关于某V型柴油机性能计算分析研究

陈　刚，程志军，杨　亮，谢德锦

（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林537005）



关于某V型柴油机性能计算分析研究

陈刚，程志军，杨亮，谢德锦

（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林537005）

摘要：针对某款新开发的V型柴油发动机，为确保设计之初就对性能进行模拟计算分析，利用AVL Boost一维性能软件对该机型进行模拟计算，通过建立计算模型对进气系统、增压器和气门升程规律进行模拟和预测，得出初步性能结论，为后续试验开发提供了宝贵的数据并指导性能优化方向。

关键词：V型机；模拟；计算模型；性能预测

公司在某直列6缸柴油机的基础上，研制开发一种新型V型12缸船电用（兼顾车用）柴油机，但缸径和行程不变，V型角度为90°，大部分零部件通用。本文主要介绍了该V型柴油机在设计和性能工作过程计算所进行的一些主要工作，详细描述了柴油机的热力过程计算模型建立过程，以及在计算模型上开展的一系列柴油机性能参数计算和优化工作。

1　研究概述

众所周知，影响柴油机性能的结构参数有很多，比如压缩比、点火提前角、进排气管路结构尺寸、增压器选取等，这些参数的选取直接影响柴油机性能的性能好坏。为了在概念设计阶段初步确定这些结构参数，在该柴油机的开发过程中采用了大量的工作过程模拟计算，工作过程计算结果是否有工程使用意义，关键是计算模型的计算精度是否满足工程的使用要求。由此可见，正确建立工作过程计算模型是至关重要的。

本文计算选取该V型柴油机船用特性的标定点与车用特性的最大扭矩点做计算分析。计算过程中，以功率、油耗等设计目的指标、以及概念设计阶段已经确定的结构参数等为基准边界条件，其它未知结构参数参照借用直列柴油机现由于指标。通过初步计算、分析，基本确定了涡轮增压器的匹配参数和进排气系统的几何参数等；给出了整机热量分配；分解各系统设计指标，为各系统的设计提供初始边界条件。

如图1是所研究的柴油机3D布置图，柴油机的主要技术参数如表1所列。

图1　3D布置图

表1　柴油机主要技术参数

2　总体性能目标及限制条件

2.1总体性能目标

标定功率：980 kW；

标定点效燃油消耗率：229 g/kW·h；

全负荷最低燃油消耗率：208 g/kW·h.

2.2限制条件

最高燃烧压力：≤18 MPa；

排气温度：≤720℃.

3　计算分析工作详细说明

3.1计算模型

3.1.1发动机的摩擦损失

机械摩擦损失（FMEP）是平均指示压力（IMEP）和平均有效压力（BMEP）之差：FMEP＝IMEP－BMEP.

由于IMEP考虑了缸套散热损失和泵气损失，所以二者之差就全部为机械摩擦损失FMEP，包括：所有轴承的摩擦损失；活塞、活塞环和气缸套之间的摩擦损失；配气机构的摩擦损失；所有辅件要求的功耗，如水泵、机油泵和喷油泵等。

本次计算分析中采用的FMEP值是参考改机型直列系列柴油机的FMEP值估算，如图2所示。

图2　整机机械摩擦损失

3.1.2气道的流量系数

因为本报告使用AVL Boost性能预测软件，需要输入气道流量系数曲线。玉柴提供的原机气道性能参数是按Ricardo方法评价的，如图3所示。

图3　气道流量系数（上面为排气道）

3.1.3气门升程曲线

发动机气门升程曲线和配气相位参考成熟直列发动机凸轮轴型线，具体如图4、表2所示。

表2　配气相位

图4　气门升程曲线（左侧是排气门）

3.1.4燃烧模型

在内燃机的燃烧模拟过程中，燃烧放热率计算是一个非常关键的指标。内燃机的燃烧模拟过程，大体经历了燃烧放热率计算、零维燃烧模型、准维燃烧模型和多维燃烧模型四个发展阶段，所谓燃烧放热率计算，是指由实测的缸内压力数据（示功图），根据能量守恒方程和经验传热公式，推算燃油燃烧的放热过程，用以分析内燃机的燃烧。这种方法比较直观、简便，对诊断燃烧有一定的作用，迄今在性能研究中仍受到重视[1-6]。

本次模拟计算的燃烧过程采用韦博模型。该柴油机采用直列泵和螺旋气道，计算所用燃烧模型的标定参考直列系列柴油机试验数据进行。

3.1.5计算模型

发动机的计算模型如图5所示。左右两侧气流由大气环境SB1、SB2，分别经管路44、46，空滤器和管路进气压气机进行压缩，经管路流入左右两侧中冷器然后进入气缸，左右两边排气经过涡轮排出。

图5　整机性能计算模型

3.2分析过程

根据项目开发要求：该V型柴油机为船电用柴油机，但兼顾车用特性（扭矩储备系数1.245）。故本次计算选取船用特性的标定点与车用特性的最大扭矩点做计算分析。

3.2.1增压匹配

增压器的选择只针对船用特性需求进行，根据该V型柴油机的标定功率、标定转速和目标油耗率的需求，考虑当前燃烧技术水平（由于玉柴该V型柴油机的期望目标功率1 000 kW柴油机的燃烧水平来考虑），通过需求空气流量、发动机排量来初定增压器的需求压比与流量。过量空气系数选为2.0，充气效率选为0.95，中冷后温度定为70℃.

因此，标定点的增压压比定为3.2，空气流量为1.8 kg/s（单个增压器流量为0.9 kg/s）.

3.2.2排气管系结构优化

本计算分析主要针对进排气系统，对排气管系的结构参数（主管直径、歧管直径）进行了优化。考虑该V型机型需兼顾车用特性的要求，排气管系选为脉冲排气系统。

（1）在其它条件不变的情况下，排气主管直径对总体性能的影响趋势如下图6所示。

图6　排气总管直径对总体性能的影响

从上图可以看出主管直径58 mm~65 mm区间，功率升高趋势变缓、油耗率减小趋势变缓、排温也在允许范围内，因此，通过计算分析，确定排气总管直径的初选范围为58 mm~65 mm，推荐值为60 mm.

（2）在其它条件不变的情况下，排气歧管直径对总体性能的影响趋势如下图7所示。

从上图可以看出歧管直径50 mm～55 mm区间，功率降低趋势缓慢、油耗率升高趋势缓慢、排温也在允许范围内，因此，通过计算分析，确定排气歧管直径的初选范围为50 mm～55 mm，推荐值为55 mm.

（3）根据经验，排气主管与歧管的长度将根据整机的结构布置需要确定，在此不做优化。

（4）排气歧管与主管之间圆滑过渡，推荐夹角30°.

3.2.3压缩比优化

压缩比的优化确定主要考虑最高燃烧压力的限制与热转化效率，在结构强度允许的范围内，最大限度地提高热转化效率。为此，需要结合增压系统进行增压压比、压缩比、最高燃烧压力限制三者之间的协调匹配。

根据玉柴的经验、玉柴对最高燃烧压力的限制、相似机型的参数，压缩比初定为15~16，推荐值为15.

3.3预测结果

通过计算模型建立和详细分析过程，初步预测了发动机性能，如表3所示。

表3　预测结果

4　结论

该V型柴油机燃烧系统：供油压力100 MPa、进气涡流比2、压缩比15、浅ω燃烧室。该V型柴油机排气系统：脉冲排气系统。该V型柴油机进气系统：增压压比3.2、中冷后温度70℃；配气相位还可以进一步优化。在以上条件下该V型柴油机性能指标可以达到，具体如下。

（1）涡轮增压器匹配，压比在3.2（标定点），单增压器流量在0.9（标定点）kg/s.

（2）进排气系统几何参数（如表4）。

表4　进排气系统几何参数

（3）压缩比在15～16（推荐值为15）。

（4）整机热量分配（如表5）。

表5　整机热量分配表

5　结束语

本文详细介绍了发动机工作过程计算在柴油机设计过程中的应用。采用AVL-BOOST建立发动机的整机工作过程计算模型，并完成求解和计算结果处理。从计算过程来看，采用一维热力学计算对柴油机的性能参数进行计算研究可以方便的完成对柴油机的压缩比、喷油提前角、进排气管结构参数等影响发动机性能的参数进行计算分析。经试验验证，计算结果具有较高的可靠性和实用性。由此可见，工作过程模拟计算分析为内燃机的研究提供了一种全新的方法和工具，也为内燃机的设计提供了指导意义更强的计算依据。

参考文献：

[1]刘永长.内燃机热力过程模拟[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]刘铮，张杨军.内燃机一维非定长流动[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]林杰伦.内燃机工作过程数值计算[M].西安：西安交通大学出版社，1986.

[4]周俊杰，邱东.柴油机工作过程数值计算[M].大连：大连理工大学出版社，1990.

[5]朱访军，吴坚.数值计算及其优化[M].北京：国防工业出版社，1997.

[6]田翀.YC6T柴油机工作过程数值模拟与优化[D].上海：上海交通大学，2009.

中图分类号：TK421

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）04-0051-04

收稿日期：2016-01-05

作者简介：陈 刚（1980-），男，湖北荆州人，硕士，工程师，研究方向：内燃机整机设计开发。

Simulation Calculation and Analysis Research for YC V Engine Performance

CHEN Gang，CHENG Zhi-jun，YANG Liang，XIE De-jing
（Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd，Yulin Guangxi 537005，China）

Abstract:For a new development v diesel engine，to ensure performance for simulation calculation and analysis research at the beginning of design，by way of AVL Boost software，we established calculation model for intake system，and turbocharger and valve lift curve，obtained preliminary performance conclusion，it provides much more valuable data and performance optimization direction for follow-up test development

Key words：vengine；simulation；calculation model；performance forecast