排气系统与环境对柴油机性能影响的模拟研究工作环境对柴油机性能有重要影响。很寡用于特殊用途的柴油机需要工作在 排气背压较高的环境中工作，当涡轮增压柴油机的排气环境压力提高后，会导致 进气虽不足、泵气功增加等一系列影响柴油机功率和热负荷的问题。对涡轮增压 系统也有较髙的耍求。本章根据第二章中的某涡轮增压柴汕机的基本参数建立了 稳态瞬态工作模空，研究了排气环境对柴油机性能的影响：高背压的工作环境中. 柴油机的增压系统、压缩比、进排气正时、增压系统形式以及后排气系统参数对 柴油机性能的影响。4.1柴油机及后排气系统计算模型及验证4.1.1建模基本原理柴油机的工作过程能非常复杂的，整个过程涉及到燃料的喷射和蒸发、燃料 与空气的混合、着火和燃烧、进排气管内的流动等参个复杂的物理化学变化过程。 为了模拟这一复杂的过程，采用一维非定常流动计舁模型，对涡轮增压发动机的 气缸、排气管、进气管建立质量、能量、成分守恫微分方程：同时.为了求解瞬 态过程，根据力学原理，对发动机的各轴系、涡轮増压器转子建立了动力学微分 方程，对涮速器建立P1D控制方程，对于匕述微分方程组进行联立求解，可以得 到气缸.进排气管内的工质的、质虽:、温度、压力以及发动机转速、扭矩等综合 参数的变化规律。(1) 调速器计算模型建立J调速器的P1D模型。调速器的P1D控制方稈为：A TTz(/) = z(/ 1)+ Kpc(/)-(/ I)H?(/)H c(/) 2(/-1)4-c(i 2) (4-1)KAFe(/) = w(/) - /(0)(4-2)(2) 柴油机缸内燃烧模型柴汕机缸内燃烧采用双韦伯放热规律模型：(lxa滞燃期为:=0.14 + 0 00493 exp0 7a0 7 + 0.如一1)a. lsasl 5aal(48)当计算瞬态工况时，预混合燃烧质垠分数0八 扩散燃烧质疑分数0,预混合燃烧持续时间备和扩散燃烧持续时间孙等参数均随I：况而变化:(44)(4-5)(4-6)(4-7)在瞬态工况下，当空燃比过小时，部分燃汕不能完全燃烧。瞬态工况下的燃烧效率与当晟空然比的关系由下式确定:（3）进排气阀流动计算模型工质流入、流出气缸的质翁流最，可以根据空气动力学中喷嘴流园公式进 行计算：(4-9)式中，为流最系数，A为流通裁面枳。流最系数一般可以根据实验数据得 到，缺少实验数据的时候，可采用下面的公式计算：(4-10)式中h为气阀升程，mmD为气阀直径，mm。（4）进排气管道流动计算模里-维非定常流动方法和容枳法是研究发动机性能，尤其是管内流动计算时的 两个展木方法。一维非定常流动的计算模盘的建立是根据质負守恒、能昼守恒和 动量守柜定律这三人守恫定律，对控制体建工流动偏微分控制方程，对控制方程 进行求解，求解的方法一般是采用差分法、和特征线法等数（ft方法。容枳法是将 进排气管路简化为一个个控制容积，从而对每个容枳内的温度和压力随曲轴转角 的变化进行计算。一维非定常流动模型的优点足能够计算管路中压力波随时间或 者曲轴转角的变化规律。容枳法计算的优点是方便快速，缺点是忽略了气体流速 的影响不能对进排气压力波动进行计算分析，无法匹配増压系统也不能用于设 计排r管系。而本文中的计算，对柴油机进排气管系建立一维非定常流动计算模 型，并用有限容枳法进行求解。方程组见式+ V mu = -A 一 Losses dx(4-11)计算的过程中，需要首先将计算的管路进行离散化，将管逍分割成一系列小 的控制容积。然后对于每一个小控制容积列出控制方程控，再通过有限差分的形 式导出一组离散的控制方程，使用交错网侪方法进行求解。（5）缸内传热模型对于缸内传热，便用了 Woschni传热基本关系式:p Z17 Th =厶y + K,帶心-沧）D Q L5 w（4_12）式中Pref为参考状态的压力（kPa）Tef为参考状态的温度（KVref为参考状态的容枳（L）B为气缸直径（m）Tcyl为缸内气体温度Vsw为气缸排臺（L）Pmot为倒拖气缸压力（KPaPcyl为缸内气体压力（kPaCpis为活塞平均速度（m）传热系数KI、K2、K3在程序中根据实际的发动机进行调整。（6）摩擦模型摩擦损失压力的计算采用Chen-Flynn的模型。（7）涡轮增压器模型增压器性能由厂家提供，给出流联、转速、压比、效率之间的关系归出匹，严（小） 几论 Ju(4-14)涡轮性能数据也由厂家提供，若无法提供则采用经验公式计算其流量和效率Pt PrrfTK(4-15)Ht(4-16)（8）中冷器计算模型 中冷器的汁算公式为:(4-17)(4-18)由于难以得到中冷器内部的具体结构尺寸，因此中冷器的压降和冷却效率要 根据试验数据对公式中的经验系数进行标定。（9）瞬态工况动力学模型进行瞬态工况计算，发动机和涡轮增压器的转速是瞬时变化的，因此需要建 立计算转速的动力学方程。发动机动力学方程为：(4-19)涡轮增压器转子动力学方程(4-20)（10）后排气管计算模型本文研咒的柴油机的后排气系统主要包扌舌消声器、外舌阀以及外舌阀前后的 两部分后排气管。排气消音器的效容枳约为气缸总容枳的22倍。目前一般认为, 排气消音器的最主耍功用有两个方面：首先是为了减小通气管状态运行下柴汕机 在水下排气所产生的噪声，降低废气温度，减少废气向机舱的传热.增加隐蔽性： 其次是为了改善通气管状态运行时废气涡轮增压柴汕机的工作条件I叽排气冷却消声器被安装在柴油机左右两排气缸之间，固定在气缸盖上。由气 缸排出的废气先流过涡轮增压器，推动涡轮叶片作功后再流入消声器.之后在流 过排气内舌阀一排气内挡板一进入排气系统。由于消音器容积很人，所以可以当成个有传热的人容积来建立模型，消音 器为海水冷却，消咅器内的气体与周堆的传热模犁简化为纯导热模盘。消音器出 口处以喷嘴模型处理。其模型图见18 4-1.1消音器撲型Fig. 4-1 Muffler model消音器的能方程、质量守恫方程和气体状态方程如F：(4-21)dm唱_ c *加nxy _ dm阿肝 d(pd(p d(pPsil* VsiL=MgiL* Rv *Tsil(4-22)(4-23)42柴油机本体按型的建立为了对柴油机稳态和瞬态工作过程进行模拟从而研究发动机的性能，通过 GT-POWER软件对柴油机建立仿真计算模型。下面针对某16缸高背压柴油机进行模型建泄与标定分析。（1）柴油机进气系统模型该16缸柴油机的进气系统如图42所示，该柴油机有两个增压器.进气通过两个压气机，出I接中冷器，压缩空气经过中冷后进入总管中冷器出I分 两路，一珞进左侧6缸，另一路进右侧6缸。由于进气系统各部分结构相当复杂， 建模时进行适当简化，对计算结果不会产生影响。nwOl IbXomp-OFOSrn aO1图42进乞系统计算模型Fig.4-2 Computation Model of Intake System21232.）42ib-1 .Iq171rt.4（2）气缸模型气缸模里中耍输入气缸几何结构、燃焼窣壁面温度、建立气缸传热模里、燃 烧模型。气缸传热模別采用Woschni公式计算，燃烧模型采用双韦们经验放热率 模型，各个工况下的参数根抵经验进行调整。（3）进排P阀模型进排气阀主要参数有进排气升程随业轴转角的变化规律以及进排气流量系数 随气门升程的变化规律。建模过程中采用原机的正时.在方案设计计算时再对气 门升程规律进行调整，建好的气门升程以及流駁规律分别如卜图42和图43所示。200300400500600曲軸转角（度）图43进排乞门升程l;ig.4-3 Litl of Intake and Exhaust Valves000.102 osreference array田4-4进排阀流量系數变化曲线Pig.4-4 Flow Cocfllcicnt of Intake and Exhaust Vah es（4）后排气系统模型由于消音器到排气出海口之间的后部管路容枳很人，所以此处容枳不能忽略, 其模型中不考虑与外界的換热.外舌阀处按喷管模型处理，外舌阀后为背压（大 气压十水深）。排气系统的结构对增压柴油机，尤其是高增压.缸数较多的柴油机 的稳态和瞬态件能影响较大.冈此在建模时.要尽虽反映排气系统的实际结构。根据柴汕机的实际结构尺寸，建立后排气管的模型，见图45。TTTTT图45后捋气系统模型Fig 4-5 Model of Post exhaust pipe(5)涡轮增压系统模型根九该16缸船用柴油机的工作性能和耍求，借鉴工作用途和工作性能相近的 H他船用柴油机所采用的涡轮增压器图谱，并在这些己知图谱的基础匕进行一定的修改.如对压气机低工况部分的图谱进行延拓，由此可得到il算过程中采用的MP图。Gl-Power 11算采用的压气机和涡轮特性图见图4-6和图4-7错误！未找到引用源。由于需要,其中具体数值不给出。图44压兀机Fig.4-6 Pcrfonnaiice Chart of Compressor 4-7済轮特性图Fig.4-7 Pcrfomiance Chart of Turbo000025 0J0 075 100 115 1J0 175 200Nom BSR00030j609Mm0 Flow(6)整机模型除了上述提到的工耍模型外，还需耍设谊发火顺序、摩擦模型、喷汕器喷汕 规律设置等，这些参数都可以通过实验测量得到，在某些参数匕需要借鉴经验公 式进行计算得到。最终建立的整机计算模型见图48。图44络机仿真楔型 Fig. 4-8 The whole simulation model413柴油机计算模型的验证原机为一台单级涡轮增压柴油机按照上述步骤完成GT-Power模型的建芷11 作.然后通过标定工况点的实验数据进行校核验证。模拟的结果中.各个计算工 况条件见表41,模拟计算值与实验值对比见表42表中的数值均采用相当于与标定 工况数据的相对值。图4-9为实验结果相对值和计算结果相对值的误差。从实验 耳模拟计算的结果对比町知模拟基本符合柴汕机的实际工作情况，因而对并种方 案的计算也茶木能够反映出实际的.作性能，这是后而方案设计计算的前提和星 础。表4-1计第工况点运行条件Tabic 4丨 Operating condition of calculation point工况点序号i234567负荷()10010010010()755010相对排气背压(%)128150172184174168163工况序号相对功率 相对油耗 相对增压压力 相对涡轮后排气压力11.0110.9890.98810()01实验值1.00()1.0(M)l.(KKM)误差1 106-1.1201.2370.015计算值1.0031.0190.9121 1718