基于GT-Power 的柴油机机械增压器匹配分析★

唐锐红， 袁文华

（邵阳学院， 湖南 邵阳 422004）

引言

柴油机有着较好的经济性，且功率和转速范围宽、动力输出强劲[1]，因此在各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型发电站乃至大型远洋船舶上都有着广泛应用[2]。随着增压器在柴油机上的广泛应用，人们发现增压器对于柴油机性能的提升有重要的作用，因此针对增压器进行匹配分析，对于提升柴油机性能有着非常关键的意义和作用[3]。本文利用GT-Power 软件，针对机械增压器和某型单缸柴油机的匹配进行了计算分析，研究加装机械增压器对柴油机性能的影响。

1 研究对象及分析方法

本文的研究对象为某型单缸柴油机，具体型式为单缸风冷四冲程柴油机，本文所研究单缸柴油机的基本参数如表1 所示。

表1 单缸柴油机基本参数

在利用GT-Power 软件进行数值计算时，以热力学第一定律、质量守恒方程和理想气体状态方程为基本方程，建模时采用容积法模型对工质流动过程进行模拟。在上述基本方程的基础上，结合燃烧放热模型和传热模型对缸内的燃料燃烧放热过程以及工质与外界的传热过程进行模拟计算[4]，目前对燃烧的一维模拟一般采用半经验公式，韦伯函数是比较常用的燃烧放热模型。韦伯燃烧模型[5]如下：

2 单缸柴油机和机械增压器建模

根据柴油机的实际参数首先建立单缸柴油机的一维仿真计算模型，单缸柴油机GT-Power 仿真模型包括进排气环境、进排气管、进排气道、气缸、喷油器和曲轴箱等模块。在GT-Power 中，机械增压器即为涡轮增压器的压气机部分，工作原理和参数设置与涡轮增压器相同，但是压气机模块不和涡轮相连接，而是需要通过传动轴及齿轮和曲轴箱相连接。在单缸柴油机模型的基础上可以建立机械增压单缸柴油机模型，需要增加的模块包括机械增压器（压气机模块）、传动轴和传动齿轮，最终建立的机械增压单缸柴油机模型如图1 所示。

3 机械增压器匹配分析

本文针对柴油机的关键性能参数进行机械增压器的匹配性分析，通过对比有增压器和无增压器时的柴油机关键性能参数，研究机械增压器对柴油机性能的影响。下页图2 所示为进气管的气体压力对比结果。从图中可以看出，经过机械增压器增压后的气体压力有所增加，在低转速时增压压力较低，转速越高，增压后的气体压力越大。下页图3 所示为进气阀的进气流量对比结果，分析对比结果可知，在增加机械增压器后，进气量显著增加，尤其改善了柴油机高转速工作时的充气状况。

通过仿真得到柴油机的缸内最高爆压对比结果如下页图4 所示，结合前文分析结果，机械增压器使得气缸的进气量增加，从而有利于燃料的燃烧，因此气缸内的燃烧爆发压力更高，缸内最高爆压大于无增压柴油机。尤其柴油机在高转速下运行时，气缸充气效率较低，燃烧状况不良，所以增压器对燃烧的改善效果更加显著，导致缸内爆压较高。

通过仿真得到柴油机功率对比结果如图5 所示。从图中可以看出，无论有无增压器，柴油机的输出功率都随着转速的升高而增大，但是增压柴油机输出功率随转速升高的增长率大于无增压柴油机。两者在低转速时相差不大，但是在较高转速下增压柴油机的输出功率明显高于无增压柴油机。在额定转速2 500 r/min 下，增压柴油机的输出功率为6.35 kW，无增压柴油机的输出功率为5.37 kW，加机械增压器后柴油机额定转速下的输出功率提高了18.2%。

有增压器和无增压器的柴油机效率及油耗率对比结果如图6 和图7 所示。从效率及油耗率对比结果可以看出，随着转速的升高，增压柴油机和无增压柴油机的效率都呈现先升高后降低的变化规律，油耗率则是先降低后升高。此外，由图可知在装备机械增压器后，柴油机大部分工况下的油耗率可以保持在250 g/（kW·h）以下，具有良好的经济性，只有在低转速时油耗较高，经济性不好。

4 结论

1）本文在建立了单缸柴油机和机械增压器仿真模型的基础上，进行了机械增压柴油机的匹配性仿真分析，通过比较增压柴油机和无增压柴油机的关键性能参数，研究机械增压器对柴油机性能的影响。

2）在额定转速2 500 r/min 下，增压柴油机的输出功率为6.35 kW，无增压柴油机的输出功率为5.37 kW，加机械增压器后柴油机额定转速下的输出功率提高了18.2%。

3）在加装机械增压器后，柴油机大部分工况下的油耗率可以保持在250 g/（kW·h）以下，具有良好的经济性，只有在低转速时油耗较高，经济性较差。