高压缩比机车柴油机配气正时优化计算.pdf

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1、第３期（总第２０２期）机械工程与自动化No．３２０１７年６月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONJun．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０３‐００２５‐０３高压缩比机车柴油机配气正时优化计算１１２１俞水良，吕晨，符惠龙，乔启峰（１．同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海２０１８０４；２．上海汽车工业集团，上海２０１８０４）摘要：机车柴油机缸内的气体流动研究主要以传统的实验方法为主，这种方法的缺点是对工程技术人员的经验要求很高，实验周期长，成本高昂。利用GT‐Po

2、wer搭建了GE高压缩比增压柴油机的仿真平台，其中包括１６缸模型、进排气管路模型、涡轮增压器模型和中冷器模型；并提出利用GT‐Power软件自带的DOE（DesignofExperiments）优化模块，同时对进、排气正时角进行优化，缩短了计算时间，使得进、排气配气相位得到较好的匹配。关键词：机车柴油机；配气正时；数值计算；性能优化中图分类号：TP３９１畅７文献标识码：A0引言型、进排气模型、增压器中冷模型、配气机构、喷油器以随着环境形势越来越严峻，对机车柴油机的经济及相应的边界条件模型。性能和动

3、力性能要求也越来越高。配气正时对机车柴油机的进、排气过程有着极为重要的影响，对燃烧过程的好坏起着至关重要的作用，直接影响柴油机的动力性、经济性、排放性。为了改善机车柴油机性能，使用计算仿真软件对高压缩比柴油机的工作过程进行相应的模拟计算，将有助于深入了解各参数对发动机性能的影响，从而进一步提高中速大功率柴油机的整体性能，缩短开发周期，以适应目前我国铁路的快速发展需要。图１高压缩比机车柴油机整机模型示意图1整机计算模型的建立与验证１．３模型的验证１．１整机结构将原型机提供的主要参数及相应的边界条件输

4、入本文的研究对象为GE大功率高压缩比机车用柴到模型各个模块，对搭建的模型正确性进行验证。原油机，具备一般大型柴油机的基本特点，为１６缸V型布型机的主要参数见表１，原型机所采用的喷油泵为高置结构，总排量高达２５１．８L，外形尺寸为长５１０５mm、压共轨喷油泵。宽１７７１mm、高２６０３mm，其重量达到２４８５７kg。１．２计算模型的建立建立柴油机的数值计算模型，具体内容可分为建立基本柴油机模型、进气系统模型、排气系统模型和增压器模型四部分。图１为高压缩比机车柴油机整机模型示意图。从图１可以看出，在G

5、E大功率高压缩比柴油机的工作过程中，气体工质的流动路线：进气过程：大气→空气滤清器→增压器压气机→扩散弯管→空气冷却器→收敛弯管→进气稳压箱→进气支管→气缸盖→进气道→进气门→气缸。排气过程：气缸排气门→气缸盖→排气道→排气支管→排气总管→增压器涡轮机→大气。图２高压缩比机车柴油机整机仿真模型根据发动机的实际结构以及工质工作过程，利用配气系统为四气门形式，气门直径８２mm，气门GT‐Power建立的仿真模型如图２所示，包括缸内模间隙０．４２mm；配气相位：进气门开于上止点前收稿日期：２０１６‐１０

6、‐１３；修订日期：２０１７‐０３‐１２作者简介：俞水良（１９６５‐），男，浙江嘉兴人，副教授，博士，主要从事内燃机的研究。·２６·机械工程与自动化２０１７年第３期５９°（CA），进气门关于下止点后４４°（CA），排气门开定转速为１０５０r／min时的点图。于下止点前５８°（CA），排气门关于上止点后５４°本文研究的GE大功率高压缩比机车柴油机，其（CA）；发火顺序为A１→B１２→A５→B１０→A７→B１４→压缩比高达１６．８，缸内最高燃烧压力达到１８MPa左A３→B９→A８→B１３→A４→B１５→

7、A２→B１１→A６→B１６。右，通过模拟仿真计算得到的缸内最高燃烧压力值为表１整机主要参数１８．３MPa，这与给定值基本吻合，缸内的压力随曲轴参数数值转角的变化曲线和缸内p－V关系曲线分别如图５和气缸数１６图６所示，图中的压力零线为绝对压力。V型夹角（°）４５气缸直径（mm）２５０表２是额定转速n＝１０５０r／min时仿真结果与给活塞行程（mm）３２０定参数的比较。从表２可以发现最大误差不超过连杆长度（mm）６７５４％，表明所建立的１６缸柴油机数值计算模型具有较活塞销偏离气缸中心线距离（mm）０高

8、的可靠性和计算精度，可以用于柴油机相关参数的压缩比１６．８气缸盖上凹面高度（mm）０．５优化计算。喷油提前角［（°）CA］－１０喷油起始压力（MPa）７５．５燃油低热值（J／kg）４３２５００００燃油温度（K）１２００燃油密度（kg／m３）８３０滞燃期［（°）CA］９预燃期［（°）CA］１７主燃期［（°）CA］２６后燃期［（°）CA］３０图３和图４分别为有效功率和有效燃油消耗在额图３有效功率随转速变化点图图４燃油消耗随转速变化点图图５缸内压力随曲轴转角变化曲线图６p－V关系曲线2配