船用中速柴油机排气相位的优化研究

张文孝

（大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁大连116023）

船用中速柴油机排气相位的优化研究

张文孝

（大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁大连116023）

基于AVL-BOOST软件对6300型船用中速柴油机的排气相位进行了优化研究。应用建立的工作过程仿真模型，计算分析了排气正时对柴油机性能的影响，得到排气正时的最优值，为柴油机性能的进一步提高和优化设计指明了方向。

船用柴油机；AVL-BOOST；排气相位；优化

柴油机的工作循环由进气、压缩、喷油、混合、燃烧、膨胀和排气等热力过程组成，与气流运动、涡轮增压、燃油喷雾、燃烧室、热量传递、工况等物理过程及化学过程有关[1-2]，并且还直接影响到柴油机的功率大小、油耗率高低、燃烧温度高低、排放特性及可靠耐久性能。因此，国内外研究学者和生产厂家都对柴油机的工作循环过程进行了大量而卓有成效的研究。目前对柴油机工作过程研究比较多的方法是数值模拟仿真法[3-4]，它主要是通过一些软件对柴油机的各种性能指标进行模拟和仿真计算，并分析一些重要的参数对柴油机性能的影响，进而为柴油机的各种性能提高、优化整机和零部件设计方案以及产品的研发提供参考和依据。

本文采用AVL BOOST仿真软件，以6300型船用中速四冲程柴油机为实例，对其工作过程进行仿真和模拟计算分析，重点对排气正时（排气提前开启角和排气延迟关闭角）对柴油机性能的影响进行优化研究。

1 仿真模型的建立

6300型柴油机的类型为直列、排气涡轮增压、四冲程，工作行程为380 mm，标定转速为500 r/min，标定功率为550 kW，燃油消耗率为217（g/kW·h），着火顺序为1－5－3－6－2－4.

应用AVL-BOOST软件[5]建立的6300型柴油机仿真模型如图1所示。其中，SB1和SB2是系统边界，TC1为排气涡轮增压器，CO1为中冷器，PL1为进气总管，PL2和PL3为两个排气歧管，9是压气机前进气管，1是中冷器前进气管，8为中冷器后排气管，C1-C6为汽缸，2-7为汽缸进气管，10-15为汽缸排气管，MP1-MP11为定义的测量点。

图1 仿真模型

2 排气正时的优化

2.1 排气提前开启角对性能的影响

根据内燃机原理知识可知，选择和确定最佳的排气提前开启角必须综合考虑各种因素的影响，因此也存在一个最佳的数值。根据图1的仿真模型，在柴油机的其他参数不变的前提下，改变排气提前开启角的大小，计算其对柴油机的输出功率、油耗率和燃烧温度的影响。针对本文的6300型柴油机，所取的排气提前开启角是31°~47°CA.计算结果如图2所示。

图2 功率、有效油耗率和最高燃烧温度与排气提前开启角的关系曲线

由图2可知，随着排气提前开启角的增大，柴油机的输出功率增大，说明提高柴油机的动力性能需要较大的排气提前开启角；随着排气提前开启角的增大，柴油机的有效油耗率减小，说明提高柴油机的经济性能需要较大的排气提前开启角；随着排气提前开启角的增大，柴油机的最高燃烧温度减小，说明降低柴油机的NOX排放需要较大的排气提前开启角（因为最高燃烧温度是影响NOX生成的重要因素）。

2.2 排气延迟关闭角对性能的影响

根据仿真模型，保持柴油机的其他参数不变，只改变排气延迟关闭角从12~28°CA计算其对柴油机功率、有效油耗率和最高燃烧温度的影响，如图3所示。

图3 功率、有效油耗率和最高燃烧温度与排气延迟关闭角的关系曲线

由图3可知，随着排气延迟关闭角的增大，柴油机的输出功率降低，说明提高柴油机的动力性能需要较小的排气延迟关闭角；随着排气延迟关闭角的增大，柴油机的有效油耗率先降低后升高，在排气延迟关闭角为24°CA时达到最小值，最高燃烧温度先减小后增大，在排气延迟关闭角为14°CA时达到最小值。因此，排气延迟关闭角的大小对柴油机性能的影响较为复杂。

2.3 排气正时的优化

为了进一步对排气正时进行优化，根据上述排气提前开启角和排气延迟关闭角对性能影响的计算分析结果，进行了排气正时的正交试验。正交试验时选择的排气提前开启角分别为：41°CA、43°CA和45°CA；选择的排气延迟关闭角分别为：16°CA、18 °CA和24°CA.正交试验情况见表1.

表1 排气正时正交实验表

根据排气正时的正交试验情况和前述的仿真模型，计算了排气正时不同组合下的柴油机性能，计算结果如图4所示。根据图4可知，在试验序号为7时柴油机的输出功率最大、有效油耗率接近最低、最高燃烧温度接近最低，即此时柴油机的动力性能、经济性能和排放性能最佳。因此确定试验序号7的排气正时方案为该6300型柴油机的最佳排气正时，即排气提前开启角为45°CA，排气延迟关闭角为16°CA.

图4 功率、有效油耗率和最高燃烧温度与实验号的关系曲线

3 结束语

（1）本文以6300型船用中速柴油机为例，应用AVL-BOOST软件建立了仿真模型。

（2）根据仿真模型计算分析了排气正时（排气提前开启角和排气延迟关闭角）对6300型柴油机的输出功率、有效油耗率和最高燃烧温度的影响，并通过正交试验优化出了排气正时的最佳参数，为柴油机性能的进一步提高和优化设计指明了方向。

[1]刘永长．内燃机工作过程模拟计算[M]．武汉：华中理工大学出版社，1996.

[2]周松，王银燕，明平剑，等.内燃机工作过程仿真技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[3]刘勤安，段树林，邢辉，等．大型低速船用柴油机工作过程数值模拟及优化[J]．大连海事大学学报，2011，37（3）：107 -114.

[4]朱访军，吴坚.内燃机工作过程数值计算及其优化[M].北京：国防工业出版社，1997.

[5]AVL List.AVL BOOST Users Guides Version 5.1[M].Aus tria：AVLCompany，2006.

Research on Optim ization of Exhaust Phase ofMarine DieselEngine

ZHANGWen-xiao
（Mechanical and Power Engineering College of Dalian Ocean University，Dalian Liaoning 116023，China）

The exhaust phase of 6300 medium-speed marine diesel engine is optimized based on the AVL BOOST software.Itsworking process simulation model was built up and the influence of exhaust timing on diesel’s performance was calculated and analyzed.The optimum parameters of exhaust timing were obtained.The direction is pointed out for the further improvement performance and optimization design of the diesel engine.

marine diesel engine；AVL-BOOST；exhaust phase；optimization

TK413.4

A

1672-545X（2017）04-0009-03

2017-01-02

张文孝（1963-），男，吉林德惠人，工学博士，大连海洋大学教授，研究方向为“内燃机性能研究”。