基于AVL BOOST的柴油机建模与性能仿真*

尹爱勇 潘金元 李俊阳 俞昌锁

(1 铜陵职业技术学院 机电工程系,安徽 铜陵 244000;2 奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程技术研发总院,安徽 芜湖 241006)

鉴于全球环境危机和化石资源短缺,新型、清洁、可再生能源的应用在全球范围内迅速开展。生物柴油以其低排放、可再生、可生物降解等诸多优点而被众多企业与高校用于发动机新能源化的研究中。利用仿真对柴油机燃烧控制[1]、污染物排放[2]、低温燃烧性能[3]和排放性能优化[4]等进行的研究显著提升了发动机的综合性能。黄昭明等[5]通过仿真对比了燃用纯柴油和生物柴油发动机的燃烧和排放性能,结果表明燃用生物柴油时动力相当,而soot和NOx排放得到了显著降低。陈昊天等[6]开发了柴油机多功能仿真软件可以实现发动机稳态下的多种计算模型的仿真计算,通过一款中型柴油机的仿真计算与试验数据比对验证了软件的计算精度和实时率。相关学者对生物柴油发动机的性能参数研究发现,通过改变喷油参数对发动机的经济性和排放性进行优化,可以有效降低燃油消耗率[7-8]。利用生物柴油较高的十六烷值和高氧含量有助于提高发动机的热效率,进而改善发动机的动力性[9-10]。向以生物柴油为主掺混不同体积的乙醇,发动机的燃油经济性得到改善,soot排放得到显著降低[11]。

一维仿真技术能够很好地模拟发动机的运行状态,缩短项目开发时间和减小项目开发费用,而被广泛应用于发动机前期开发的各个阶段。然而,一维仿真的精度受制于测试数据的精度,发动机试验过程中很多测试数据又难以获取,长期以来一维仿真精度高低取决于研发部门的数据积累和研究人员的仿真经验[12-15]。因此,本研究通过搭建柴油机AVL BOOST一维模型,进行柴油机动力性与经济性指标的仿真分析,并通过对应的台架试验验证其仿真精度,并进一步评估所建立的一维模型的可靠性,旨在通过应用较高精度的一维模型为发动机前期开发提供性能仿真技术支持。

1 柴油机建模仿真和试验方法

1.1 柴油机建模

作为发动机前期开发阶段的一款热力学仿真软件,AVL BOOST集成的模拟程序能够搭建整台发动机的一维模型。仿真过程中采用VIBE燃烧放热规律模型来模拟柴油机的燃烧过程。采用基于WOSCHNI关系式的三维缸内传热模型来模拟缸内瞬时传热和对流情况。结合能量守恒方程、连续性方程和动量方程对流场流动进行模拟分析。

根据发动机的基本结构参数,搭建柴油机AVL BOOST一维仿真模型,如图1所示。图中,SB1、SB2为两个系统边界,TC1为废气涡轮增压器,CO1为空气冷却器,PL1为排气集管,PL2为扫气箱,C1～C4为四个气缸,1～16为气体管路,MP1～MP15为测量点。模型的参数输入思路:首先将柴油机气缸压力曲线导入增压燃烧模块,通过计算得到燃烧起始角、燃烧持续时间和燃烧性能指标三个特性参数,然后,对进气歧管室模型和进气管模型的精度进行对比分析,最后,通过选择进气管模型计算分析进气管对柴油机性能的影响。

图1 柴油机AVL BOOST一维仿真模型

1.2 仿真计算模型

AVL BOOST软件内置有多个燃烧放热模型,可通过计算每次循环的总放热量来计算每度曲轴转角所释放的热量[16]。本文采用单韦伯模型。一般使用韦伯函数计算柴油机的放热情况,结果与真实数据相差不大。

(1)

式中:x为燃烧开始消耗到某一时刻的燃油质量分数;α为曲轴转角,(°);α0为气缸内燃油混合物开始燃烧时曲轴所处的角度,(°);Δαc为气缸内燃油燃烧时间,(°);m为气缸内燃烧的质量;a为完全燃烧的韦伯参数,恒定为6.9。

AVL BOOST软件提供有多个传热模型,用于计算传热系数,包括Woschni 1978模型、Lorenz模型及AVL 2000模型等。对于高温循环的计算,通常选用Woschni 1978模型,计算公式如式(2)[8-9]:

(2)

式中:aw为传热系数;aWoschni为模型的传热系数;d为筒径,m;p为压力,Pa;T为绝对温度,K;z为常数,z=14;din为扫气口外连管的直径,m;vin为扫气口气流的速度,m/s。

1.3 柴油机试验方法

试验台架采用一台带直列、水冷、四冲程、电控直喷、高压共轨、带废气涡轮增压的进气中冷四缸柴油机。台架用柴油机的主要性能参数如表1所示。

表1 台架用柴油机的主要性能参数

发动机台架试验采用燃料的原材料为0#柴油和油脂原料合成的生物柴油,柴油和生物柴油的主要理化性质见表2。台架试验开始前,先检查发动机各安装螺栓、联轴节及安装防护罩等是否正常,并检查冷却水量是否符合要求。再起动发动机,先燃用柴油对发动机进行升温,直到发动机冷却水温度达到60℃时,再将柴油切换为生物柴油,对生物柴油发动机的性能进行研究。

表2 柴油和生物柴油的主要理化性质

试验用柴油机系统架构示意图及其实验现场,如图2所示。试验台架所用测功机为洛阳凯迈CW260电涡流测功机,为保证油耗数据精确性,发动机的燃料消耗量采用AVL 735 S测量发动机燃油消耗量,配有753C油温控制装置,有效避免燃油温度波动对燃烧过程的影响。缸压曲线通过火花塞式缸压传感器(Kistler 6 115 B)测得,缸压曲线采集及燃烧数据计算使用AVL Indicom燃烧分析仪,转角信号由AVL 365C角标器输出,利用AVL Indicom系统对燃烧过程示功图进行数据记录和保存。为实时监控发动机排放特性,使用HORIBA MEXA-ONE-RS-EGR气体分析仪对发动机废气排放量进行采集和分析。其中,CO/CO2采用不分光红外(NDIR)检测方法,利用不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性,利用气体浓度与吸收强度关系来鉴别气体组分并确定浓度。而NOx测量则采用化学发光法(CLD),根据化学发光强度或发光总量来确定物质组分含量。此外,利用氢火焰离子化检测器(FID)检测THC总浓度。

发动机开发过程中,容积效率是指发动机在进气冲程缸内吸入混合气气体体积与气缸容积之比,从数值上表达了发动机的吸气能力。容积效率对发动机动力性能具有决定性影响,通常容积效率越高,动力性能越好。因此,本文采用SENSYCON Sensy空气流量计对进气流量进行测量,用于试验过程容积效率的计算。

(a)系统架构示意图

(b)实验现场图

2 仿真结果与分析

2.1 仿真模型的准确性检验

发动机动力性指标包括功率P、扭矩T、容积效率ηV、排气压力po和进气歧管压力pi等,经济性指标主要为燃油消耗率BSFC。本研究以柴油机额定转速为参考,选定1 000～3 220 r/min作为柴油机的试验转速,发动机负荷选取外特性工况。通过分析选定试验转速对柴油机的动力性和经济性的影响,来评估各指标的变化规律;再通过仿真值与试验值的比对,来验证本文所建立的柴油机一维仿真模型的精度。柴油机转速n对其动力性和经济性指标的影响,如图3所示。

图3 柴油机转速对其关键参数的影响

图3(a)为柴油机转速对容积效率的影响,从图中可以看出,在外特性负荷工况下,随转速升高,单位时间内进气量增大,容积效率曲线呈现出先上升后下降的变化趋势,当进气量超过一定值后,容积效率逐渐下降。主要原因在于当发动机转速由1 000 r/min提升至1 600 r/min过程中,由于增压器逐渐介入,增压能力提升,且增压器系统效率逐渐升高,有利于容积效率的提升。但进一步提高转速,进气量增加后,气门处气体流速升高,局部节流阻力损失增大,限制了容积效率的提升。相比于1 600 r/min时,发动机在3 220 r/min时容积效率降低约8%。同时,在本文所选试验转速工况范围内,由于容积效率逐步提升,发动机功率逐渐增大,当柴油机的转速达3 220 r/min,其功率达到了90 kW,这也与试验用柴油机的额定功率(额定转速)相当,如图3(b)所示。由于涡轮增压器在整个试验所选工况范围内做功能力逐步提升,随转速升高,进气流量增大,排气流量相应增加,导致排气涡轮前压力逐渐单调升高。进气歧管压力由于涡轮增压器增压能力提升而逐渐升高,但当转速提升至2 500 r/min后进气歧管压力升高趋势减缓,主要问题在于受压气机叶轮工作效率限制,进气压力无法持续升高,但由于喷油量的增加,排气动能升高,以上原因导致了排气压力与进气歧管压力变化趋势的差异,如图3(c)、(d)所示。

图3(e)为不同转速条件下发动机扭矩水平对比。从图中可以看出随转速升高,发动机扭矩曲线呈先升高后降低的趋势,且在1 600～2 500 r/min转速范围内,发动机扭矩达到最大,且呈平台型状态。这是由于,通常随发动机转速增大,进气量增加,涡轮转速升高,进气压力相应升高,但为了保证发动机机械结构安全性,需要采用废气旁通的形式降低涡轮转速,使得发动机扭矩被限制在一定范围。从图3(f)可以看出,有效燃油消耗率变化趋势与容积效率变化趋势存在一定对应关系,发动机有效燃油消耗率随转速升高逐渐降低,并在中等转速条件下达到最小值,此后随转速升高,有效燃油消耗率快速升高。这是由于,中等转速以下工况,随转速升高,增压压力提升,容积效率略有升高,且增压器对排气功的回收能力逐渐改善。但当转速升高到一定水平,继续提高转速,一方面进气流量及压力增大,气门处节流损失增加。另一方面,转速升高,活塞、凸轮轴等运动件摩擦损失升高。以上因素导致中等以上转速条件下,随转速升高,有效燃油消耗率显著增加。

为进一步评估研究中所建立模型的准确性,图4对比分析了模型仿真结果与试验结果差值。从图中可以看出,模型输出的容积效率ηV、功率P、排气压力po、进气歧管压力pi、扭矩T和燃油消耗率BSFC与试验台架试验值相符,误差基本保持在5%范围内。通过上述规律性与精度分析,反馈了本文所搭建的柴油机AVL BOOST一维模型具有较好的可信度,满足生物柴油经济性的仿真分析的需要。采样点仿真值与实验值的相对误差△统计,如图4所示。产生相对误差的原因主要是一维仿真过程中,发动机换热系数、燃烧模型的参数等都是根据大量的数据经验所得,一维模拟的管路结构、尺寸、位置是参考实际情况设置,但会与真实情况存在一定的误差,同时试验测试在采集数据和数据预处理过程中也存在一定误差,以上原因会引起仿真值与试验值存在偏差的情况。

图4 采样点仿真值与实验值的相对误差统计

2.2 生物柴油经济性分析

对柴油机的经济性而言,可以从燃油消耗率BSFC和BSEC两个指标的比较来判断。在此,基于标定模型计算了生物柴油的经济性,发动机在相同功率下运行时,柴油和生物柴油的经济性指标分别用BSFC和BSEC表示,其中BSEC可通过下式进行转换。

(3)

式中,BSEC为计算有效燃油消耗率,g/(kW·h);BSFC为试验有效燃油消耗率,g/(kW·h);ρB为生物柴油的密度,g/cm3;油的HVB为生物柴体积低热值,MJ/cm3,HVB取38.8;HMD为柴油的重量分析低热值,MJ/g,HMD取42.845。

基于标定仿真模型对燃用柴油和生物柴油进行仿真分析,得到试验转速范围内燃用柴油和生物柴油BSFC的仿真值,然后利用上式计算出生物柴油的BSEC。发动机转速对燃用柴油和生物柴油的BSFC和BSEC的影响,如图5所示。

图5 发动机转速对燃用柴油和生物柴油的BSFC和BSEC的影响

由图5可知,生物柴油的仿真值BSFC高于柴油仿真值,这是由于生物柴油的热值较低;而生物柴油的计算值BSEC低于柴油,这归因于生物柴油的高热效率。生物柴油分子中含有氧元素,由于其自供氧特性,单位质量燃料所含有的热量值低于传统柴油燃料,因此,从能量平衡的角度来讲,发动机燃用生物柴油时的有效燃油消耗率高于燃用纯柴油燃料情况。此外,由于试验用柴油与生物柴油十六烷值较为相近,喷雾高温条件下自燃倾向差异较小,在喷射策略不变的情况下,不同转速工况下燃用柴油和生物柴油时有效燃油消耗率差值基本相当,主要取决于两种燃料单位质量的低热值的差异。

3 结论

本研究搭建了柴油机AVL BOOST一维模型,应用VIBE燃烧放热规律模型、WOSCHNI三维缸内传热模型以及流体力学的三大方程仿真,分析了柴油机转速对动力性和经济性的影响。通过仿真结合试验验证了柴油机AVL BOOST一维模型准确性,并分析了柴油机转速对动力性和经济性的影响机理。进一步应用该模型预测了燃用柴油和生物柴油发动机的BSFC,分析了发动机转速对燃用柴油和生物柴油的BSFC和BSEC的影响,计算了生物柴油的BSEC。主要结论如下:

1)研究中基于仿真模型结果与试验结果进行对比分析,模型输出的容积效率ηV、功率P、排气压力po、进气歧管压力pi、扭矩T和燃油消耗率BSFC与试验台架试验值相符,误差基本保持在5%范围内,表明本文所建立的一维模型具有较好的可信度,能够满足生物柴油经济性的仿真分析需要。

2)基于研究中所建立的一维仿真分析模型,分析了柴油机转速对动力性和经济性的影响机理。在外特性负荷工况下,随转速升高,单位时间内进气量增大,容积效率曲线呈现出先上升后下降的变化趋势,当进气量超过一定值后,容积效率逐渐下降。相比于1 600 r/min时,发动机在3 220 r/min时容积效率降低约8%。

3)在本文所选试验转速工况范围内,由于容积效率逐步提升,发动机功率逐渐增大,当柴油机的转速达3 220 r/min,其功率达到了90 kW,这也与试验用柴油机的额定功率相当。

4)由于涡轮增压器在整个试验所选工况范围内做功能力逐步提升,随转速升高,进气流量增大,排气流量相应增加,导致排气涡前压力逐渐单调升高。但由于压气机与涡轮机工作特性的不同,排气压力与进气歧管压力变化趋势存在差异。

5)试验所选工况条件下,随转速升高,发动机扭矩曲线呈先升高后降低的趋势,且在1 600～2 500 r/min转速范围内,发动机扭矩达到最大,且呈平台型状态。同时,发动机有效燃油消耗率随转速升高逐渐降低,并在中等转速条件下达到最小值,此后随转速升高,有效燃油消耗率快速升高。