式直列6缸、四冲程吸气方式增压中冷缸径106mm 额

6、定功率180kW (2300r /min冲程125mm 最大扭矩900N m (1400r /min压缩比17.5排量 6.618L 最低燃油消耗208212g /(kW h燃油喷射模式缸内直接喷射1.2 计算模型建立柴油机工作流程如图1 所示。图1 柴油机工作流程图GT -Pow er 整机分析模型主要由进气系统、排气系统、涡轮增压系统、喷油组件、气缸和曲轴箱等组成。用实验数据对模型进行校准,确定模型的准确性。几何结构的精确描述是准确实现数值模拟的重要前提,但柴油机模型涉及到的实体很多,而且结构极其复杂,如按真实实体结构建立计算几何模型需要花费大量时间且难以实现,也没有必要。因此根据计算经验

7、,在保证对数值计算精度不产生很大影响的前提条件下,对实体结构进行一些等效简化处理。由于对整机进行分析涉及到的工作过程太多,同时也受到计算速度的影响,因此,将进排气管路简化成一维模型,此模型适于在整 机工作过程的模拟、优化和最优控制中使用6-8,这样既能保证计算的精度,又可以节省大量的时间。由于所要分析的是柴油机的性能参数,从而对缸内的喷雾和燃烧也做了简化,燃烧模型采用的是准维模型,这种简化虽然看不出空间的不均匀性对柴油机性能的影响,但是,可以得到柴油机性能随时间的变化规律,而且结果精度也可以满足研发要求。1.3 计算模型的校准通常在进行数值模拟计算时,在模型建立以后,必须通过校准才能确定其准确

8、性,然后进行模拟计算。通过计算结果与实验结果的对比,可以看出模型是可靠的。模型校准后部分计算结果如图2图5所示。图2 额定工况下缸内压力曲线计算值与实验值比较图3 不同转速下功率的计算结果与实验值比较320长春工业大学学报(自然科学版 第32卷 图4 不同转速下空气流量的计算结果与实验值比较图5 不同转速下充气效率的计算结果与实验值比较2 计算结果与分析压缩比对柴油机最高燃气压力、最高燃气温度的影响如图6 所示。图6 压缩比对最高燃气压力、最高燃气温度的影响从计算结果可以发现,随着压缩比的升高,最高燃气压力明显升高,压缩比每升高0.5,最高燃 气压力升高3.5 105Pa 左右。这是因为压缩比

9、越大,相同初始状态的气体被压缩的越厉害,所以其压缩终点的压力越高,缩短了着火延迟期,使柴油机的燃烧特性得到了改善。从计算结果上还可以看到,随着压缩比增大,最高燃气温度下降,这是因为增大压缩比的同时增加了发动机的膨胀比,使得最高循环压力急剧升高,而且热能转化为有用功大大增加,从而最高燃气温度下降。 压缩比对功率、扭矩的影响如图7所示。图7 压缩比对功率、扭矩的影响由图7可以看出,压缩比越大,柴油机的功率和扭矩越大,这是因为压缩比越大,燃油燃烧的环境越理想,使燃烧室里的燃料更能充分燃烧,由热能转化为机械能的功越多。所以功率和扭矩都得到了很大程度上的提高,从计算结果来看,压缩比每提高0.5,扭矩和功

10、率升高2.5N m,大大提高了柴油机的动力性和经济性。压缩比对有效燃油消耗、充气效率的影响如图8所示。图8 压缩比对有效燃油消耗、充气效率的影响321第4期 邹振宇,等:压缩比对柴油机性能影响从计算结果可以看出,压缩比每提高0.5,有效燃油消耗下降约1g/(kW h。这是因为随着压缩比增加,燃油燃烧更加充分,提高了柴油机有效热效率,也就是说,提高了柴油机热能转化为机械能的效率,从而降低柴油机的燃油消耗率。发动机的充气效率从图8上看是随着压缩比增大,逐渐提高,这是因为柴油机压缩比越大,会使废气排的越干净,从而使新鲜空气更容易进入,所以会使柴油机的充气效率得到提升。3 结 语利用CFD软件(GT-

11、Pow er对柴油机的工作过程进行数值模拟,可以发现,压缩比对柴油机的工作过程有很大的影响。压缩比越大,发动机的最高燃气压力、功率、扭矩、充气效率越高,说明大的压缩比可以很好地改善柴油机的燃烧特性,从而提高发动机的动力特性。同时,有效燃油消耗会大幅度降低,很好地改善了柴油机的经济特性。但是,太大的压缩比也决定了柴油机的机械负荷也比较大,所以对于柴油机,在保证机械负荷的前提下,尽量提高压缩比。参考文献:1 张海艳.配气定时对柴油机性能影响的数值模拟分析J.柴油机设计与制造,2006(6:12-162 焦天民,周龙保.应用CF D优化设计柴油机配气正时J.内燃机工程,2005(5:16-173 刘永长.内燃机热力过程模拟M.北京:机械工业出版社,2001:35-374 周龙保.内燃机学M.北京:机械工业出版社,1999:37-385 Whiteho use N D,Way R J B.Rate o f heat r eleasein diesel engines and it s co rr elatio n w ith fuel injec-tio n dataJ.Pr oc.Instn.M e