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进/排气边界对高原柴油机缸内制动的数值模拟
2021-10-19 23:59:16· 来源：内燃机学报
柴油机在高原地区运行时，由于空气稀薄，进气效率下降，其动力性及经济性下降。通常采用两级增压系统来增强重型柴油机高原功率能力，但是这会使得平原环境下发动
柴油机在高原地区运行时，由于空气稀薄，进气效率下降，其动力性及经济性下降。通常采用两级增压系统来增强重型柴油机高原功率能力，但是这会使得平原环境下发动机制动能量增加，制动器摩擦副温度升高，进而产生热衰退。除了常规的摩擦制动，排气制动（倒拖工况时关闭排气歧管出口的阀来增大泵气损失压力）也开始走进视野。本期推文笔者[1]借助数值模拟手段，重点研究高原环境下排气参数对柴油机缸内制动过程机理及关键因素的影响。
1、方法介绍
本文研究的高压共轨柴油机主要参数见表1。
表1 柴油机相关参数
基于GT-Power构建了单级及两级增压系统的一维热力学仿真模型，相关建模过程和试验验证参见文献[1]。在倒拖工况下，进一步验证模型的倒拖功率及缸内压力，误差在3%以内，如图1a~b 所示。
图1 原机制动功率及p-V示功
基于校核的单级增压系统，在海拔为0 km 时，笔者对原单级增压系统进行倒拖工况的模拟计算，分析倒拖工况下柴油机的制动功率，倒拖工况为1 000，1 330，1 500，1 660，1 800，1 990 r/min，依次分别标记为工况1~6。
倒拖工况下，制动功率主要来源为：柴油机压缩行程压缩空气所做的功与膨胀行程空气对活塞所做的功之差(负功)、克服摩擦损失、泵气损失及传热损失(由于柴油机正常运行条件下，倒拖工况过程中传热损失较小，分析过程中忽略传热损失)。为了便于对柴油机工作循环进行分析，引入总平均指示压力(IMEP360)、泵气损失压力(PMEP)、摩擦损失压力(FMEP)、平均有效压力(BMEP)，具体定义如式(1)～(4)所示，规定压缩上止点为0° CA。由于分析的指标数值均为负值，为分析方便论述中以绝对值表示，且绝对值增大，即为增大或升高。
其中公式参数描述见文献[1]。
缸内制动通过在压缩上止点前对排气门开启一定角度及持续期(同时保证气门与活塞不发生机械碰撞)，缸内压缩气体快速进行排气，减少在膨胀行程过程中压缩气体对活塞做功。表2为缸内制动工况下排气门在压缩上止点开启时刻及开启持续期，作为下文模型仿真的边界条件。图2为表2对应排气门开启持续期及开启时刻的升程曲线。
表2 排气门在压缩上止点开启状态
图2 排气门升程曲线
如图3所示，排气制动过程中，p-V示功在进气行程与压缩行程排气门开启之前的过程中，与正常无排气制动的缸内循环无明显差异。在压缩阶段终点到膨胀阶段，缸内压力达到最大后迅速减小，甚至在膨胀阶段中后期，缸内压力低于大气压，缸内形成负压，总指示压力进一步增大。
图3 缸内制动p-V示功
2、结果分析
图4为在压缩上止点、不同开启时刻及持续期对缸内压力影响。当排气门在压缩上止点前20° CA 开启时，低转速（1 330 r/min）工况下，随着开启持续期的增加，缸内最高压力无明显差异，膨胀行程缸内压力先下降后升高；排气及进气行程缸内压力无明显差异。高转速（1 990 r/min）工况下，缸内最高压力先升高后有所降低，膨胀行程缸内压力先降低后升高；排气行程缸内压力先升高后有所降低。由图4c～d可知，当排气门在压缩上止点的开启持续期为64° CA时，高、低速工况，随着开启时刻的推迟，缸内最高压力升高，同时，膨胀行程缸内压力也逐渐升高。排气行程中，缸内压力先升高后逐渐趋于平缓；进气行程中，缸内压力无明显变化。因此，气门开启持续期对压缩行程影响较小，其主要作用于膨胀行程。气门开启时刻对压缩行程、膨胀行程及排气行程影响均较大。
图4 不同开启时刻及持续期对缸内压力影响
图5为在压缩上止点、不同开启时刻及持续期对总平均指示压力的影响。由图5a 可知，当排气门在压缩上止点前20° CA开启时，随着开启持续期的增加，低转速时总平均指示压力呈先增加后有减小的趋势，但其整体差异较小；标定转速时开启持续期由39° CA增加到64° CA，最大总平均指示压力升高了1.7 MPa。这是由于低转速时，由p-V示功图可知，压缩行程缸内压力无明显差异，膨胀行程缸内压力先增加后减小所致；高转速时，膨胀行程缸内压力先增加后趋于平缓。由图5b可知，标定转速、当开启持续期一定（64° CA）时，开启时刻由34° CA BTDC 推迟到29° CA BTDC，最大总平均指示压力由7.4 MPa 升高到7.8 MPa；继续推迟开启时刻到10° CA BTDC，最大总平均指示压力迅速由7.8 MPa降低到5.8 MPa。由图5d 可知，压缩行程缸内压力逐渐升高，但膨胀行程缸内压力也逐渐升高，其综合作用使得总平均指示压力先升高。
图5 不同开启时刻及持续期对总平均指示压力的影响
图6为在压缩上止点、不同开启时刻及持续期对泵气损失的影响。由图6a可知，当排气门在压缩上止点前20° CA 开启时，随着开启持续期的增加，泵气损失压力略微增加。由p-V示功图可知，进/排气行程缸内压力差异较小，故泵气损失压力差异较小。由图6b可知，在压缩上止点当排气门开启持续期一定（64° CA）时，随着开启时刻的推迟，泵气损失压力有所升高，但总体差异较小。
图6 不同开启时刻及持续期对泵气损失的影响
图7为在压缩上止点、不同开启时刻及持续期对摩擦损失的影响。由图7a可知，当排气门在压缩上止点前20° CA 开启时，随着开启持续期的增加，仅在高转速时摩擦损失压力略微增大。由图7b可知，当排气门开启持续期为64° CA 时，随着开启时刻的推迟，摩擦损失压力逐渐增加。由式（4）可知，摩擦损失压力主要与活塞速度和缸内最高压力相关，排气门开启时刻一定时，缸内最高压力无明显差异；排气门开启持续期一定时，缸内最高压力差异较大。
图7 不同开启时刻及持续期对摩擦损失的影响
图8为在压缩上止点、不同开启时刻及持续期对平均有效压力的影响。由图8a可知，标定转速、排气门在压缩上止点前20° CA开启时，开启持续期由39° CA增加到64° CA，平均有效压力增加1.8 MPa。由图8b 可知，标定转速、排气门在压缩上止点开启持续期一定（64° CA）时，开启时刻由34° CA BTDC推迟到29° CA BTDC，平均有效压力升高0.46 MPa左右。由式（4）可知，平均有效压力由总平均指示压力、泵气损失压力及摩擦损失压力组成；基于以上分析可知，提高平均有效压力主要提升总平均指示压力、摩擦损失压力及泵气损失压力。
图8 不同开启时刻及持续期对平均有效压力的影响
图9为在压缩上止点、不同开启时刻及持续期对制动功率的影响。标定转速、排气门在压缩上止点前20° CA 开启时，开启持续期由39° CA 增加到64° CA，柴油机最大制动功率增加22%，且继续增大开启持续期，制动功率略微降低；柴油机转速从1 000 r/min 升高到2 200 r/min，制动功率由42.1 kW升高到71.0 kW。当开启持续期一定（64° CA）时，开启时刻由34° CA BTDC 推迟到29° CA BTDC，最大制动功率升高3.2 kW；继续推迟开启时刻到10° CA BTDC，制动功率迅速由72.7 kW 降低到59.5 kW。因此，在压缩上止点存在一个最优的开启时刻及开启持续期，在进气压力一定的条件下使得柴油机的制动功率最大。
图9 不同开启时刻及持续期对制动功率的影响
3、结论
(1) 标定转速下，在压缩上止点，排气门开启持续期由39° CA 增加到64° CA，最大总平均指示压力增加1.7 MPa，平均有效压力增加1.8 MPa，柴油机最大制动功率提升22%；继续增大开启持续期，柴油机平均有效压力及制动功率出现降低的趋势。
(2) 标定转速下，在压缩上止点，排气门开启时刻由34° CA BTDC 推迟到29° CA BTDC，总平均指示压力升高0.4 MPa，平均有效压力升高0.46 MPa，制动功率升高3.2 kW；继续推迟排气门开启时刻，平均有效压力及制动功率迅速降低。
文献来源
[1]刘海军,侯献军.进/排气边界对高原柴油机缸内制动的数值模拟[J].内燃机学报,2021,(05):409-416.
学报简介
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目”能源与动力工程类前列。《内燃机学报》主要刊载内燃机方面有较高学术价值和应用价值的学术性论文，在海内外有广大的读者群，是内燃机工作者的良师益友，欢迎登录《内燃机学报》官方网站（www.transcsice.org.cn）投稿。
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