摘 要

柴油发动机由燃油经济性好、热效率高的优点被广泛使用于低速、重载车辆。但柴油机仍有噪声大、排放水平高等缺点需要进行优化设计。

本文以某增压六缸柴油机为研究对象，采用GT-POWER软件建立其工作性能仿真模型，用以模拟此增压柴油机实际工作性能水平。将模型仿真结果与试验测试结进行对比，以此来校准模型的准确性。其中对于燃烧过程采用准维模型模拟，通过性能指标对比结果可知，准维燃烧模型具有较高的准确性，有助于提高仿真的精度。

通过实验，验证了GT-POWER软件对六缸柴油机模拟的工作特性曲线：功率、扭矩、燃油消耗率指标与试验值的工作特性曲线具有较高的一致性，并且误差处于可接受范围之内。本文验证了GT-POWER软件对于发动机的研究的准确性。

关键词:GT-POWER软件；六缸柴油发动机；准维燃烧模型；模拟仿真；校准

Abstract

Diesel engine is widely used in low-speed and heavy-duty vehicles because of its good fuel economy and high thermal efficiency. But the diesel engine’s shortcomings like noisy, high levels of emissions still need to be improved.

In this paper, a turbocharged six-cylinder diesel engine as the research object, using GT-POWER software to build its performance simulation model to simulate the actual performance of this supercharged diesel engine performance level. The model simulation results are compared with the actual test results to calibrate the accuracy of the model. The simulation results show that the quasi-dimensional combustion model has high accuracy and can improve the accuracy of the simulation.

The experimental results show that the power, torque and fuel consumption of the GT-POWER software are in good agreement with the working characteristic curve of the test, and the error is within the acceptable range. This paper verifies the accuracy of GT-POWER software for engine research.

Key Word: GT-POWER software; 6-cylinder diesel engine; Quasi - dimensional combustion model; modeling; calibration

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 1

第一章 绪 论 1

1.1课题的研究背景和意义 1

1.2国内外的研究现状分析 1

1.3计算机软件模拟的优点 3

1.4本文主要工作 5

第二章 GT-POWER软件介绍 6

2.1 GT-POWER软件介绍 6

2.2 GT-POWER软件结构介绍 7

2.3 GT-POWER的先进特性 8

2.4仿真计算流程 8

2.5 GT-POWER的后处理——GT－POST 9

2.6柴油机数值模拟原理 10

2.6.1气缸模块数值模拟的基本原理 10

2.6.2进、排气管工作的数值模拟的基本原理 14

2.6.3涡轮增压器的数值模拟的基本原理 16

2.6.4中冷器的数值模拟基本原理 17

第三章6缸柴油机模拟仿真模型建立 19

3.1 建模策略 19

3.2 建模流程 19

3.2.1 首先建立一个单缸柴油机 19

3.2.2 模型的建立 25

3.2.3六缸柴油机模型建立 26

第四章 柴油机仿真值计算结果以及与实验值的标定 30

4.1模型运算以及用GT-POST软件对运算结果进行后处理 30

4.2仿真结果与实验值进行对标 31

结论与展望 35

参考文献 37

致 谢 39

第一章 绪 论

1.1课题的研究背景和意义

随着时代的进步，科学的发展，柴油机作为一种高效率的内燃机逐渐进入了更多的使用领域。但柴油机有着噪声大、成本高等缺点^[1]，所以我们研究柴油机燃烧过程的时候可以采用GT-POWER建模来研究。可以采用准维燃烧模型来研究柴油机，在GT-POWER软件里创立六缸柴油发动机的准维仿真模型，通过构建并标定气缸内准维燃烧过程，从而实现发动机性能特性曲线仿真值与实验值具有一致性。通过学习准维燃烧过程建模理论和原理，学习GT-POWER软件，掌握GT-POWER软件的强大功能以及其使用方法，并通过软件建立发动机的工作过程仿真模型，包含曲轴箱、气缸、气门正时系统，建立缸内准维燃烧模型并完成准维燃烧模型标定，使发动机工作特性曲线仿真值与实验值在误差范围内^[2]。

1.2国内外的研究现状分析

燃烧室在准维燃烧模型里面模化几个区，为过浓燃烧区（由若干燃烧子区组成）、无燃烧的空气区及燃烧区。作出假设: (1)各子区温度密度是不同但压力为统一参数且物理、化学参数在空间上是均匀地；(2)各个子区都是处于热力学平衡；(3)各个子区都处于一个开放热力学系统，其内工质均为准稳态定熵流，而且只通过边界进行互相作用。经过以上假设后，想要求得压力、温度、NO生成量等参数在每个时刻的物理值，则必须建设各个子区的能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程、化学反应动力学方程以及状态方程。大连理工大学的内燃机研究所的穆海林在1996年经过分析了零维燃烧模型与准维燃烧模型后得出结论：计算所花费的功夫较短的是零维燃烧模型，但是它的缺陷同样也是明显的，无法考虑燃烧过程与柴油机喷油系统存在的耦合关系，所以对柴油机改型设计进行粗略的计算才能加以运用；计算所花费的功夫较长的则是准维燃烧模型，但它在普通的微机接受范围之内是可以涉及到燃烧过程与喷油系统之间的耦合关系，在柴油机性能预测与优化计算这片领域属于最佳可选方案^[3]。在2016年北京理工大学的彭倩提出了DOE和遗传算法相结合的准维燃烧模型校核的普遍方法，以一个两区准维燃烧模型作为参考对象，基于该准维燃烧模型的实际，研究了该准维燃烧模型中经验参数对燃烧过程的影响方式，得到了经验参数的取值区间，并采纳了DOE和遗传算法相结合的措施对该准维燃烧模型进行了校核^[4]。燃烧过程的数学模型是其中最为复杂同时也是最为重要的一个环节,是一个对于非定常、空间三维、运动界限的两相流动传热、传质、化学动力学交互作用的复杂过程所做出的数学模拟^[5]。最近，国外研制的高功率密度柴油机早已显示出了极高的科技程度，其中最为突出的代表则是是德国MTU公司的MT890系列柴油机，该系列柴油机的功率密度最高点能够到达92 KW/L，该种柴油机很明确的指明了了当今世界柴油机大致发展的方向^[6-9]。优化缸内燃油喷雾燃烧进程并改善其环境是柴油机的总体功能以及部分特性的基础所欠缺的部分，同时也是提高柴油机功率密度的要害所在^[10-11]。对于柴油机性能以往的优化方向大多是对于发动机的构造参数或运行参数对性能指标的影响，对考虑环境边界的燃烧模型经验参数优化较少^[12]。柴油机的燃烧过程所占的时间极短^[13],并且经常是流动的和扰动的，反应物和燃烧产物在同一个燃烧空间内^[14]。20世纪60年代以来，因为科技的进步，电子计算科技的快速发展，对于内燃机燃烧过程的模拟得到了关键性的提升，作为内燃机工作循环的一个重要阶段，燃烧进程对与内燃机的性能指标和有害废气排放浓度有极其关键的影响，所以关于燃烧过程的模拟优化显得极为重要，同时也极为受到欢迎^[15]。为了处理越演越烈的环境污染问题，严格的排放法规在各国政府的推动下相继出台，排放法规有效的限制发动机的排放物中所含的有害物质的含量。这些排放法规给内燃机的设计研究造成了极其深远的影响，间接地促进了新型燃烧模式的出现，如缸内直喷(GDI)和90年代提出的均质充量压燃（HCCI）等，这些技术同样也加快了对燃烧过程的研究^[16]。模拟仿真发动机燃烧过程慢慢的演变成为了一门重要的学科，同时也成为了对柴油机燃烧过程展开研究的有效手段，开辟了一条新路，通过燃烧理论来直接影响柴油机试验和设计工作的新途径^[17]。燃烧模型已经成为内燃机研究过程中的重要工具^[18]。基于热力学模型考虑喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺寸等因素，准维模型根据燃烧室火焰位置或者喷注空间的分布外形分成两个以上的区域，分别考虑喷雾分散、油滴蒸发、混合与卷吸、燃烧与火焰传播及已燃区燃烧产物变化等子过程，能够预测缸内各个区域的燃烧温度，并对于不同的机型侧重各自的子过程，使得放热率更靠近实际，并且能够从一定程度上预测有害排放物浓度，准维模型同样也能够在发动机性能的计算中起到作用，并从一定程度上预测排放结果，也经常来为多维模型提供初值^[19]。准维模型被用来剖析除燃烧室几何形态以外的构造、运转参数对柴油机的功用以及排放所造成的影响。此时，燃烧模型的意义不仅在于把发动机的主要控制参数与不同运行参数联系起来，而且还在于通过它与试验研究的结合可以具体确定模型中的经验常数，进而预测其它运行工况时的发动机性能^[20]。综上所述，在发动机设计、模型仿真优化等过程中，准维燃烧模型可以达到对计算时间和预测可达到的精度的要求条件，所以模型的应用范围十分广泛。使用该准维模型，可以计算单脉冲燃油喷射或者高压共轨多脉冲喷射发动机的紊流动能，混合率以及放热率，从而可以用于对喷油策略的验证和优化；在多脉冲喷射发动机中，可以采用该模型研究喷射系统参数（如油量和脉宽等）的变动对排放特性的影响规律；应用准维模型进行硬件在环仿真；也可以采用该模型进行发动机在瞬态工况下的燃烧特性研究^[21-22]。准维模型从70年代到80年代中后期，已经逐渐从研究阶段进入了实用化阶段，在内燃机设计和研究领域中逐步的演变成为了一种极为重要的研究工具^[23-25]。

1.3计算机软件模拟的优点

许多相互之间存在关联的参数决定了柴油机的性能参数。参数之间的关联性非常强，任意一个参数的变化就会导致其他参数发生变化。发动机的参数的性质分为两种，有工作参数和结构参数组成。充量系数、进气温度、排气温度、喷油提前角等等组成了工作参数，而缸径、压缩比、转速、行程、配气相位、进排气管的结构等等则构成了结构参数。结构参数的变化会导致工作参数的发生变化，这是由于工作参数取决于结构参数，从而造成发动机性能参数最终发生了变化。

为了研究并且优化柴油机的性能，工作人员在柴油机模拟软件被发明之前所进行的工作特别繁琐，需要对柴油机工作过程进行大量的假设和简化并且设置对照试验。他们完成任务的措施是通过自身的经验将大部分参数确定一个值，把柴油机工作过程中的几个特定的特征点挑出来，并对其进行剖析。虽然通过这种相对来说简化后的热力学计算过程能够得出定性分析，但出于无法获取柴油机缸内的燃烧过程、进排气系统中的热力学以及涡轮增压器匹配功能和传热流动过程的原因，所以这种研究方法显得特别粗糙，有许多研究要求不能得到满足。伴随着现代社会科技发展，柴油机性能不断地得到提升，出于传统台架发动机试验成本高昂，设计所需时间长，造成环境污染严重，没有能力快速满足市场需要的因素，所以研究柴油机途径也一直在不断地被前辈们进行革新。因为新的科技水平得到了提高，大容量的快速电子计算机和数据处理系统面世以后，拟燃烧工作过程在计算机上得到了实现。使用大容量计算机把柴油机热力过程以及工质流动输入计算机进行仿真计算，可以通过计算机模拟仿真技术来验证一组或者多组整机的综合性能参数的方案是否满足预定目标，这样才能给设计方案提供理论根据。其实，这种方法只是建立数学模型后对已有模型进行优化的方法。首先对需要进行优化的目标分析，将优化目标转变成一个求最优解的数学问题，然后对优化目标建立数学模型，再然后使用数学优化方法，将优化目标的数学模型进行求解并找寻最优解。这种建立优化模型后求最佳解的数学方法在计算机上运行一般被分解为三个步骤：第一步，从物理思维到数学思维的过程（根据实际现行存在的物理现象、环境条件和边界条件，将其转变成为数学问题）；第二步，在数学范围内的数学变换（以创建的模型为基础，用物理条件之间的关联性建立相对应的微分方程组，然后求解得到变化过程中的各个参数的情况）；第三步，从数学再回归到物理（从第一步的物理作为背景，赋予计算的数学结果以物理意义，并判别它能否符合物理系统的真实状况，然后进行输出）。现如今，计算机上的仿真模拟技术已经被普遍的使用于各个领域，随之发展而来的则是各式各样的计算机仿真建模软件，如：GT-POWER、BOOST、CFD、CARSIM、ANSYS、GT-DRIVE等等。本文运用了GT-POWER软件来对六缸柴油发动机进行模拟仿真。GT-POWER运用的有限体积法来对流体进行计算，软件主动计算步长，GT-POWER拥有十分强大的辅佐建模前处理的工具，而且GT-POWER还带有各种的燃烧模型以及多种多样的控制功能，而且能与SIMULINK进行耦合求解，还能跟三维的CFD软件进行耦合计算。GT-POWER本身的功能就带有优化设计，能够直接进行优化、DOE设计/优化，能进行针对进、排气系统的噪音问题进行剖析，还可以对进、排气系统的消音元件进行构造的优化。GT-POWER软件富含了非常强大的功用,但同样的，GT-POWER软件的应用对使用者的专业背景也有了更高的要求，它会要求用户更加细致的设置一些模块的参数。GT-POWER的一般计算流程如图1.1所示。