【《柴油机排气热管理仿真计算模型的建立分析案例》4700字】

V柴油机排气热管理仿真计算模型的建立分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u9840柴油机排气热管理仿真计算模型的建立分析案例 1244361.1GT-Power仿真计算软件介绍 1148201.2六缸柴油机仿真计算模型的建立 2159531.2.1仿真过程中的基本假设及数学模型 3187511.2.2柴油机仿真模型的建立 696051.2.3仿真模型基本参数的设定 721661.3仿真计算模型的验证 10在柴油机低速小负荷排气热管理性能的研究过程中，需要了解多种解决方案的参数变化对发动机性能的影响，如果采用传统台架试验的方法进行逐个探究则需要投入大量的人力及经济成本，并且减缓柴油机新技术的升级迭代速度。本章以某六缸柴油机为研究对象，根据其机械构造及相关技术参数应用GT-POWER软件搭建仿真计算模型，利用已有试验数据完成对模型的验证和标定，并以此作为后续排气热管理性能仿真研究的基础。1.1GT-Power仿真计算软件介绍随着计算机技术的蓬勃发展，借助于计算机强大运算能力的多种CAE仿真软件受到各主机厂及研究机构的青睐，其中AVL李斯特公司开发的AVLBOOST软件以及GammaTechnologies公司开发的GT-POWER软件[61]就是极具代表性的一维热力学仿真计算分析软件，它们被用来模拟发动机工作过程。与同类型软件相比，GT-POWER凭借其功能完备、运用灵活等优势成为应用最广泛的发动机性能仿真软件之一，并且能通过与第三方仿真软件如SIMULINK、STAR-CCM+、FLUENT、AVL-FIRE等进行耦合计算来补充完善仿真过程及结果。因此，这里采用GT-SUITE仿真分析套件中的GT-POWER模块作为仿真平台。其基本使用流程如图2-1所示。图2-1GT-POWER仿真计算基本流程GT-POWER中的模块数据库是进行发动机模型建立的根本，根据其物理模型的特征，可分成下面几部分：Flow（流动相关模块，如气体流通管道、阀门和燃油喷射等）、Mechanical（机械构造相关模块，如发动机曲轴、机体等）、Thermal（附加热计算模块，如气缸周壁传热等）、Electrical（电磁相关模块，如电池、电磁阀等）、Control（控制相关模块，如PID控制器、传感器等）、Analysis（数据分析相关模块，如快速傅立叶变换等）、General（通用模块，包含各循环工况的喷油速率曲线、Data表格等）。GT-POWER可以对多种形式发动机[62]（如点燃式/压燃式、二冲程/四冲程、单缸/多缸、直列/V型、增压/自然吸气及多种应用新型技术的发动机等）的性能进行预测，获得包括发动机功率P、扭矩T、燃油耗be、排放和缸压等参数在内的性能指标。此外，通过对稳定工作过程的计算模拟，可以实现如配气机构气门升程及配气正时的优化设计、进排气歧管结构的设计和改动等工作；通过模拟瞬态工作过程，实现对气缸零部件的热分析、增压器的响应特性分析等，辅助进行发动机各组成零部件结构参数的优化设计。1.2六缸柴油机仿真计算模型的建立在探究可变配气系统对柴油机低速小负荷排气热管理性能影响的过程中，一般需要针对配气机构的某些变量进行反复多次性能试验，但这样往往会对实际配气机构的加工试制及装配更换带来巨大挑战。为了在研究前期即排除部分不理想方案，可以通过仿真计算的方法对柴油机的部分性能进行预测，用来指导具体设计方案的进行[63]。图2-2增压发动机热力系统示意图图2-2为增压发动机热力系统示意图，在进行仿真模型建立时，通常将发动机整机划分为几个不同功能的子系统（如进气管道、增压器、中冷器、气缸、排气管道等）来进行。1.2.1仿真过程中的基本假设及数学模型仿真过程中通常对模型的某些部分进行理想化处理以方便计算，这里针对缸内热力循环过程及整个系统作出基本假设[64]：（1）工质为理想气体，其热力学性质仅与气体成分要素和温度有关；（2）工质在中间流动过程中（气体自输送管道进入和流出气缸的过程）为准稳定流动，不发生压力、温度浮动情况；（3）工质状态在气缸内各处平均分布，即进入气缸内的新鲜工质能够瞬时与缸内残存气体完全充分混合；（4）燃料燃烧过程为按照确定放热规律对工质进行加热的热力循环过程；（5）柴油机各部分在整个工作过程中密封良好，不存在工质泄漏。通过数学描述不同的子系统，构成柴油机工作历程的数学模型[65]，其中主要包括缸内热力学过程模型、进排气系统模型及各类计算边界条件模型等。缸内热力学工作历程是由一系列涉及物理、化学、传热和流动等过程的方程组成。其工质的状态可以通过对热力过程中遵循的质量守恒、能量守恒和理想气体状态方程进行联合求解，获得质量m、压力P和温度T这三个参数来描述。（1）能量守恒方程：（2-1）式中：T——工质的温度，K；φ——曲轴转角，°CA；m——缸内工质总质量，kg；V——气缸工作容积，m3；QB——燃油燃烧释放在气缸内的热量，J；QW——经过气缸壁面交换传递的热量，J；p——气缸内部工质压力，MPa；ms，me——进入、排出气缸工质质量，kg；hs，he——进、排气门处工质的比焓，J/kg；u——比内能，kJ/kg；λ——广义过量空气系数。当忽视广义过量空气系数λ对比内能u的影响时，式（2-1）可变为：（2-2）（2）质量守恒方程：（2-3）式中：mB——注入气缸内瞬时燃料的质量，kg。（3）理想气体状态方程：（2-4）式中：R——气体常数，kJ/(kg·K)。进、排气系统在实际工作时的气体流动较为复杂，会受到诸如管壁摩擦和温差热交换等多种情况的影响，因此其工作过程是具有代表性的三维非定常流动过程。但是由于其管道长径比较大，一般流动的过程多由流体的径向流动决定，因此在仿真时对其进行简化，按照一维非定常流动并采取有限体积方法实行仿真计算。在此基础上，应用的基本控制方程为：（1）连续方程：（2-5）（2）动量方程：（2-6）（3）能量方程：（2-7）式中：ρ——管道入口横截面流体的密度，kg/m3；c——管道入口横截面流体的速度，m/s；F——管道内部横截面积，m3；p——管道入口横截面的压力，MPa；f——管道内壁摩擦系数；D——管道水力直径，m；q——单位质量流体的传热率，W/(m2·K)；c/|c|——摩擦力方向的项。燃烧过程受到缸内气体流动的影响，除了缸内活塞往复运动造成的气体运动外，新鲜工质经气门进入气缸内的气体流动过程（对于柴油机来说主要是进气涡流）需要经过数学模型计算描述，其涡流系数Cs的计算公式如下：（2-8）（2-9）式中，Ts——涡流力矩，N·m；——质量流量，kg/s；Uis——等熵气门速度，m/s；D——气缸直径，m；PR——绝对压力比（即静态出口压力/总入口压力）；R——气体常数，kJ/(kg·K)；To——回流滞止温度，K；γ——比热比（温度300K的空气对应值为1.4）。在对缸内燃烧放热率计算时，可选择多种放热率模型进行求解，常用的方法包括使用试验测量的示功图计算实际放热规律、利用韦伯函数建立半预测模型及建立多维燃烧模型等。这里选择三项韦伯函数进行放热率计算，通过将燃烧历程划分成预混燃烧、主燃烧和后燃烧使结果接近真实情况，其数学模型如下：（2-10）（2-11）（2-12）（2-13）式中，FM——主燃烧分数FP——预燃烧分数FT——后燃烧分数WCP，WCM，WCT——韦伯预混合、主燃、后燃常数DP，DM，DT——预混合、主燃、后燃持续时间EP，EM，ET——预混合、主燃、后燃指数1.2.2柴油机仿真模型的建立根据发动机实际机械结构，结合GT-POWER的元件库及模块划分原则，对某六缸柴油机进行子系统模块划分，主要包括进气系统模块、排气系统模块、增压器模块、燃料供给模块、气缸模块以及曲轴箱模块[66]等，如图2-3所示为目标机型各描述模块经连结排布后的GT-POWER仿真计算模型。图2-3某型号柴油机GT-POWER仿真计算模型从模型中能看出，该柴油机的基本工作历程为：经压气机压缩后的空气进入中冷器降温，然后通过进气歧管流入各气缸进气道内，由依次开启的进气门分配至各工作气缸内，辅助喷入的燃油压缩做功，燃烧后的废气经排气门流出进入气缸排气道，通过排气歧管收集后的废气带动涡轮机旋转，实现进气增压，涡轮后废气经后处理系统（本文主要对排气热管理性能进行研究，其最终衡量指标之一为涡轮后排气温度，不涉及具体后处理系统，故不体现在模型中）净化最终排入到外界大气环境中。1.2.3仿真模型基本参数的设定发动机子系统对应的模块需要经过较为准确的参数定义才能作为仿真计算的初始条件，从而确保使用仿真进行性能预测的准确性。表2-1为某型号六缸柴油机的主要技术参数，通常情况下发动机的其他基本结构尺寸参数可以从目标机型中直接测量获得，某些属性参数也可通过前期试验测得，而对于其他某些非关键参数可按照经验值或推荐值进行设定。表2-1某型号六缸柴油机主要技术参数参数名称参数值/单位发动机形式直列六缸、单顶置凸轮轴、单缸4气门、高压共轨+SCR（国五排放）进气形式增压中冷缸径×行程116mm×150mm总排量9.5L压缩比17.5:1额定转速1900r/min额定功率276kW最大扭矩1800N·m全负荷最低燃油消耗率≤185g/(kW·h)下面对主要模块：边界环境模块、进排气系统模块、气缸模块、喷油模块、曲轴模块等的参数设定过程进行介绍。（1）边界环境模块边界环境模块（即模型中的出入口边界条件）参数可直接根据实际试验条件进行设定，其中边界环境成分为空气（N2含量为76.7%，O2含量为23.3%），温度为298K，压力为1.01bar，。（2）进、排气系统模块进、排气系统的关键参数设置对象包含各类管道、增压器、中冷器以及进排气门等。此处增压器及中冷器的参数直接调用该构件实际性能参数表；各类直管及弯管按照其属性设置窗口顺序进行设置，如主属性中的结构尺寸、初始状态和管道相关传热参数等；各类歧管则需要对其基本物理结构、传热、压降及管路三维结构参数等进行设置。对于进、排气门的参数首先需要正确设置进、排气门的配气正时，GT-POWER中可以选择点火上止点作为开始时刻（即0°CA），并以气门最大开启升程对应的曲柄转角作为参考来确定配气正时，气门最大升程及其对应的曲轴转角值如表2-2所示，后续对柴油机排气热管理性能的仿真计算过程以此为基础来进行。表2-2原机气门最大升程及其对应时刻参数名称参数值/单位进气门最大升程13.2mm进气最大升程时刻453°CA排气门最大升程11.5mm排气最大升程时刻256°CA除了输入相应的升程曲线外，气门模块中还需要对气门处的流通系数进行定义，包括正向流通系数和反向流通系数，同时进气门处还需设定涡流系数来完善缸内气体流动情况，这些参数值通过试验及公式计算获得。（3）气缸模块气缸模块作为热力学过程的主要发生区域，需要定义多种属性参数。除数学模型建立阶段确定的韦伯燃烧模型外，还包括其初始状态、周壁（缸盖底部、活塞顶部、缸套壁面）温度、缸内流动情况（主要是活塞燃烧室的几何参数）及传热模型的设置。针对传热过程，GT-POWER内置了多种传热模型供选取，如flow模型、Woschni模型以及Hohenberg模型等。这里忽略缸内涡流但考虑气门开启状态对换热系数的影响，即进气门流通速度较大和由排气门回流的过程都增加热传递，因此使用WoschniGT模型进行计算。（4）喷油器模块喷油器模块的属性定义大致包含每循环喷入量、启喷时刻、喷入燃料类型、喷嘴几何参数及配置文件设定等，表2-3为喷油器喷嘴的几何参数值。表2-3喷嘴的几何参数参数名称参数值/单位喷入温度300K喷孔直径0.169mm喷孔数量8喷嘴流量系数0.85（5）曲轴模块曲轴模块依次连接做功气缸将发动机整机动力向外输出，其属性设置包含发动机气缸几何参数，如活塞直径、活塞行程、连杆长度、压缩比及活塞运行至上止点时距缸套顶部余隙高度（用于计算缸套传热表面积）等，其中的部分参数在表2-1中有所展示。此外，发动机的冲程数、控制模式、转速情况、平均摩擦有效压力、循环开始角度（即第一次到达上止点前的角度，必须为负值）、点火顺序、容积效率参考状态等参数根据发动机实际工作状态进行设定。1.3仿真计算模型的验