某增压中冷柴油机可变配气相位研究

某增压中冷柴油机可变配气相位的仿真研究何盼攀2，刘建敏1，王普凯2，董意2，韩立军2（1.装甲兵工程学院训练部,北京100072；2.装甲兵工程学院机械工程系,北京100072）摘要：运用GT-POWER软件建立了某增压中冷柴油机的工作过程计算模型，并利用该模型对柴油机进行优化，分析了在不同工况、不同配气相位下柴油机性能参数的变化规律，以功率为目标得出了在不同转速下的最佳进气晚关角，从而确定了该柴油机进气VVT的设计方案。关键词：增压中冷柴油机GT-POWER进气晚关角VVT中图分类号：TK42文献标志码：ＡTheStudyofVariableValveTimingofTheTurbochargedandIntercoolerDieselEngineHEPan-Pan2,LIUJian-min1,WANGPu-kai2,DONGYi2,HANLi-jun2(1.DepartmentofTraining,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China;2.DepartmentofMechanicalEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China)收稿日期：2016-5-9基金项目：国家“973”计划项目作者简介：何盼攀（1993-），男，硕士研究生。柴油机的动力性主要取决于缸内的充气效率，而进气门晚关角对充气效率的影响最大。适当增大进气晚关角，有利于进气充量和进气效率的提高，但过分增加进气晚关角则会引起气缸内的空气倒流，导致充气效率的下降。在柴油机设计时，通常根据最大转速或最大转矩工况确定其配气相位，但是随着柴油机转速和负荷的变化，其最佳配气相位也相应改变，固定的配气相位往往只能保证柴油机在某一范围内工作较好。因此，为了适应柴油机变工况的特点，运用可变配气相位技术提高柴油机的总体性能。本文以某增压中冷柴油机为试验对象，利用GT-Power软件建立其仿真模型，对其配气相位进行定量分析，以功率和扭矩为目标得到了在不同转速下进气门晚关角最佳值，为该柴油机可变配气相位的研究提供了有力的支撑。1.可变配气相位技术的应用可变配气相位技术（VVT）是指在不同的发动机工况下对气门正时、气门开启持续时间及气门升程等参数进行实时调节以获得更好的燃油经济性，更优异的扭矩和功率特性，提高发动机怠速的稳定性和高速的动力性，从而提高发动机的整体性能。可变配气相位技术已广泛应用于发动机上，尤其是双凸轮轴的多气门发动机上。根据其调节的方式不同，VVT机构分为进气调节、排气调节、进排气同时调节和进排气独立调节四类，其中的进气VVT机构应用最为广泛。在此基础上，本文着重研究进气门配气相位的优化，在保持进气持续角不变的情况下，分析在不同进气晚关角下柴油机的工作状态。2.柴油机模型2.1柴油机的主要参数基于对该增压中冷柴油机的试验研究，其基本参数如表1所示。表1柴油机的主要参数形式V型12缸涡轮增压中冷柴油机缸径150mm行程150mm压缩比13.5最大功率528KW最大扭矩2883N·m2.2数学模型将燃烧室作为一个热力系统，采用零维燃烧模型计算其热力过程，描述工质状态的参数有压力、温度、质量和组成成份，它们由能量守恒方程、质量守恒方程及气体状态方程联系起来，经联立求解后得到工质状态参数随曲轴转角的变化。由能量守恒定律，得到缸内温度变化微分方程为：bwea2vddddd1d(dddddddd)ddQQmmTVpHHmcmUUm(1)由质量守恒定律，得缸内质量变化微分方程为：beaddddddddmmmm(2)理想气体状态方程为：(3)pVmRT式中m为缸内气体质量；p为缸内气体压力；V为缸内气体体积；T为缸内气体温度；为过量空气系数；vc为气体定容比热；U为缸内单位质量气体对应的内能；H为缸内单位质量气体对应的焓；2H为流入气缸单位质量气体对应的焓；d/dem为流经进气门的气体质量随曲轴转角的变化率；d/dam为流经排气门的气体质量随曲轴转角的变化率；d/dbm为缸内燃油质量随曲轴转角的变化率；d/dbQ为燃料燃烧放热率；d/dwQ为气缸壁面传热率。2.3仿真模型该柴油机的工作过程模型如图1所示，柴油机工作时，新鲜空气经废气涡轮增压器和中冷器提高进气密度，并在进气门开启时流入气缸，与燃油混合燃烧后产生的废气经排气门流入排气系统。在建模过程中，对涡轮增压器、中冷器、双进排气门等结构特性进行了最大限度的保留，对高压柴油泵、空气滤清器、曲轴、曲柄连杆机构、进排气通道、冷却液管路等则进行了简化处理。图1柴油机工作过程计算模型2.4模型的验证图1为柴油机在大气压力为1.01bar、温度为25oC、油门为100%工况下条件下模型仿真结果和原机实验结果的对比图，从结果看，所建立的模型较为精确。100012001400160018002000150200250300350400450500550功率（原机）功率（仿真）扭矩（原机）扭矩（仿真）转速/(r/min)功率/KW16001800200022002400260028003000扭矩/N·m图2柴油机仿真结果与实验结果的对比3.进气晚关角的优化当柴油机转速较高时，适当增加进气门晚关角可以充分利用进气过程中形成的气流惯性，实现向气缸的过后充气，从而提高充气效率；在转速较低时，由于充气惯性增压较弱，为保证最大有效压缩比，防止空气倒流，进气晚关角应该适当减小。原机的进气晚关角为50oCA，在此基础上，本文将晚关角的调整范围设定为35oCA~70oCA，步长为5oCA，由此寻找转速为1000r/min、1200r/min、1400r/min、1600r/min、1800r/min、2000r/min时柴油机的最佳进气晚关角。由于篇幅限制，本文重点研究2000r/min（最高转速工况），1400r/min（最大扭矩工况），1000r/min（低转速工况）的充气效率、功率、扭矩、燃油消耗率的变化规律。3040506070480490500510520530功率充气效率进气晚关角/deg功率/KW8090100110120130充气效率2000r/min3040506070230023502400245025002550扭矩/N·m燃油消耗率g/KW-h进气晚关角/deg扭矩/N·m2252302352402452502552000r/min燃油消耗率g/KW-h图32000r/min时进气晚关角的优化当转速为2000r/min时，柴油机功率和充气效率随进气晚关角的变化规律如图3所示。进气晚关角在30oCA到65oCA时，充气效率随着晚关角的增大而增大，当晚关角大于65oCA时，充气效率开始下降，此时气缸内已经出现了一定程度的空气倒流；功率在整体上随着充气效率的增大而增大，但当充气效率超过一定范围时，柴油机的功率呈下降的趋势，这是因为在循环供油量基本保持不变的情况下，当缸内空气充量过大时，空气与柴油混合气的浓度反而降低，导致缸内燃烧不充分，功率下降。30405060702002503003504004501400r/min进气晚关角/(deg)功率/(KW)5060708090100110120功率充气效率充气效率30405060701200140016001800200022002400260028003000进气晚关角/deg扭矩/N·m2202242282322362401400r/min扭矩/N·m燃油消耗率g/KW-h燃油消耗率g/KW-h图41400r/min时进气晚关角的优化图4是转速为1400r/min时的示意图。在此工况下,柴油机的功率和充气效率都随进气晚关角的增大而增大，且功率和充气效率的变化规律基本相似。3040506070100120140160180200功率充气效率进气晚关角/(deg)功率/(KW)1000r/min455055606570充气效率3040506070900100011001200130014001500160017001800扭矩燃油消耗率进气晚关角/deg扭矩/N·m2282302322342362382402421000r/min燃油消耗率g/KW-h图51000r/min时进气晚关角的优化图5是转速为1000r/min时的示意图。当进气晚关角大于50oCA时，虽然功率和充气效率有一定的升高，但由于此时柴油机的转速较低，气体流速低，气流的惯性较小，当进气晚关角超过一定范围后，气体倒流现象愈加严重，导致柴油机的功率和充气效率急剧下降。不难发现，在不同转速下当功率和扭矩最大时，其燃油消耗率是最低的，可见在柴油机动力性提高的同时，由于此时的燃烧过程相对较好，其燃油经济性也得到了相应的优化。4.结论运用GT-power建立了某增压中冷柴油机的工作过程仿真模型，通过调整进气阀门模块中的参数，以动力性为目标优化了柴油机的性能。在转速为1000r/min、1200r/min、1400r/min、1600r/min、1800r/min、2000r/min的最佳进气晚关角分别为55oCA，60oCA，65oCA，65oCA，35oCA，35oCA，从而确定了该柴油机进气VVT的设计方案。优化后的结果如下图所示。由图6可知柴油机的动力性，经济性都有一定程度的提升。100012001400160018002000150200250300350400450500550转速/r·min-1功率/KW原机进气VVT100012001400160018002000221222223224225226227228229230功率/KW转速/r·min-1原机进气VVT图6进气VVT与原机的对比参考文献：[1]龙爱军．4D33增压中冷柴油机配气相位优化[J].科学技术与工程，2012,12（28），95-98[2]刘杨，李国岫．增压柴油机配气相位的优化研究[J]．北京汽车，2009，5(3)，25-28．[3]王伟，王淑晶，张耀贤．GT-POWER在配气相位优化设计上的应用[J]．农业技术与装备，2012，5(237)：34-36．[4]徐南明，彭有得，李芳．柴油机配气相位的优化设计[J]．汽车科技，2007，1（1）：35-37．[5]王普凯，毕小平，张更云．一种废气涡轮增压柴油机的动态仿真模型[J]．装甲兵工程学院学报，2007，21(6):54-57．