柴油機(jī)壓縮行程中的壓縮特性分析

柴油機(jī)壓縮行程中的壓縮特性分析

在壓縮期間，展臺(tái)以壓縮空氣為標(biāo)志，表示工藝質(zhì)量的體積變化。該值的大小直接影響工作效率、平均有效壓力和充電率。在整個(gè)研究過(guò)程中:一方面,從理論的角度定性分析了柴油機(jī)壓縮比對(duì)整機(jī)性能參數(shù)的影響關(guān)系;另一方面,從模擬計(jì)算的角度,以WD615柴油機(jī)為例定量研究柴油機(jī)壓縮比對(duì)其主要性能參數(shù)的影響以及其變化規(guī)律,并找出其最佳的匹配點(diǎn)。本文對(duì)這些相互之間影響關(guān)系和變化規(guī)律作了系統(tǒng)的分析,以便了解壓縮比對(duì)柴油機(jī)性能的影響,從而為確定燃燒室系統(tǒng)的型式和整機(jī)的匹配提供依據(jù)。1理論分析1.1殘余廢氣系數(shù)內(nèi)燃機(jī)換氣過(guò)程的主要任務(wù)是盡量排除氣缸內(nèi)的廢氣并盡可能多的充入新鮮工質(zhì),每循環(huán)進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮工質(zhì)的量愈多,燃燒才能愈完全,以保證內(nèi)燃機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩。由柴油機(jī)原理可知,壓縮比與充氣效率和殘余廢氣系數(shù)的關(guān)系為ηv=ξεε?1?Tsps?paTa?11+γ(1)ηv=ξεε-1?Τsps?paΤa?11+γ(1)γ=ερrξερa(bǔ)?ρr(2)γ=ερrξερa(bǔ)-ρr(2)式中,ηv為充氣效率;γ為殘余廢氣系數(shù);ρr為殘余廢氣密度;ρa(bǔ),Ta,pa為進(jìn)氣終了缸內(nèi)氣體的密度、溫度和壓力;Ts,ps為進(jìn)氣狀態(tài)下的溫度和壓力;ξ為補(bǔ)償進(jìn)氣比。由(1)、(2)式可見(jiàn),壓縮比減小,余隙容積增加,殘余廢氣的相對(duì)量隨之增加,充氣效率降低,而廢氣系數(shù)增大,每循環(huán)的實(shí)際新鮮進(jìn)氣量減少,過(guò)量空氣系數(shù)下降,換氣質(zhì)量變差,在柴油機(jī)大負(fù)荷時(shí)燃燒會(huì)不完全,甚至冒黑煙。1.2tm理論循環(huán)效率計(jì)算在內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)中,根據(jù)加熱方式的不同可分為定容加熱、定壓加熱和混合加熱三種循環(huán),其中混合加熱循環(huán)的理論循環(huán)熱效率和平均有效壓力的關(guān)系式為ηtm=1?1εk?1?λρk?1(λ?1)+kλ(ρ?1)(3)ηtm=1-1εk-1?λρk-1(λ-1)+kλ(ρ-1)(3)ptm=εkε?1?pak?1[(λ?1)+kλ(ρ?1)]?ηtm(4)ptm=εkε-1?pak-1[(λ-1)+kλ(ρ-1)]?ηtm(4)式中,ηtm為理論循環(huán)熱效率;ptm理論循環(huán)平均有效壓力;ε為壓縮比;λ為壓力升高比;ρ為預(yù)膨脹比;k為絕熱指數(shù);pa為壓縮始點(diǎn)壓力。在其他參數(shù)不變的情況下,(3)、(4)式有ηtm=1?c1εk?1(5)ηtm=1-c1εk-1(5)ptm=c2εkε?1ηtm(6)ptm=c2εkε-1ηtm(6)式中,c1,c2均為常數(shù)。由(5)、(6)式可以看出,隨著壓縮比的增大,可以提高循環(huán)平均吸熱溫度,降低平均放熱溫度,擴(kuò)大循環(huán)溫差,增大膨脹比,循環(huán)熱效率和平均有效壓力均增大,提高了理論循環(huán)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。1.3壓縮終壓機(jī)裝置的工作原理在燃燒過(guò)程中,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力以及壓力升高率取決于兩個(gè)因素:一是著火延遲時(shí)間;另一個(gè)是著火延遲期內(nèi)噴入氣缸的燃油量?？s短延遲時(shí)間以及減少延遲期內(nèi)的噴油量可以控制燃燒最大爆發(fā)壓力和壓力升高率,而著火延遲期又受壓縮終了氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度的影響。壓縮終了氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度愈低,著火延遲期愈長(zhǎng),燃燒品質(zhì)差,工作粗暴。壓縮比直接影響著壓縮終了氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度,具體的關(guān)系式為Tc=Taεn-1(7)pc=paεn(8)式中,pa,Ta為進(jìn)氣終了氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度;pc,Tc為壓縮終了氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度;n為氣缸內(nèi)工質(zhì)的多變指數(shù)。由(7)、(8)式可以看出,壓縮比減小,壓縮終了氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度降低,從而延長(zhǎng)了著火延遲期,影響柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和啟動(dòng)性。2模擬計(jì)算2.1冷柴油性能模擬計(jì)算為了更準(zhǔn)確地分析研究柴油機(jī)的壓縮比對(duì)其整機(jī)性能的影響情況,在研究過(guò)程中采用AVL開(kāi)發(fā)的柴油機(jī)性能、管系分析軟件Boost對(duì)WD615增壓中冷柴油機(jī)性能模擬計(jì)算。先根據(jù)試驗(yàn)獲得的基本性能數(shù)據(jù),結(jié)合該機(jī)的一些主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),分別計(jì)算出最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和標(biāo)定點(diǎn)柴油機(jī)的性能參數(shù);通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,獲得上述轉(zhuǎn)速點(diǎn)的整機(jī)性能參數(shù)。對(duì)WD615選擇其最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)(1600r/min)為匹配點(diǎn),并結(jié)合6缸增壓柴油機(jī)的特點(diǎn)采用了三脈沖增壓系統(tǒng),較好地利用了排氣能量。根據(jù)WD615的結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)測(cè)得的性能參數(shù),采用Boost軟件的前處理程序建立計(jì)算模型,如圖1所示。2.2轉(zhuǎn)速點(diǎn)的性能根據(jù)原機(jī)試驗(yàn)獲得的基本性能參數(shù),結(jié)合該機(jī)的一些主要結(jié)構(gòu)參數(shù),分別計(jì)算出最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和標(biāo)定點(diǎn)柴油機(jī)的性能參數(shù),并通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,獲得上述轉(zhuǎn)速點(diǎn)的整機(jī)性能參數(shù);在此基礎(chǔ)上,以最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)為匹配點(diǎn),標(biāo)定點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)對(duì)比優(yōu)化計(jì)算,得出不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該機(jī)性能的影響,從而為整機(jī)匹配和性能改進(jìn)提供依據(jù)。2.2.1原機(jī)性能模擬計(jì)算利用建立的計(jì)算模型,選取最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)(1600r/min)和標(biāo)定點(diǎn)(2200r/min)進(jìn)行原機(jī)性能模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表1。2.2.2信噪比的影響增壓柴油機(jī)隨著進(jìn)氣壓力的提高,最高燃燒壓力pmax和壓力升高率λp也隨之增加。為降低機(jī)械負(fù)荷,一般采用較小的壓縮比,但壓縮比過(guò)小,對(duì)于柴油機(jī)的燃燒性能和冷啟動(dòng)不利,因此,需要綜合考慮這兩方面的因素,進(jìn)行優(yōu)化折中。圖2～圖4為WD615在1600r/min時(shí),不同壓縮比條件下的柴油機(jī)性能變化規(guī)律。對(duì)燃燒室形狀進(jìn)行優(yōu)化,有必要了解壓縮比的變化對(duì)整機(jī)性能的具體影響程度:由圖2可知,壓縮比從14.5變化到16.5的過(guò)程中,柴油機(jī)的pmax和Pe均呈上升趨勢(shì),且壓縮比每增加0.5,最高燃燒壓力約增加0.5MPa。由圖3可知,壓縮比的增大能改善燃燒,提高柴油機(jī)的功率,提高燃燒始點(diǎn)的溫度,排氣溫度略有下降。這說(shuō)明提高壓縮比還能改善柴油機(jī)的熱負(fù)荷。由圖4可知,壓縮比的增大能降低燃油消耗率,壓縮比從14.5變化到16.5的過(guò)程中每增加0.5,燃油消耗率約降低1g/(kW·h)。綜上所述,WD615的最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)(1600r/min)附近,通過(guò)性能模擬計(jì)算表明,壓縮比為16(限值)時(shí),最高爆發(fā)壓力達(dá)13.4MPa;而原機(jī)壓縮比為15.5,最高爆發(fā)壓力為12.95MPa,距離限值13.5MPa并無(wú)太大的提升空間。因此,原機(jī)在采用原有的燃燒室形狀和噴油系統(tǒng)的條件下,己無(wú)法進(jìn)一步提高壓縮比來(lái)改善其燃燒品質(zhì)和冷啟動(dòng)性能,降低燃油消耗率。3主要性能參數(shù)的確定壓縮比作為柴油機(jī)燃燒室的形狀參數(shù),對(duì)整機(jī)熱力過(guò)程的影響至關(guān)重要。合理設(shè)