壓縮比對柴油機性能影響

1、收稿日期:2011-04-24基金項目:國家自然科學基金資助項目(5087601作者簡介:鄒振宇(1978-,男,漢族,遼寧海城人,吉林建筑工程學院講師,吉林大學博士研究生,主要從事內(nèi)燃機工作過程的數(shù)值模擬方向研究,E -m ail:511230zz y.第32卷第4期 長春工業(yè)大學學報(自然科學版 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壓縮比對柴油機性能影響鄒振宇1, 劉 晶2(1.吉林建筑工程學院土木工程學院,吉林

2、長春 130021;2.國家開發(fā)銀行吉林省分行,吉林長春 130021摘 要:利用大型通用柴油機工作過程數(shù)值模擬軟件GT -Pow er,以6106柴油機為樣機對其動力性能進行了模擬計算,得到了壓縮比對柴油機性能影響的規(guī)律,計算結(jié)果為柴油機的性能開發(fā)和優(yōu)化設計提供依據(jù)。關鍵詞:柴油機;壓縮比;數(shù)值模擬中圖分類號:TK421.5 文獻標志碼:A 文章編號: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 言柴油機作為常用動力源,對人們的日常生產(chǎn)與生活影響巨大。近年來,對柴油機的動力性、經(jīng)濟性及排

5、放等各方面的要求不斷提高。壓縮比對柴油機性能影響顯著。對柴油機壓縮比的測定與研究多采用實驗的方法實現(xiàn),用臺架對柴油機的參數(shù)進行標定。這種方法雖然廣為利用,但工作量很大,耗費人力、物力、財力。隨著計算機技術的發(fā)展,數(shù)值模擬技術為內(nèi)燃機的研發(fā)提供了一種新的研究渠道1-2,利用計算機數(shù)值模擬可以很好地解決上述缺點,而且會大大縮短內(nèi)燃機的研發(fā)時間3,甚至可以得到實驗很難得到的結(jié)果,柴油機工作過程的數(shù)值模擬已經(jīng)受到國內(nèi)外專家的高度重視4-5。1 模型建立1.1 實機模型文中所研究的樣機為6106柴油機,其基本參數(shù)見表1。表1 6106柴油機參數(shù)發(fā)動機型式直列6缸、四沖程吸氣方式增壓中冷缸徑106mm 額

6、定功率180kW (2300r /min沖程125mm 最大扭矩900N m (1400r /min壓縮比17.5排量 6.618L 最低燃油消耗208212g /(kW h燃油噴射模式缸內(nèi)直接噴射1.2 計算模型建立柴油機工作流程如圖1 所示。圖1 柴油機工作流程圖GT -Pow er 整機分析模型主要由進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、渦輪增壓系統(tǒng)、噴油組件、氣缸和曲軸箱等組成。用實驗數(shù)據(jù)對模型進行校準,確定模型的準確性。幾何結(jié)構(gòu)的精確描述是準確實現(xiàn)數(shù)值模擬的重要前提,但柴油機模型涉及到的實體很多,而且結(jié)構(gòu)極其復雜,如按真實實體結(jié)構(gòu)建立計算幾何模型需要花費大量時間且難以實現(xiàn),也沒有必要。因此根據(jù)計算經(jīng)驗

7、,在保證對數(shù)值計算精度不產(chǎn)生很大影響的前提條件下,對實體結(jié)構(gòu)進行一些等效簡化處理。由于對整機進行分析涉及到的工作過程太多,同時也受到計算速度的影響,因此,將進排氣管路簡化成一維模型,此模型適于在整 機工作過程的模擬、優(yōu)化和最優(yōu)控制中使用6-8,這樣既能保證計算的精度,又可以節(jié)省大量的時間。由于所要分析的是柴油機的性能參數(shù),從而對缸內(nèi)的噴霧和燃燒也做了簡化,燃燒模型采用的是準維模型,這種簡化雖然看不出空間的不均勻性對柴油機性能的影響,但是,可以得到柴油機性能隨時間的變化規(guī)律,而且結(jié)果精度也可以滿足研發(fā)要求。1.3 計算模型的校準通常在進行數(shù)值模擬計算時,在模型建立以后,必須通過校準才能確定其準確

8、性,然后進行模擬計算。通過計算結(jié)果與實驗結(jié)果的對比,可以看出模型是可靠的。模型校準后部分計算結(jié)果如圖2圖5所示。圖2 額定工況下缸內(nèi)壓力曲線計算值與實驗值比較圖3 不同轉(zhuǎn)速下功率的計算結(jié)果與實驗值比較320長春工業(yè)大學學報(自然科學版 第32卷 圖4 不同轉(zhuǎn)速下空氣流量的計算結(jié)果與實驗值比較圖5 不同轉(zhuǎn)速下充氣效率的計算結(jié)果與實驗值比較2 計算結(jié)果與分析壓縮比對柴油機最高燃氣壓力、最高燃氣溫度的影響如圖6 所示。圖6 壓縮比對最高燃氣壓力、最高燃氣溫度的影響從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著壓縮比的升高,最高燃氣壓力明顯升高,壓縮比每升高0.5,最高燃 氣壓力升高3.5 105Pa 左右。這是因為壓縮比

9、越大,相同初始狀態(tài)的氣體被壓縮的越厲害,所以其壓縮終點的壓力越高,縮短了著火延遲期,使柴油機的燃燒特性得到了改善。從計算結(jié)果上還可以看到,隨著壓縮比增大,最高燃氣溫度下降,這是因為增大壓縮比的同時增加了發(fā)動機的膨脹比,使得最高循環(huán)壓力急劇升高,而且熱能轉(zhuǎn)化為有用功大大增加,從而最高燃氣溫度下降。 壓縮比對功率、扭矩的影響如圖7所示。圖7 壓縮比對功率、扭矩的影響由圖7可以看出,壓縮比越大,柴油機的功率和扭矩越大,這是因為壓縮比越大,燃油燃燒的環(huán)境越理想,使燃燒室里的燃料更能充分燃燒,由熱能轉(zhuǎn)化為機械能的功越多。所以功率和扭矩都得到了很大程度上的提高,從計算結(jié)果來看,壓縮比每提高0.5,扭矩和功

10、率升高2.5N m,大大提高了柴油機的動力性和經(jīng)濟性。壓縮比對有效燃油消耗、充氣效率的影響如圖8所示。圖8 壓縮比對有效燃油消耗、充氣效率的影響321第4期 鄒振宇,等:壓縮比對柴油機性能影響從計算結(jié)果可以看出,壓縮比每提高0.5,有效燃油消耗下降約1g/(kW h。這是因為隨著壓縮比增加,燃油燃燒更加充分,提高了柴油機有效熱效率,也就是說,提高了柴油機熱能轉(zhuǎn)化為機械能的效率,從而降低柴油機的燃油消耗率。發(fā)動機的充氣效率從圖8上看是隨著壓縮比增大,逐漸提高,這是因為柴油機壓縮比越大,會使廢氣排的越干凈,從而使新鮮空氣更容易進入,所以會使柴油機的充氣效率得到提升。3 結(jié) 語利用CFD軟件(GT-

11、Pow er對柴油機的工作過程進行數(shù)值模擬,可以發(fā)現(xiàn),壓縮比對柴油機的工作過程有很大的影響。壓縮比越大,發(fā)動機的最高燃氣壓力、功率、扭矩、充氣效率越高,說明大的壓縮比可以很好地改善柴油機的燃燒特性,從而提高發(fā)動機的動力特性。同時,有效燃油消耗會大幅度降低,很好地改善了柴油機的經(jīng)濟特性。但是,太大的壓縮比也決定了柴油機的機械負荷也比較大,所以對于柴油機,在保證機械負荷的前提下,盡量提高壓縮比。參考文獻:析J.柴油機設計與制造,2006(6:12-162 焦天民,周龍保.應用CF D優(yōu)化設計柴油機配氣正時J.內(nèi)燃機工程,2005(5:16-173 劉永長.內(nèi)燃機熱力過程模擬M.北京:機械工業(yè)出版社,2001:35-374 周龍保.內(nèi)燃機學M.北京:機械工業(yè)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