張文孝

（大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧大連116023）

船用中速柴油機(jī)排氣相位的優(yōu)化研究

張文孝

（大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧大連116023）

基于AVL-BOOST軟件對(duì)6300型船用中速柴油機(jī)的排氣相位進(jìn)行了優(yōu)化研究。應(yīng)用建立的工作過(guò)程仿真模型，計(jì)算分析了排氣正時(shí)對(duì)柴油機(jī)性能的影響，得到排氣正時(shí)的最優(yōu)值，為柴油機(jī)性能的進(jìn)一步提高和優(yōu)化設(shè)計(jì)指明了方向。

船用柴油機(jī)；AVL-BOOST；排氣相位；優(yōu)化

柴油機(jī)的工作循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、噴油、混合、燃燒、膨脹和排氣等熱力過(guò)程組成，與氣流運(yùn)動(dòng)、渦輪增壓、燃油噴霧、燃燒室、熱量傳遞、工況等物理過(guò)程及化學(xué)過(guò)程有關(guān)[1-2]，并且還直接影響到柴油機(jī)的功率大小、油耗率高低、燃燒溫度高低、排放特性及可靠耐久性能。因此，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者和生產(chǎn)廠家都對(duì)柴油機(jī)的工作循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了大量而卓有成效的研究。目前對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程研究比較多的方法是數(shù)值模擬仿真法[3-4]，它主要是通過(guò)一些軟件對(duì)柴油機(jī)的各種性能指標(biāo)進(jìn)行模擬和仿真計(jì)算，并分析一些重要的參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響，進(jìn)而為柴油機(jī)的各種性能提高、優(yōu)化整機(jī)和零部件設(shè)計(jì)方案以及產(chǎn)品的研發(fā)提供參考和依據(jù)。

本文采用AVL BOOST仿真軟件，以6300型船用中速四沖程柴油機(jī)為實(shí)例，對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行仿真和模擬計(jì)算分析，重點(diǎn)對(duì)排氣正時(shí)（排氣提前開(kāi)啟角和排氣延遲關(guān)閉角）對(duì)柴油機(jī)性能的影響進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 仿真模型的建立

6300型柴油機(jī)的類(lèi)型為直列、排氣渦輪增壓、四沖程，工作行程為380 mm，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為500 r/min，標(biāo)定功率為550 kW，燃油消耗率為217（g/kW·h），著火順序?yàn)?－5－3－6－2－4.

應(yīng)用AVL-BOOST軟件[5]建立的6300型柴油機(jī)仿真模型如圖1所示。其中，SB1和SB2是系統(tǒng)邊界，TC1為排氣渦輪增壓器，CO1為中冷器，PL1為進(jìn)氣總管，PL2和PL3為兩個(gè)排氣歧管，9是壓氣機(jī)前進(jìn)氣管，1是中冷器前進(jìn)氣管，8為中冷器后排氣管，C1-C6為汽缸，2-7為汽缸進(jìn)氣管，10-15為汽缸排氣管，MP1-MP11為定義的測(cè)量點(diǎn)。

圖1 仿真模型

2 排氣正時(shí)的優(yōu)化

2.1 排氣提前開(kāi)啟角對(duì)性能的影響

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)原理知識(shí)可知，選擇和確定最佳的排氣提前開(kāi)啟角必須綜合考慮各種因素的影響，因此也存在一個(gè)最佳的數(shù)值。根據(jù)圖1的仿真模型，在柴油機(jī)的其他參數(shù)不變的前提下，改變排氣提前開(kāi)啟角的大小，計(jì)算其對(duì)柴油機(jī)的輸出功率、油耗率和燃燒溫度的影響。針對(duì)本文的6300型柴油機(jī)，所取的排氣提前開(kāi)啟角是31°~47°CA.計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 功率、有效油耗率和最高燃燒溫度與排氣提前開(kāi)啟角的關(guān)系曲線

由圖2可知，隨著排氣提前開(kāi)啟角的增大，柴油機(jī)的輸出功率增大，說(shuō)明提高柴油機(jī)的動(dòng)力性能需要較大的排氣提前開(kāi)啟角；隨著排氣提前開(kāi)啟角的增大，柴油機(jī)的有效油耗率減小，說(shuō)明提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能需要較大的排氣提前開(kāi)啟角；隨著排氣提前開(kāi)啟角的增大，柴油機(jī)的最高燃燒溫度減小，說(shuō)明降低柴油機(jī)的NOX排放需要較大的排氣提前開(kāi)啟角（因?yàn)樽罡呷紵郎囟仁怯绊慛OX生成的重要因素）。

2.2 排氣延遲關(guān)閉角對(duì)性能的影響

根據(jù)仿真模型，保持柴油機(jī)的其他參數(shù)不變，只改變排氣延遲關(guān)閉角從12~28°CA計(jì)算其對(duì)柴油機(jī)功率、有效油耗率和最高燃燒溫度的影響，如圖3所示。

圖3 功率、有效油耗率和最高燃燒溫度與排氣延遲關(guān)閉角的關(guān)系曲線

由圖3可知，隨著排氣延遲關(guān)閉角的增大，柴油機(jī)的輸出功率降低，說(shuō)明提高柴油機(jī)的動(dòng)力性能需要較小的排氣延遲關(guān)閉角；隨著排氣延遲關(guān)閉角的增大，柴油機(jī)的有效油耗率先降低后升高，在排氣延遲關(guān)閉角為24°CA時(shí)達(dá)到最小值，最高燃燒溫度先減小后增大，在排氣延遲關(guān)閉角為14°CA時(shí)達(dá)到最小值。因此，排氣延遲關(guān)閉角的大小對(duì)柴油機(jī)性能的影響較為復(fù)雜。

2.3 排氣正時(shí)的優(yōu)化

為了進(jìn)一步對(duì)排氣正時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)上述排氣提前開(kāi)啟角和排氣延遲關(guān)閉角對(duì)性能影響的計(jì)算分析結(jié)果，進(jìn)行了排氣正時(shí)的正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)時(shí)選擇的排氣提前開(kāi)啟角分別為：41°CA、43°CA和45°CA；選擇的排氣延遲關(guān)閉角分別為：16°CA、18 °CA和24°CA.正交試驗(yàn)情況見(jiàn)表1.

表1 排氣正時(shí)正交實(shí)驗(yàn)表

根據(jù)排氣正時(shí)的正交試驗(yàn)情況和前述的仿真模型，計(jì)算了排氣正時(shí)不同組合下的柴油機(jī)性能，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可知，在試驗(yàn)序號(hào)為7時(shí)柴油機(jī)的輸出功率最大、有效油耗率接近最低、最高燃燒溫度接近最低，即此時(shí)柴油機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能和排放性能最佳。因此確定試驗(yàn)序號(hào)7的排氣正時(shí)方案為該6300型柴油機(jī)的最佳排氣正時(shí)，即排氣提前開(kāi)啟角為45°CA，排氣延遲關(guān)閉角為16°CA.

圖4 功率、有效油耗率和最高燃燒溫度與實(shí)驗(yàn)號(hào)的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文以6300型船用中速柴油機(jī)為例，應(yīng)用AVL-BOOST軟件建立了仿真模型。

（2）根據(jù)仿真模型計(jì)算分析了排氣正時(shí)（排氣提前開(kāi)啟角和排氣延遲關(guān)閉角）對(duì)6300型柴油機(jī)的輸出功率、有效油耗率和最高燃燒溫度的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化出了排氣正時(shí)的最佳參數(shù)，為柴油機(jī)性能的進(jìn)一步提高和優(yōu)化設(shè)計(jì)指明了方向。

[1]劉永長(zhǎng)．內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程模擬計(jì)算[M]．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996.

[2]周松，王銀燕，明平劍，等.內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程仿真技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[3]劉勤安，段樹(shù)林，邢輝，等．大型低速船用柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬及優(yōu)化[J]．大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（3）：107 -114.

[4]朱訪軍，吳堅(jiān).內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程數(shù)值計(jì)算及其優(yōu)化[M].北京：國(guó)防工業(yè)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

張文孝（1963-），男，吉林德惠人，工學(xué)博士，大連海洋大學(xué)教授，研究方向?yàn)椤皟?nèi)燃機(jī)性能研究”。