摘 要

柴油机广泛用于工业、农业、交通运输、国防建设等各个领域，其工作性能的关注伴随着柴油机的发展，进行柴油机工作过程的分析研究，对柴油机设计开发和性能优化有着重要的意义。

本文主要以某大功率柴油机对象，通过工作过程仿真软件，计算分析不同参数对柴油机性能的影响，研究其不同参数对柴油机动力性和经济性的影响规律，具体研究内容有：

（1）分析柴油机工作过程仿真理论和方法，利用GT-POWER一维仿真软件，建立柴油工作过程中各模块模型，并通过试验测试的数据验证其仿真模型的正确性；

（2）以配气相位、喷油相位和增压压比等相关参数为变化因子，分析不同参数变化时柴油机动力性和经济性等参数变化趋势和规律；

（3）针对进提前角及持续角、排气提前角及持续角、喷油提前角、增压压比等参数为变量，组建正交试验方案，分析多因素下柴油机动力性和经济性变化情况，得出最优性能匹配方案。

关键词：柴油机；GT-POWER；性能仿真；匹配方案

Abstract

Diesel engines are widely used in various fields such as industry, agriculture, transportation, national defense construction and so on. With the development of diesel engines, the attention to their working performance is of great significance to the design, development and performance optimization of diesel engines.

This paper mainly takes a high-power diesel engine as an object, calculates and analyzes the influence of different parameters on the performance of the diesel engine through working process simulation software, and studies the influence law of different parameters on the power and economy of the diesel engine. The specific research contents are as follows:

(1) Analyzing the theory and method of diesel engine working process simulation, using GP-POWER one-dimensional simulation software, establishing the model of each module in the diesel engine working process, and verifying the correctness of the simulation model through the test data;

(2) Relevant parameters such as the valve timing, fuel injection timing and boost pressure ratio are the change factors, and the change trends and laws of parameters such as diesel engine power and economy are analyzed when different parameters change;

(3) An orthogonal test scheme is established for the parameters such as intake advance angle and duration angle, exhaust advance angle and duration angle, injection advance angle, boost pressure ratio, etc. as variables, and the dynamic and economic changes of the diesel engine under multiple factors are analyzed to obtain the optimal performance matching scheme. Keywords: diesel engine, GT-POWER, performance simulation, matching schem

目录

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究内容和技术路线 3

1.3.1研究的主要内容 3

1.3.2研究的技术路线 4

1.4本章小结 5

第二章 柴油机气缸内热力过程的基本理论 6

2.1柴油机工作过程仿真计算方法介绍 6

2.2工作过程数值分析理论 6

2.2.1缸内热力过程的基本方程 6

2.2.2进排气阀的流量计算方程 10

2.2.3 进排气系统数学模型方程 11

2.2.4 中冷器模型方程 12

2.2.5废气涡轮增压器模型方程 12

2.3GT-POWER软件的介绍 15

2.3.1GT-POWER模板库 15

2.3.2GT-POWER的基本假设 15

2.3.3GT-POWER的仿真计算流程 15

2.4本章小结 16

第三章 大功率柴油机模型的建立 17

3.1大功率柴油机的主要技术参数 17

3.2柴油机模型的建立 17

3.2.1单缸机模型 17

3.2.2涡轮增压器模型设置 20

3.2.3中冷器模型建立 22

3.2.4整机柴油机模型 23

3.3模型的验证与误差分析 23

3.4性能仿真结果分析 25

3.5本章小结 26

第四章 大功率柴油机不同影响因素仿真分析 27

4.1不同影响因素取值设置 27

4.2单因素仿真分析 27

4.2.1进气提前角 27

4.2.2排气提前角 28

4.2.3喷油提前角 29

4.2.4增压压比 30

4.2.5进气持续期 31

4.2.6排气持续期 31

4.3多因素方案的仿真分析 32

4.4本章小结 34

第五章 结论与展望 35

5.1结论 35

5.2展望 35

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1研究目的及意义

柴油机是船舶上应用最多的动力装置，它是通过化学燃料的燃烧，实现热能转变成机械能。柴油机的热效率高，动力大，因此被广泛用于道路交通、船舶运输以及家用机械等各个领域。因此柴油机的研究对于经济发展有着重要意义。

柴油机的各项参数指标对工作总体性能有着重要的影响，且柴油机的各个参数之间相互关联，相互影响，一旦柴油机的某项参数发生变化，那么柴油机的其他参数也会发生相应变化，直接影响到整体性能的较大改变，这决定了柴油机研究过程的复杂性。

目前研究柴油机的工作过程有两种方法，即台架试验和数值模拟。其中，台架试验作为一种传统的研究方法，是柴油机理论研究的基础。然而，传统的研究方法存在着研发周期长、成本过高等缺点，很多数据也很难通过实验测量得到，因此实际的研究过程需要借助其他的方式。柴油机数值模拟随之发展起来，早在内燃机诞生的初期，便有科学家对内燃机工作过程模拟进行了研究，之后随着各种热力学理论的发展，各种简化模型也随之出现，例如用闭合系统来代替柴油机不稳定的开口系统、用等容定压来代替燃烧过程、用等容放热来代替实际的排气过程。在柴油机工作过程中，进排气过程、缸内工质混合和燃烧过程是柴油机设计和优化的基础，而传统的设计计算忽略了柴油机的换气过程、燃烧过程和传热过程，因此，为了保证计算结果更接近试验结果，柴油机的设计者们需要选择一系列的经验系数，依靠经验公式来研究柴油机的工作过程。但是这种计算方法是随机的，往往会造成很大的误差，并不能完全反映柴油机的实际工况。随着计算机技术的不断发展，各种柴油机仿真软件被应用于柴油机的过程分析，设计与性能优化。对于柴油机的模拟计算研究方法很多，但大致可分为三个步骤:第一步是简化模型添加假设条件，并将物理模型(气缸内工作过程、进排气管内压力变化、换热过程)表示为一系列的微分方程，进而建立相应的数学模型；第二步，使用数学方法求解联立微分方程，从而得到柴油机的各项参数变化规律。第三步，赋予计算结果以相应的物理意义，对比分析柴油机台架数据与仿真结果，验证模型是否可靠。相较于传统方法，柴油机工作过程仿真不仅可对设计工况点进行分析研究，还可以预测出非设计工况点的柴油机性能参数，并且可以根据环境参数的变化对柴油机性能变化做出预测。计算机仿真可以对研究柴油机的稳态过程和瞬态过程进行研究分析，观察柴油机的各种性能参数与柴油机结构参数、运行参数等的关系。除此之外，通过仿真研究柴油机的性能不光可以在柴油机的设计阶段就对各种设计方案进行对比分析，还可以在后期将柴油机的调试过程与测试技术结合起来，综合探究柴油机的参数调整方向。这些优点都是柴油机台架试验以及常规的热力计算所无法做到的。

同时，在柴油机不同参数对其工作过程研究方面，增压压比的变化会导致每循环的实际新鲜进气量发生变化,过量空气系数改变，进而影响燃烧效率,循环经济性和动力性也会改变；在燃烧过程中,喷油提前角的改变会影响缸内最大爆发压力以及压力升高率，排温也会有相应的变化，从而影响其做功和排放指标，同时喷油提前角对滞燃期有明显的影响,喷油过早或过晚均会对缸内气体最高温度、最高爆发压力以及换热损失等有较大影响；在配气正时方面，进气正时和排气正时以及其持续角的改变，会影响换气过程，以及可燃混合气以及其活塞做功冲程的进行,导致发动机动力性、经济性发生改变。因此进行柴油机增压压比、配气正时和喷油提前角等系统参数对柴油机性能影响分析，设计开发和性能优化具有重要意义。

1.2国内外研究现状

自从柴油机仿真模拟计算问世以来，很多研究人员便开始针对仿真软件本身的设计、柴油机内部的工作过程以及柴油机的整体性能优化展开了研究。这些极大地促进了柴油机产业的发展。

国外的许多学者进行了许多相关的研究，例如美国的Udayakumar,Roongta,A.针对柴油机各种过程的数学模型设定C程序，对柴油机各种工作过程进行了模拟。然后用柴油和混合有不同量二甲醚的燃料进行数值模拟，并将所得结果与纯柴油单独运行的发动机进行比较，分析不同性能参数下变化趋势^[1]。2011年IEEE会议上，Festila,R.Tulbure,V以简化形式介绍了一个基于状态向量偏导数矩阵和泰勒级数的研究柴油机工作过程模拟案例，对铁路用牵引的大功率柴油机进行建模和数值仿真，分析工作过程动力性变化规律^[2]。Md Nurun Nabi等人利用建立好的柴油机的不同系统的各种子模型，组合用于发动机性能和燃烧过程的热力学分析，最终得到了柴油机的最佳设计工况点^[3]。

我国柴油机工作过程仿真计算始于1970年，柴油机仿真计算研究经历了由简单的公式计算到通过各种模型对工作过程的各阶段进行计算。江苏科技大学的付伟伟利用GT-POWER软件对船用16PA6STC型柴油机进行建模与仿真计算并改变结构参数分析对柴油机工作指标和排放物的影响^[4]；中北大学的马富康等人从理论分析以及模拟计算的角度，定性定量的分析了柴油机压缩比与其工作参数的关系和对整机性能的影响规律，为柴油机的压缩比合理选择提供了理论基础^[5]；上海船用柴油机研究所的刘鹏飞以某柴油机为对象，缸盖、缸套热负荷为目标，通过建立柴油机工作过程仿真模型，分析研究燃烧室温度分布和换热系数变化情况，从而得到热负荷变化规律和评估标准^[6]；哈尔滨工程大学的王红红，徐武，李晓波利用AVL-BOOST对某大功率柴油机进行工作过程建模，通过改变压缩比，研究涡轮前后温度的变化，最高燃烧压力等^[7]；北京特种车辆研究所试验场的张晶，王宪成等利用GT-POWER对某柴油机进行仿真建模，研究喷雾模型修正对发动机仿真准确度的影响^[8]；江苏大学的李艳红利用AVL BOOST软件对251125型直喷式柴油机建立了工作过程模型,通过选用MATLAB和C语言提出了一种新的单目标多变量的优化方法对柴油机的压缩比和喷油提前角进行优化^[9]；天津大学的陈慧分别在单级增压和两级增压系统上研究了不同的 EGR 管路布置方式对于柴油机各项性能的影响，同时指出了优化前后柴油机燃烧放热参数及能量损失分配，并在优化了的 EGR 管路布置方式上对 EGR 管路尺寸开展优化，进一步提高柴油机热效率。最后从试验的角度对两种 EGR 的取气方式进行研究，验证改进 EGR 管路布置方式是否对柴油机热效率产生了改善^[10]。

上述研究对柴油机的工作过程仿真进行了具体计算，对某些因素参数影响柴油机性能情况进行了相应分析，但是大多属于单因素的数值分析性能优化^[11]。本次研究旨在对柴油机增压、配气和供油系统进行多种因素仿真，并以动力性和经济性为目标展开仿真计算，并在此基础上进行优化，对柴油机标定和优化方案的实施具有指导意义。

1.3研究内容和技术路线

1.3.1研究的主要内容

本文以某大功率柴油机为对象，根据该大功率柴油机的基本参数、结构和性能参数，利用GT-POWER建立其工作过程仿真模型，通过实测数据校验模型的正确性；在模型正确的基础上，对柴油机增压、配气和燃油系统参数进行仿真分析，分析其在不同参数变化下扭矩和燃油消耗率变化规律，评价柴油机动力性和经济性，具体研究内容有：

（1）仿真模型建立和验证

根据柴油机基本结构参数和性能参数，建立柴油机进排气系统、燃油系统、增压系统模块，分析研究燃烧过程模式，形成柴油机工作过程仿真模型，同时保证模型的收敛性；通过对仿真模型进行计算，获取柴油机的有效燃油消耗率、功率和示功图等数据，并与实测气缸压力和基本热力参数进行误差分析，通过参数的调整，验证模型的正确性。

（2）不同影响因素仿真分析

在模型正确的基础下，采用模型重构，分别改变柴油机的增压压比，配气正时，喷油提前角等不同影响因素，通过仿真计算，分析单个因素变化下柴油机的功率和燃油消耗率等性能参数的变化规律，指出参数的调整方向。

（3）影响规律分析和评价

对比分析不同增压、配气和燃油系统变化参数结果，提取扭矩和燃油消耗率随不同参数变化趋势图，分析研究考虑动力性和经济性单因素或多因素目标下增压、配气和燃油系统匹配方式，并对匹配结果进行分析评价。

1.3.2研究的技术路线

本论文以某大功率柴油机为研究对象，利用柴油机的相关结构参数和性能参数等，研究分析柴油机的各个工作模块，确定燃烧模型和传热模型，利用GT-POWER建立柴油机工作过程仿真模型，并进行模型的仿真计算，对比计算结果与实测数据，通过调整燃烧模型及传热参数等，保证计算结果与实测的柴油机基本数据处于合理误差范围之内。设定模型不同的压比、进气提前角、进气持续角、排气提前角、排气持续角和喷油提前角，进行不同影响因素下仿真计算，分别分析不同影响因素下的经济性与动力性性能参数的变化规律。以提高柴油机的工作性能（动力性和经济性）为目的，依托于上述分析结果，选择调整压比，配气正时及喷油提前角的匹配方案，得到柴油机的最佳工作方案，具体技术路线如图1.1所示。

图1.1 技术路线

1.4本章小结

本章介绍了柴油机设计计算的发展背景，阐述了柴油机从传统的数值计算到现在的计算机仿真模拟的发展历程，随后通过分析近年来国内外的研究状况，得出本文的研究意义以及目的，同时给出了本文的研究内容以及技术路线。

第二章 柴油机气缸内热力过程的基本理论

2.1柴油机工作过程仿真计算方法介绍

目前国内外柴油工作过程仿真计算方法主要有缸内数学模型的建立与仿真计算、基于专业软件工作过程仿真模型建立与分析。前者是通过柴油机进排气、缸内热力过程、增压器中冷等不同模块分析，建立数字方程，再通过发动机工作过程模型搭建完成其性能的仿真，该方法可以单独分析发动机各模块的数值方程，对于研究各部分的性能及修正具有较大的优势，但是其求解方程复杂和困难，应用不多。后者随着商业软件的开发应用越来越多，如基于GT-POWER和AVL boost等专业软件的柴油机工作过程仿真计算的应用，它是基于理论分析的模块化仿真方法，对不同类型柴油机和不同参数变化的仿真适应性较强。

2.2工作过程数值分析理论

柴油机的工作过程较为复杂，在实际的建模过程中，需要将柴油机分解为各个子系统，再分别对各个子系统做出假设，假设如下：

（1）工质状态均匀；

（2）工质为理想气体；

（3）气体流入/流出为准稳定流动过程，忽略流入/流出的动能；

（4）忽略进气系统内压力和温度波动的影响；

（5）缸内工质在封闭过程无泄露；

柴油机工作过程仿真由缸内热力过程、进排气过程和增压中冷等子系统组成。

2.2.1缸内热力过程的基本方程

实际柴油机的缸内工作过程十分复杂，建立数学模型时需要先对缸内的工作过程进行简化，再用各组微分方程进行描述。

（1）能量守恒方程

根据热力学第一定律，得到缸内工作过程的能量守恒方程：

（2-1）

其中，U表示缸内工质内能，kJ/kmol表示燃料燃烧的放热量，kJ；V表示气缸内的工作容积，L；表示进入缸内的新鲜气体的比焓，J/kg；m表示进入缸内的新鲜气体的质量，kg；表示缸内工质传给气缸诸壁面的热量表示排出缸内的废气的比焓，J/kg；表示排出缸内的废气的质量，kg表示曲柄转角，°/CA。

根据柴油机工作过程的假设条件，经过化简，可以将上式表达为：

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