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進(jìn)/排氣邊界對(duì)高原柴油機(jī)缸內(nèi)制動(dòng)的數(shù)值模擬
2021-10-19 23:59:16· 來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)
柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時(shí)，由于空氣稀薄，進(jìn)氣效率下降，其動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性下降。通常采用兩級(jí)增壓系統(tǒng)來增強(qiáng)重型柴油機(jī)高原功率能力，但是這會(huì)使得平原環(huán)境下發(fā)動(dòng)
柴油機(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時(shí)，由于空氣稀薄，進(jìn)氣效率下降，其動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性下降。通常采用兩級(jí)增壓系統(tǒng)來增強(qiáng)重型柴油機(jī)高原功率能力，但是這會(huì)使得平原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)能量增加，制動(dòng)器摩擦副溫度升高，進(jìn)而產(chǎn)生熱衰退。除了常規(guī)的摩擦制動(dòng)，排氣制動(dòng)（倒拖工況時(shí)關(guān)閉排氣歧管出口的閥來增大泵氣損失壓力）也開始走進(jìn)視野。本期推文筆者[1]借助數(shù)值模擬手段，重點(diǎn)研究高原環(huán)境下排氣參數(shù)對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)制動(dòng)過程機(jī)理及關(guān)鍵因素的影響。
1、方法介紹
本文研究的高壓共軌柴油機(jī)主要參數(shù)見表1。
表1 柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)
基于GT-Power構(gòu)建了單級(jí)及兩級(jí)增壓系統(tǒng)的一維熱力學(xué)仿真模型，相關(guān)建模過程和試驗(yàn)驗(yàn)證參見文獻(xiàn)[1]。在倒拖工況下，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的倒拖功率及缸內(nèi)壓力，誤差在3%以內(nèi)，如圖1a~b 所示。
圖1 原機(jī)制動(dòng)功率及p-V示功
基于校核的單級(jí)增壓系統(tǒng)，在海拔為0 km 時(shí)，筆者對(duì)原單級(jí)增壓系統(tǒng)進(jìn)行倒拖工況的模擬計(jì)算，分析倒拖工況下柴油機(jī)的制動(dòng)功率，倒拖工況為1 000，1 330，1 500，1 660，1 800，1 990 r/min，依次分別標(biāo)記為工況1~6。
倒拖工況下，制動(dòng)功率主要來源為：柴油機(jī)壓縮行程壓縮空氣所做的功與膨脹行程空氣對(duì)活塞所做的功之差(負(fù)功)、克服摩擦損失、泵氣損失及傳熱損失(由于柴油機(jī)正常運(yùn)行條件下，倒拖工況過程中傳熱損失較小，分析過程中忽略傳熱損失)。為了便于對(duì)柴油機(jī)工作循環(huán)進(jìn)行分析，引入總平均指示壓力(IMEP360)、泵氣損失壓力(PMEP)、摩擦損失壓力(FMEP)、平均有效壓力(BMEP)，具體定義如式(1)～(4)所示，規(guī)定壓縮上止點(diǎn)為0° CA。由于分析的指標(biāo)數(shù)值均為負(fù)值，為分析方便論述中以絕對(duì)值表示，且絕對(duì)值增大，即為增大或升高。
其中公式參數(shù)描述見文獻(xiàn)[1]。
缸內(nèi)制動(dòng)通過在壓縮上止點(diǎn)前對(duì)排氣門開啟一定角度及持續(xù)期(同時(shí)保證氣門與活塞不發(fā)生機(jī)械碰撞)，缸內(nèi)壓縮氣體快速進(jìn)行排氣，減少在膨脹行程過程中壓縮氣體對(duì)活塞做功。表2為缸內(nèi)制動(dòng)工況下排氣門在壓縮上止點(diǎn)開啟時(shí)刻及開啟持續(xù)期，作為下文模型仿真的邊界條件。圖2為表2對(duì)應(yīng)排氣門開啟持續(xù)期及開啟時(shí)刻的升程曲線。
表2 排氣門在壓縮上止點(diǎn)開啟狀態(tài)
圖2 排氣門升程曲線
如圖3所示，排氣制動(dòng)過程中，p-V示功在進(jìn)氣行程與壓縮行程排氣門開啟之前的過程中，與正常無排氣制動(dòng)的缸內(nèi)循環(huán)無明顯差異。在壓縮階段終點(diǎn)到膨脹階段，缸內(nèi)壓力達(dá)到最大后迅速減小，甚至在膨脹階段中后期，缸內(nèi)壓力低于大氣壓，缸內(nèi)形成負(fù)壓，總指示壓力進(jìn)一步增大。
圖3 缸內(nèi)制動(dòng)p-V示功
2、結(jié)果分析
圖4為在壓縮上止點(diǎn)、不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)缸內(nèi)壓力影響。當(dāng)排氣門在壓縮上止點(diǎn)前20° CA 開啟時(shí)，低轉(zhuǎn)速（1 330 r/min）工況下，隨著開啟持續(xù)期的增加，缸內(nèi)最高壓力無明顯差異，膨脹行程缸內(nèi)壓力先下降后升高；排氣及進(jìn)氣行程缸內(nèi)壓力無明顯差異。高轉(zhuǎn)速（1 990 r/min）工況下，缸內(nèi)最高壓力先升高后有所降低，膨脹行程缸內(nèi)壓力先降低后升高；排氣行程缸內(nèi)壓力先升高后有所降低。由圖4c～d可知，當(dāng)排氣門在壓縮上止點(diǎn)的開啟持續(xù)期為64° CA時(shí)，高、低速工況，隨著開啟時(shí)刻的推遲，缸內(nèi)最高壓力升高，同時(shí)，膨脹行程缸內(nèi)壓力也逐漸升高。排氣行程中，缸內(nèi)壓力先升高后逐漸趨于平緩；進(jìn)氣行程中，缸內(nèi)壓力無明顯變化。因此，氣門開啟持續(xù)期對(duì)壓縮行程影響較小，其主要作用于膨脹行程。氣門開啟時(shí)刻對(duì)壓縮行程、膨脹行程及排氣行程影響均較大。
圖4 不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)缸內(nèi)壓力影響
圖5為在壓縮上止點(diǎn)、不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)總平均指示壓力的影響。由圖5a 可知，當(dāng)排氣門在壓縮上止點(diǎn)前20° CA開啟時(shí)，隨著開啟持續(xù)期的增加，低轉(zhuǎn)速時(shí)總平均指示壓力呈先增加后有減小的趨勢(shì)，但其整體差異較小；標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)開啟持續(xù)期由39° CA增加到64° CA，最大總平均指示壓力升高了1.7 MPa。這是由于低轉(zhuǎn)速時(shí)，由p-V示功圖可知，壓縮行程缸內(nèi)壓力無明顯差異，膨脹行程缸內(nèi)壓力先增加后減小所致；高轉(zhuǎn)速時(shí)，膨脹行程缸內(nèi)壓力先增加后趨于平緩。由圖5b可知，標(biāo)定轉(zhuǎn)速、當(dāng)開啟持續(xù)期一定（64° CA）時(shí)，開啟時(shí)刻由34° CA BTDC 推遲到29° CA BTDC，最大總平均指示壓力由7.4 MPa 升高到7.8 MPa；繼續(xù)推遲開啟時(shí)刻到10° CA BTDC，最大總平均指示壓力迅速由7.8 MPa降低到5.8 MPa。由圖5d 可知，壓縮行程缸內(nèi)壓力逐漸升高，但膨脹行程缸內(nèi)壓力也逐漸升高，其綜合作用使得總平均指示壓力先升高。
圖5 不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)總平均指示壓力的影響
圖6為在壓縮上止點(diǎn)、不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)泵氣損失的影響。由圖6a可知，當(dāng)排氣門在壓縮上止點(diǎn)前20° CA 開啟時(shí)，隨著開啟持續(xù)期的增加，泵氣損失壓力略微增加。由p-V示功圖可知，進(jìn)/排氣行程缸內(nèi)壓力差異較小，故泵氣損失壓力差異較小。由圖6b可知，在壓縮上止點(diǎn)當(dāng)排氣門開啟持續(xù)期一定（64° CA）時(shí)，隨著開啟時(shí)刻的推遲，泵氣損失壓力有所升高，但總體差異較小。
圖6 不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)泵氣損失的影響
圖7為在壓縮上止點(diǎn)、不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)摩擦損失的影響。由圖7a可知，當(dāng)排氣門在壓縮上止點(diǎn)前20° CA 開啟時(shí)，隨著開啟持續(xù)期的增加，僅在高轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦損失壓力略微增大。由圖7b可知，當(dāng)排氣門開啟持續(xù)期為64° CA 時(shí)，隨著開啟時(shí)刻的推遲，摩擦損失壓力逐漸增加。由式（4）可知，摩擦損失壓力主要與活塞速度和缸內(nèi)最高壓力相關(guān)，排氣門開啟時(shí)刻一定時(shí)，缸內(nèi)最高壓力無明顯差異；排氣門開啟持續(xù)期一定時(shí)，缸內(nèi)最高壓力差異較大。
圖7 不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)摩擦損失的影響
圖8為在壓縮上止點(diǎn)、不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)平均有效壓力的影響。由圖8a可知，標(biāo)定轉(zhuǎn)速、排氣門在壓縮上止點(diǎn)前20° CA開啟時(shí)，開啟持續(xù)期由39° CA增加到64° CA，平均有效壓力增加1.8 MPa。由圖8b 可知，標(biāo)定轉(zhuǎn)速、排氣門在壓縮上止點(diǎn)開啟持續(xù)期一定（64° CA）時(shí)，開啟時(shí)刻由34° CA BTDC推遲到29° CA BTDC，平均有效壓力升高0.46 MPa左右。由式（4）可知，平均有效壓力由總平均指示壓力、泵氣損失壓力及摩擦損失壓力組成；基于以上分析可知，提高平均有效壓力主要提升總平均指示壓力、摩擦損失壓力及泵氣損失壓力。
圖8 不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)平均有效壓力的影響
圖9為在壓縮上止點(diǎn)、不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)制動(dòng)功率的影響。標(biāo)定轉(zhuǎn)速、排氣門在壓縮上止點(diǎn)前20° CA 開啟時(shí)，開啟持續(xù)期由39° CA 增加到64° CA，柴油機(jī)最大制動(dòng)功率增加22%，且繼續(xù)增大開啟持續(xù)期，制動(dòng)功率略微降低；柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min 升高到2 200 r/min，制動(dòng)功率由42.1 kW升高到71.0 kW。當(dāng)開啟持續(xù)期一定（64° CA）時(shí)，開啟時(shí)刻由34° CA BTDC 推遲到29° CA BTDC，最大制動(dòng)功率升高3.2 kW；繼續(xù)推遲開啟時(shí)刻到10° CA BTDC，制動(dòng)功率迅速由72.7 kW 降低到59.5 kW。因此，在壓縮上止點(diǎn)存在一個(gè)最優(yōu)的開啟時(shí)刻及開啟持續(xù)期，在進(jìn)氣壓力一定的條件下使得柴油機(jī)的制動(dòng)功率最大。
圖9 不同開啟時(shí)刻及持續(xù)期對(duì)制動(dòng)功率的影響
3、結(jié)論
(1) 標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，在壓縮上止點(diǎn)，排氣門開啟持續(xù)期由39° CA 增加到64° CA，最大總平均指示壓力增加1.7 MPa，平均有效壓力增加1.8 MPa，柴油機(jī)最大制動(dòng)功率提升22%；繼續(xù)增大開啟持續(xù)期，柴油機(jī)平均有效壓力及制動(dòng)功率出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。
(2) 標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，在壓縮上止點(diǎn)，排氣門開啟時(shí)刻由34° CA BTDC 推遲到29° CA BTDC，總平均指示壓力升高0.4 MPa，平均有效壓力升高0.46 MPa，制動(dòng)功率升高3.2 kW；繼續(xù)推遲排氣門開啟時(shí)刻，平均有效壓力及制動(dòng)功率迅速降低。
文獻(xiàn)來源
[1]劉海軍,侯獻(xiàn)軍.進(jìn)/排氣邊界對(duì)高原柴油機(jī)缸內(nèi)制動(dòng)的數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,(05):409-416.
學(xué)報(bào)簡介
《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》是由中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)主辦的國家級(jí)高級(jí)學(xué)術(shù)刊物，是國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)與研究生教育中文重要期刊，是中國科技論文統(tǒng)計(jì)用刊，被工程索引(EI)等多個(gè)國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國“中文核心期刊要目”能源與動(dòng)力工程類前列?！秲?nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》主要刊載內(nèi)燃機(jī)方面有較高學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值的學(xué)術(shù)性論文，在海內(nèi)外有廣大的讀者群，是內(nèi)燃機(jī)工作者的良師益友，歡迎登錄《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》官方網(wǎng)站（www.transcsice.org.cn）投稿。
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