V柴油機(jī)排氣熱管理仿真計算模型的建立分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9840柴油機(jī)排氣熱管理仿真計算模型的建立分析案例 1244361.1GT-Power仿真計算軟件介紹 1148201.2六缸柴油機(jī)仿真計算模型的建立 2159531.2.1仿真過程中的基本假設(shè)及數(shù)學(xué)模型 3187511.2.2柴油機(jī)仿真模型的建立 696051.2.3仿真模型基本參數(shù)的設(shè)定 721661.3仿真計算模型的驗證 10在柴油機(jī)低速小負(fù)荷排氣熱管理性能的研究過程中，需要了解多種解決方案的參數(shù)變化對發(fā)動機(jī)性能的影響，如果采用傳統(tǒng)臺架試驗的方法進(jìn)行逐個探究則需要投入大量的人力及經(jīng)濟(jì)成本，并且減緩柴油機(jī)新技術(shù)的升級迭代速度。本章以某六缸柴油機(jī)為研究對象，根據(jù)其機(jī)械構(gòu)造及相關(guān)技術(shù)參數(shù)應(yīng)用GT-POWER軟件搭建仿真計算模型，利用已有試驗數(shù)據(jù)完成對模型的驗證和標(biāo)定，并以此作為后續(xù)排氣熱管理性能仿真研究的基礎(chǔ)。1.1GT-Power仿真計算軟件介紹隨著計算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，借助于計算機(jī)強(qiáng)大運(yùn)算能力的多種CAE仿真軟件受到各主機(jī)廠及研究機(jī)構(gòu)的青睞，其中AVL李斯特公司開發(fā)的AVLBOOST軟件以及GammaTechnologies公司開發(fā)的GT-POWER軟件[61]就是極具代表性的一維熱力學(xué)仿真計算分析軟件，它們被用來模擬發(fā)動機(jī)工作過程。與同類型軟件相比，GT-POWER憑借其功能完備、運(yùn)用靈活等優(yōu)勢成為應(yīng)用最廣泛的發(fā)動機(jī)性能仿真軟件之一，并且能通過與第三方仿真軟件如SIMULINK、STAR-CCM+、FLUENT、AVL-FIRE等進(jìn)行耦合計算來補(bǔ)充完善仿真過程及結(jié)果。因此，這里采用GT-SUITE仿真分析套件中的GT-POWER模塊作為仿真平臺。其基本使用流程如圖2-1所示。圖2-1GT-POWER仿真計算基本流程GT-POWER中的模塊數(shù)據(jù)庫是進(jìn)行發(fā)動機(jī)模型建立的根本，根據(jù)其物理模型的特征，可分成下面幾部分：Flow（流動相關(guān)模塊，如氣體流通管道、閥門和燃油噴射等）、Mechanical（機(jī)械構(gòu)造相關(guān)模塊，如發(fā)動機(jī)曲軸、機(jī)體等）、Thermal（附加熱計算模塊，如氣缸周壁傳熱等）、Electrical（電磁相關(guān)模塊，如電池、電磁閥等）、Control（控制相關(guān)模塊，如PID控制器、傳感器等）、Analysis（數(shù)據(jù)分析相關(guān)模塊，如快速傅立葉變換等）、General（通用模塊，包含各循環(huán)工況的噴油速率曲線、Data表格等）。GT-POWER可以對多種形式發(fā)動機(jī)[62]（如點燃式/壓燃式、二沖程/四沖程、單缸/多缸、直列/V型、增壓/自然吸氣及多種應(yīng)用新型技術(shù)的發(fā)動機(jī)等）的性能進(jìn)行預(yù)測，獲得包括發(fā)動機(jī)功率P、扭矩T、燃油耗be、排放和缸壓等參數(shù)在內(nèi)的性能指標(biāo)。此外，通過對穩(wěn)定工作過程的計算模擬，可以實現(xiàn)如配氣機(jī)構(gòu)氣門升程及配氣正時的優(yōu)化設(shè)計、進(jìn)排氣歧管結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改動等工作；通過模擬瞬態(tài)工作過程，實現(xiàn)對氣缸零部件的熱分析、增壓器的響應(yīng)特性分析等，輔助進(jìn)行發(fā)動機(jī)各組成零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。1.2六缸柴油機(jī)仿真計算模型的建立在探究可變配氣系統(tǒng)對柴油機(jī)低速小負(fù)荷排氣熱管理性能影響的過程中，一般需要針對配氣機(jī)構(gòu)的某些變量進(jìn)行反復(fù)多次性能試驗，但這樣往往會對實際配氣機(jī)構(gòu)的加工試制及裝配更換帶來巨大挑戰(zhàn)。為了在研究前期即排除部分不理想方案，可以通過仿真計算的方法對柴油機(jī)的部分性能進(jìn)行預(yù)測，用來指導(dǎo)具體設(shè)計方案的進(jìn)行[63]。圖2-2增壓發(fā)動機(jī)熱力系統(tǒng)示意圖圖2-2為增壓發(fā)動機(jī)熱力系統(tǒng)示意圖，在進(jìn)行仿真模型建立時，通常將發(fā)動機(jī)整機(jī)劃分為幾個不同功能的子系統(tǒng)（如進(jìn)氣管道、增壓器、中冷器、氣缸、排氣管道等）來進(jìn)行。1.2.1仿真過程中的基本假設(shè)及數(shù)學(xué)模型仿真過程中通常對模型的某些部分進(jìn)行理想化處理以方便計算，這里針對缸內(nèi)熱力循環(huán)過程及整個系統(tǒng)作出基本假設(shè)[64]：（1）工質(zhì)為理想氣體，其熱力學(xué)性質(zhì)僅與氣體成分要素和溫度有關(guān)；（2）工質(zhì)在中間流動過程中（氣體自輸送管道進(jìn)入和流出氣缸的過程）為準(zhǔn)穩(wěn)定流動，不發(fā)生壓力、溫度浮動情況；（3）工質(zhì)狀態(tài)在氣缸內(nèi)各處平均分布，即進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮工質(zhì)能夠瞬時與缸內(nèi)殘存氣體完全充分混合；（4）燃料燃燒過程為按照確定放熱規(guī)律對工質(zhì)進(jìn)行加熱的熱力循環(huán)過程；（5）柴油機(jī)各部分在整個工作過程中密封良好，不存在工質(zhì)泄漏。通過數(shù)學(xué)描述不同的子系統(tǒng)，構(gòu)成柴油機(jī)工作歷程的數(shù)學(xué)模型[65]，其中主要包括缸內(nèi)熱力學(xué)過程模型、進(jìn)排氣系統(tǒng)模型及各類計算邊界條件模型等。缸內(nèi)熱力學(xué)工作歷程是由一系列涉及物理、化學(xué)、傳熱和流動等過程的方程組成。其工質(zhì)的狀態(tài)可以通過對熱力過程中遵循的質(zhì)量守恒、能量守恒和理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行聯(lián)合求解，獲得質(zhì)量m、壓力P和溫度T這三個參數(shù)來描述。（1）能量守恒方程：（2-1）式中：T——工質(zhì)的溫度，K；φ——曲軸轉(zhuǎn)角，°CA；m——缸內(nèi)工質(zhì)總質(zhì)量，kg；V——氣缸工作容積，m3；QB——燃油燃燒釋放在氣缸內(nèi)的熱量，J；QW——經(jīng)過氣缸壁面交換傳遞的熱量，J；p——氣缸內(nèi)部工質(zhì)壓力，MPa；ms，me——進(jìn)入、排出氣缸工質(zhì)質(zhì)量，kg；hs，he——進(jìn)、排氣門處工質(zhì)的比焓，J/kg；u——比內(nèi)能，kJ/kg；λ——廣義過量空氣系數(shù)。當(dāng)忽視廣義過量空氣系數(shù)λ對比內(nèi)能u的影響時，式（2-1）可變?yōu)椋海?-2）（2）質(zhì)量守恒方程：（2-3）式中：mB——注入氣缸內(nèi)瞬時燃料的質(zhì)量，kg。（3）理想氣體狀態(tài)方程：（2-4）式中：R——氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)。進(jìn)、排氣系統(tǒng)在實際工作時的氣體流動較為復(fù)雜，會受到諸如管壁摩擦和溫差熱交換等多種情況的影響，因此其工作過程是具有代表性的三維非定常流動過程。但是由于其管道長徑比較大，一般流動的過程多由流體的徑向流動決定，因此在仿真時對其進(jìn)行簡化，按照一維非定常流動并采取有限體積方法實行仿真計算。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用的基本控制方程為：（1）連續(xù)方程：（2-5）（2）動量方程：（2-6）（3）能量方程：（2-7）式中：ρ——管道入口橫截面流體的密度，kg/m3；c——管道入口橫截面流體的速度，m/s；F——管道內(nèi)部橫截面積，m3；p——管道入口橫截面的壓力，MPa；f——管道內(nèi)壁摩擦系數(shù)；D——管道水力直徑，m；q——單位質(zhì)量流體的傳熱率，W/(m2·K)；c/|c|——摩擦力方向的項。燃燒過程受到缸內(nèi)氣體流動的影響，除了缸內(nèi)活塞往復(fù)運(yùn)動造成的氣體運(yùn)動外，新鮮工質(zhì)經(jīng)氣門進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體流動過程（對于柴油機(jī)來說主要是進(jìn)氣渦流）需要經(jīng)過數(shù)學(xué)模型計算描述，其渦流系數(shù)Cs的計算公式如下：（2-8）（2-9）式中，Ts——渦流力矩，N·m；——質(zhì)量流量，kg/s；Uis——等熵氣門速度，m/s；D——氣缸直徑，m；PR——絕對壓力比（即靜態(tài)出口壓力/總?cè)肟趬毫Γ?；R——氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)；To——回流滯止溫度，K；γ——比熱比（溫度300K的空氣對應(yīng)值為1.4）。在對缸內(nèi)燃燒放熱率計算時，可選擇多種放熱率模型進(jìn)行求解，常用的方法包括使用試驗測量的示功圖計算實際放熱規(guī)律、利用韋伯函數(shù)建立半預(yù)測模型及建立多維燃燒模型等。這里選擇三項韋伯函數(shù)進(jìn)行放熱率計算，通過將燃燒歷程劃分成預(yù)混燃燒、主燃燒和后燃燒使結(jié)果接近真實情況，其數(shù)學(xué)模型如下：（2-10）（2-11）（2-12）（2-13）式中，F(xiàn)M——主燃燒分?jǐn)?shù)FP——預(yù)燃燒分?jǐn)?shù)FT——后燃燒分?jǐn)?shù)WCP，WCM，WCT——韋伯預(yù)混合、主燃、后燃常數(shù)DP，DM，DT——預(yù)混合、主燃、后燃持續(xù)時間EP，EM，ET——預(yù)混合、主燃、后燃指數(shù)1.2.2柴油機(jī)仿真模型的建立根據(jù)發(fā)動機(jī)實際機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合GT-POWER的元件庫及模塊劃分原則，對某六缸柴油機(jī)進(jìn)行子系統(tǒng)模塊劃分，主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)模塊、排氣系統(tǒng)模塊、增壓器模塊、燃料供給模塊、氣缸模塊以及曲軸箱模塊[66]等，如圖2-3所示為目標(biāo)機(jī)型各描述模塊經(jīng)連結(jié)排布后的GT-POWER仿真計算模型。圖2-3某型號柴油機(jī)GT-POWER仿真計算模型從模型中能看出，該柴油機(jī)的基本工作歷程為：經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后的空氣進(jìn)入中冷器降溫，然后通過進(jìn)氣歧管流入各氣缸進(jìn)氣道內(nèi)，由依次開啟的進(jìn)氣門分配至各工作氣缸內(nèi)，輔助噴入的燃油壓縮做功，燃燒后的廢氣經(jīng)排氣門流出進(jìn)入氣缸排氣道，通過排氣歧管收集后的廢氣帶動渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)進(jìn)氣增壓，渦輪后廢氣經(jīng)后處理系統(tǒng)（本文主要對排氣熱管理性能進(jìn)行研究，其最終衡量指標(biāo)之一為渦輪后排氣溫度，不涉及具體后處理系統(tǒng)，故不體現(xiàn)在模型中）凈化最終排入到外界大氣環(huán)境中。1.2.3仿真模型基本參數(shù)的設(shè)定發(fā)動機(jī)子系統(tǒng)對應(yīng)的模塊需要經(jīng)過較為準(zhǔn)確的參數(shù)定義才能作為仿真計算的初始條件，從而確保使用仿真進(jìn)行性能預(yù)測的準(zhǔn)確性。表2-1為某型號六缸柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，通常情況下發(fā)動機(jī)的其他基本結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)可以從目標(biāo)機(jī)型中直接測量獲得，某些屬性參數(shù)也可通過前期試驗測得，而對于其他某些非關(guān)鍵參數(shù)可按照經(jīng)驗值或推薦值進(jìn)行設(shè)定。表2-1某型號六缸柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值/單位發(fā)動機(jī)形式直列六缸、單頂置凸輪軸、單缸4氣門、高壓共軌+SCR（國五排放）進(jìn)氣形式增壓中冷缸徑×行程116mm×150mm總排量9.5L壓縮比17.5:1額定轉(zhuǎn)速1900r/min額定功率276kW最大扭矩1800N·m全負(fù)荷最低燃油消耗率≤185g/(kW·h)下面對主要模塊：邊界環(huán)境模塊、進(jìn)排氣系統(tǒng)模塊、氣缸模塊、噴油模塊、曲軸模塊等的參數(shù)設(shè)定過程進(jìn)行介紹。（1）邊界環(huán)境模塊邊界環(huán)境模塊（即模型中的出入口邊界條件）參數(shù)可直接根據(jù)實際試驗條件進(jìn)行設(shè)定，其中邊界環(huán)境成分為空氣（N2含量為76.7%，O2含量為23.3%），溫度為298K，壓力為1.01bar，。（2）進(jìn)、排氣系統(tǒng)模塊進(jìn)、排氣系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置對象包含各類管道、增壓器、中冷器以及進(jìn)排氣門等。此處增壓器及中冷器的參數(shù)直接調(diào)用該構(gòu)件實際性能參數(shù)表；各類直管及彎管按照其屬性設(shè)置窗口順序進(jìn)行設(shè)置，如主屬性中的結(jié)構(gòu)尺寸、初始狀態(tài)和管道相關(guān)傳熱參數(shù)等；各類歧管則需要對其基本物理結(jié)構(gòu)、傳熱、壓降及管路三維結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。對于進(jìn)、排氣門的參數(shù)首先需要正確設(shè)置進(jìn)、排氣門的配氣正時，GT-POWER中可以選擇點火上止點作為開始時刻（即0°CA），并以氣門最大開啟升程對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角作為參考來確定配氣正時，氣門最大升程及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角值如表2-2所示，后續(xù)對柴油機(jī)排氣熱管理性能的仿真計算過程以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行。表2-2原機(jī)氣門最大升程及其對應(yīng)時刻參數(shù)名稱參數(shù)值/單位進(jìn)氣門最大升程13.2mm進(jìn)氣最大升程時刻453°CA排氣門最大升程11.5mm排氣最大升程時刻256°CA除了輸入相應(yīng)的升程曲線外，氣門模塊中還需要對氣門處的流通系數(shù)進(jìn)行定義，包括正向流通系數(shù)和反向流通系數(shù)，同時進(jìn)氣門處還需設(shè)定渦流系數(shù)來完善缸內(nèi)氣體流動情況，這些參數(shù)值通過試驗及公式計算獲得。（3）氣缸模塊氣缸模塊作為熱力學(xué)過程的主要發(fā)生區(qū)域，需要定義多種屬性參數(shù)。除數(shù)學(xué)模型建立階段確定的韋伯燃燒模型外，還包括其初始狀態(tài)、周壁（缸蓋底部、活塞頂部、缸套壁面）溫度、缸內(nèi)流動情況（主要是活塞燃燒室的幾何參數(shù)）及傳熱模型的設(shè)置。針對傳熱過程，GT-POWER內(nèi)置了多種傳熱模型供選取，如flow模型、Woschni模型以及Hohenberg模型等。這里忽略缸內(nèi)渦流但考慮氣門開啟狀態(tài)對換熱系數(shù)的影響，即進(jìn)氣門流通速度較大和由排氣門回流的過程都增加熱傳遞，因此使用WoschniGT模型進(jìn)行計算。（4）噴油器模塊噴油器模塊的屬性定義大致包含每循環(huán)噴入量、啟噴時刻、噴入燃料類型、噴嘴幾何參數(shù)及配置文件設(shè)定等，表2-3為噴油器噴嘴的幾何參數(shù)值。表2-3噴嘴的幾何參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值/單位噴入溫度300K噴孔直徑0.169mm噴孔數(shù)量8噴嘴流量系數(shù)0.85（5）曲軸模塊曲軸模塊依次連接做功氣缸將發(fā)動機(jī)整機(jī)動力向外輸出，其屬性設(shè)置包含發(fā)動機(jī)氣缸幾何參數(shù)，如活塞直徑、活塞行程、連桿長度、壓縮比及活塞運(yùn)行至上止點時距缸套頂部余隙高度（用于計算缸套傳熱表面積）等，其中的部分參數(shù)在表2-1中有所展示。此外，發(fā)動機(jī)的沖程數(shù)、控制模式、轉(zhuǎn)速情況、平均摩擦有效壓力、循環(huán)開始角度（即第一次到達(dá)上止點前的角度，必須為負(fù)值）、點火順序、容積效率參考狀態(tài)等參數(shù)根據(jù)發(fā)動機(jī)實際工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定。1.3仿真計算模型的驗