柴油机高原功率恢复供油参数调节方法

朱振夏,张付军,韩恺,刘杨杨,罗国良,李云龙,柴智刚

(北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081）

柴油机高原功率恢复供油参数调节方法

朱振夏,张付军,韩恺,刘杨杨,罗国良,李云龙,柴智刚

(北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081）

针对高原环境下增压柴油机功率下降的问题,通过仿真研究,对比了3种不同的供油参数调节方案,得出了在高原环境下通过调节供油参数恢复柴油机功率的方法。建立了某V型6缸增压柴油机仿真模型,并采用试验数据对模型各系统进行了校核。在该模型基础上,研究了增压柴油机的平原性能,匹配了适应高原环境的增压器,研究了喷油提前角与功率、涡轮入口温度和缸内最高燃烧压力之间的关系。据此,提出了供油参数的调节方法和具体参数,仿真计算了3种不同的供油参数调整方案,并对结果进行了对比分析。研究结果表明,在海拔4 500 m条件下,采用提前角和供油量联合调整的方法可将发动机标定功率恢复至平原的75%.

动力机械工程;增压柴油机;高原功率恢复;喷油正时;增压匹配

0 引言

我国地域辽阔,海拔高度在3 000 m以上的高原地区占全国总面积的26%.根据地球物理学知识,在高原环境下空气的压力和密度降低,海拔4500 m处大气压力为59.3 kPa,大气密度为0.82 kg/m3,造成发动机功率的下降,高原运行车辆的行驶性能恶化,因此研究高原环境下发动机的功率恢复具有重要意义[1]。

高原环境下空气稀薄,导致发动机燃烧空气质量减少,缸内燃烧不充分,发动机功率和效率降低。增压柴油机具有一定的高原功率补偿能力,但是高海拔条件下易出现压气机喘振、涡轮入口温度过高、增压器超速等问题。若减少柴油机的供油量,则一定程度上能缓解气缸和涡轮的热负荷问题,但是将会进一步损失输出功率[2]。

为此,相关的研究人员从改善进气、燃烧多角度出发,研究柴油机高原功率恢复技术。在增压技术中,先后提出过VGT(可变几何涡轮)、可调二级增压、STC(相继增压)等可调节增压技术来满足柴油机在不同海拔的进气需求[3]。在燃烧技术中,通过燃油高压喷射和强制卷流技术,实现燃油在低空燃比下的充分燃烧[4]。根据实际的条件,选择某种技术或几种技术的组合,可以在一定程度上恢复发动机功率。

喷油提前角作为电控柴油机重要的供油参数,对柴油机缸内燃烧过程、发动机效率、缸内压力、排气温度等有重要影响[5]。本文通过仿真计算,对比了3种不同的供油参数调节方案,证明了在不对发动机结构进行改造的前提下,通过发动机电控单元(ECU)对供油参数的调整,能够实现高原环境下柴油机功率的恢复。

1 增压柴油机仿真计算模型

1.1 仿真模型的建立

在本文研究中,采用某V型6缸增压中冷发动机研究高原环境下的功率恢复策略。首先建立基于GT-SUITE软件的柴油机仿真模型,该柴油机部分输入参数如表1所示。

表1 柴油机主要参数Tab.1 Key parameters of V6 engine

为了保证该仿真模型能够准确计算在高原环境下的性能,对燃烧过程的计算采用了基于韦伯函数的半预测模型。该模型能够考虑在压缩冲程终了时刻缸内的温度、压力、空燃比和转速对燃烧的影响[6]。

柴油机燃烧可分为预混燃烧和扩散燃烧,采用两个韦伯函数分别描述这两个过程的放热率[7]。燃料的燃烧速率

式中:β为预混燃烧比例;φ为曲轴转角;dxp/dφ、dxd/dφ分别为预混燃烧速率、扩散燃烧速率。

式中:mp、md分别为预混燃烧、扩散燃烧品质系数; φp、φd分别为预混燃烧、扩散燃烧持续角度(°CA); φBp、φBd分别为预混燃烧、扩散燃烧起始角度(°CA).

式中:φi为喷油器起始角(°CA);τ为以曲轴转角计的滞燃期(°CA).

式中:vp为活塞平均速度(m/s);R为通用气体常数,为8.314 J/(mol·K);EA为燃料活化能(J/mol).

预混比例

式中:α为空燃比;τid为以时间计的滞燃期(ms).

由(1)式～(7)式可知,韦伯模型参数的取值与瞬时空燃比、压力和温度等状态参数有关,其他参数的计算公式可参见文献[8-9].

1.2 模型验证

华北柴油机厂在高原环境模拟试验台上开展了同系列8缸柴油机试验,采集了平原状态和海拔4 000 m状态下发动机的性能。将发动机外特性的功率、机械损失和空气流量等试验数据与6缸机归一化处理后,对柴油机模型的燃烧过程、进排气系统和整体性能进行了校验。

1.2.1 燃烧模型校核

首先,对燃烧模型的计算结果进行了验证。将试验中采集的中冷后压力、温度和燃油消耗量等参数作为输入条件,对比试验和仿真的燃烧过程。

在试验过程中,出于保护发动机的目的采集了最高燃烧压力值,但是缺乏对应的曲轴信号,所以只对最高燃烧压力和涡轮入口温度进行对比,结果如图1所示。两参数的计算结果可以与试验数据很好的吻合,误差小于3%.

图1 平原最高燃烧压力和涡轮入口温度的对比Fig.1 Comparison of simulation and experimental intake temperatures of turbine

对燃烧模型的环境适应能力进行了验证,如图2所示,两条曲线分别表示平原和高原状态标定点的瞬时放热率。

图2 平原和高原状态的放热率Fig.2 Heat release rates at different altitudes

从图2可以看出,高原状态柴油机放热率的最高峰值下降,燃烧滞后且持续期增长。随着海拔升高,在活塞接近上止点(TDC)时缸内工质的温度和压力下降,燃烧的物理、化学准备过程增长,预混燃烧一直持续到上止点后,与扩散燃烧过程重叠较多,两个放热率尖峰不明显,10%～90%燃料燃烧的持续期由43°CA增长至58°CA.由于后燃比例的增加,导致混合气不能充分膨胀,排气温度会有所上升。文献[6]得到了类似的结论,高海拔下柴油机放热率峰值下降,预混燃烧尖峰变得不明显,燃烧持续期增加(66～95°CA),后燃严重等。半预测韦伯燃烧模型能体现环境变化对柴油机燃烧的影响。

1.2.2 进排气系统模型校核

验证进排气系统模型,将计算的压气机出口压力、空气流量、中冷器进出口温度、中冷器压降、涡轮入口压力等参数与试验值进行比较。图3表示的是分别在平原和4 000 m海拔状态下,试验与仿真的发动机外特性空气流量的对比。

图3 空气流量的对比Fig.3 Comparison of simulation and experimental mass flow rates of air at different altitudes

文献[10]提到在海拔4 000 m以上压气机流量范围变窄、效率下降的规律,导致高原状态计算的空气流量和试验值有一定的偏离。因此在压气机匹配时,应该保证足够的喘振裕度和最高转速裕度。压气机性能的误差对计算精度有一些影响,误差在允许范围之内。

1.2.3 发动机整体性能校核

最后对发动机整体性能进行了验证,结果对比如图4所示,仿真计算的趋势正确,误差小于5%.本次仿真主要目的是研究参数的变化趋势,对比不同方案的效果,为进一步开展高原环境试验提供参考,校验结果表明模型的计算精度能满足要求。

1.3 压气机的重新匹配

从图5可以看出,原机采用的是低速匹配的涡轮增压器,在低转速区间内(1 400 r/min以下)压气机已进入高效率区。当发动机工作在1 800 r/min以上转速时,压气机达到了最高压力和最高转速限值,需采取废气放气措施才能保证涡轮增压器的可靠工作。

图4 外特性功率的对比Fig.4 Comparison of simulating and experimental full-load powers at different altitude

图5 原压气机平原外特性运行线Fig.5 Full-load operation line of the original compressor at plain

高原环境下空气稀薄,为了保障发动机的工作需要提高压气机的压比,另外,高海拔下排气背压的降低易造成涡轮超速。原压气机在平原状态已经达到了最高压比和最高转速,难以满足发动机在高原环境的功率恢复需求[10]。为此,重新选配了流量和压比范围更宽广的压气机进行高原性能的计算,见图6.

图6 新压气机平原外特性运行线Fig.6 Full-load operation line of the new compressor at plain

2 高原性能仿真计算

下文高原性能的仿真计算以4 500 m海拔的大气条件作为环境进行的,大气压力为59.3 kPa.

2.1 方案1:空燃比与平原一致

高原仿真计算方案1:通过供油量的调整,保证在发动机外特性不同转速下的空燃比和平原一致。

表2 方案1计算结果Tab.2 Calculated results of Scheme 1

从表2可知,方案1相对比较保守,功率恢复能力较差。该方案采用的供油量参数可保证当量比不会超过冒烟极限,涡轮入口处的温度低,缸内热负荷低,且不易出现增压器超速的情况。

经过和平原的计算结果(见图1)对比发现,方案1的涡轮入口温度比平原降低。涡轮入口温度主要和空燃比和中冷后温度有关,方案1的空燃比与平原相当,而高原状态下气温更低。所以,方案1涡轮入口温度较低,距最高温度限值还有余量,可以增加供油量,恢复柴油机功率。

2.2 方案2:增加供油量

高原仿真计算方案2:在方案1的基础上增加发动机的供油量,并保证涡轮入口温度不高于750℃.

从表3可知,供油量的增加使得涡轮入口温度提高,发动机功率恢复能力有所增强。另外,虽然方案2的最高燃烧压力比方案1略高,但总体来说高原环境下发动机缸内压力下降,最高燃烧压力随之降低。

表3 方案2计算结果Tab.3 Calculated results of Scheme 2

2.3 方案3:提前角与供油量联合调整

以海拔4 500 m环境下2 100 r/min的外特性工况为例,研究喷油提前角同涡轮入口温度、最高燃烧压力、发动机功率之间的影响关系。

图7 喷油提前角与涡轮入口温度、功率、最高燃烧压力Fig.7 The influence of inject timing on power,turbine intake temperature and maximum combustion pressure

从图7可知,随着喷油提前角加大,最高燃烧压力提高,涡轮入口温度下降,发动机功率先提高后下降。

在调整范围内,提前角增大后的直接效果是整个燃烧过程的前移,涡轮入口温度降低,放热率峰值更加靠近上止点,最高压力上升,循环热效率提高。但是,过大的提前角会使活塞上行时产生更多的压缩负功,所以发动机功率先升高后降低[11-12]。

从表2、表3中方案1和方案2的计算结果可知,缸内最高燃烧压力距离许可压力限值(17 MPa)还有充足的余量,可以适当增加喷油提前角,功率提高的同时还降低了涡轮入口温度。在此基础上可以继续增加供油量,提高发动机功率。

基于以上的分析,提出了高原仿真计算方案3:在方案2的基础上,通过调整供油量和提前角,保证涡轮入口温度和燃烧压力不超过限值,尽量恢复发动机的功率。考虑到喷油提前角的调整受到供油系统参数的限制(高压油泵特性等),在方案3中,喷油提前角由原机的上止点前8°CA提前到20°CA,计算结果如表4.

从表4可知,适当的提前供油提前角后,在涡轮入口温度接近750℃的前提下,循环供油量可以有所增加,最高燃烧压力提高至15MPa水平,发动机的功率恢复能力得到了进一步的提升。

表4 方案3计算结果Tab.4 Calculated results of Scheme 3

3 不同方案的结果对比分析

表5中列出了3种方案在仿真计算时采用调整方法,图8和图9为3种方案计算结果的对比。

表5 3种高原调节方案Tab.5 Adjustment methods of the three schemes

图8 3种方案的功率和最高燃烧压力Fig.8 Powers and pmaxof the three schemes

图9 3种方案的涡轮入口温度和增压器转速Fig.9 Intake temperatures of the turbines and the rotation speeds of the turbochargers in the three schemes

由图8可知,外特性功率曲线和最高燃烧压力曲线由高到低依次是方案3、方案2和方案1.方案3的标定功率达到248 kW,为平原标定功率的75%,方案2和方案1的标定功率分别为225 kW和214 kW,为平原的68%和65%.方案3的不同转速下的最高燃烧压力在13.5～15 MPa之间,而方案1和方案2在8.5～11 MPa之间,方案2略高。

由图9可知,方案1的涡轮入口温度较低,不高于730℃,方案2和方案3的涡轮入口温度控制在750°左右。方案2和方案3的增压器转速相当,在75～95 kr/min的区间范围内,方案1的增压器转速稍低一些。3种方案的增压器都没有达到最高转速限值120 kr/min.

从表2～表4和图8～图9中的对比中可以推断,与方案1相比,方案2利用了高原环境下进气温度下降的特点,通过供油量的增加,提高了柴油机的功率。与方案2相比,方案3利用了高原环境缸内压力降低的特点,通过喷油提前角和供油量的联合调整,更大程度实现了发动机功率的恢复。增加喷油提前角的主要贡献在于降低了涡轮入口温度,允许增加供油量,使得柴油机功率得到了进一步提高。另外,从表2～表4可知,方案3的供油量增加而进气量基本不变,因此空燃比较低,燃油消耗率偏高。

4 结论

本文通过开展增压柴油机高原状态下3种不同供油调整方案的仿真计算与分析,发现喷油提前角加大后,涡轮入口温度下降,最高燃烧压力提高,功率先升高后降低。因此,为恢复高原环境下增压柴油机的功率,可采用喷油提前角和供油量联合调整的方法。仿真结果表明,该方法在海拔4 500 m的条件下,可将发动机标定功率恢复至平原的75%,较其他2种方法更为有效。

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Adaption of Fuel Injection Parameters for Turbocharged Diesel Engines Working at High Altitude

ZHU Zhen-xia,ZHANG Fu-jun,HAN Kai,LIU Yang-yang,LUO Guo-liang,LI Yun-long,CHAI Zhi-gang
(School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

In order to enhance the performance of turbocharged diesel engine at a high altitude,three different schemes are compared by virtue of simulation.The effectiveness of the method to enhance the power of engine at a high altitude is verified by adjusting the fuel supply parameters without modifying the engine structures or adding any accessories.A model for a V6 turbocharged engine equipped with a new compressor is established for the highland simulation.And then the model is certified by experimental data.The influence of fuel injection advance angle on the power,the turbine intake temperature and the maximum combustion pressure is investigated.Based on the research results,the detailed methods to adjust the fuel supply parameters are put forward.Three different simulating schemes are calculated and compared through simulation.The result shows that the rated power of engine at the altitude of 4 500 m can reach up to 75%of its counterpart by using this method to adjust the injecting timing and fuel injection.

power machinery engineering;turbocharged diesel engine;power recovery at plateau;fuel injection timing;turbocharger matching

TK421.8

:A

1000-1093(2014)05-0583-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.05.002

2013-08-21

朱振夏(1987—),男,博士研究生。E-mail:zhuzhenxia@163.com;

张付军(1966—),男,教授,博士生导师。E-mail:zfj123@bit.edu.cn