柴油機壓縮行程中的壓縮特性分析

柴油機壓縮行程中的壓縮特性分析

在壓縮期間，展臺以壓縮空氣為標志，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。在整個研究過程中:一方面,從理論的角度定性分析了柴油機壓縮比對整機性能參數(shù)的影響關(guān)系;另一方面,從模擬計算的角度,以WD615柴油機為例定量研究柴油機壓縮比對其主要性能參數(shù)的影響以及其變化規(guī)律,并找出其最佳的匹配點。本文對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,以便了解壓縮比對柴油機性能的影響,從而為確定燃燒室系統(tǒng)的型式和整機的匹配提供依據(jù)。1理論分析1.1殘余廢氣系數(shù)內(nèi)燃機換氣過程的主要任務(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)燃機的功率和轉(zhuǎn)矩。由柴油機原理可知,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?ρr(2)γ=ερrξερa-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,Ta,pa為進氣終了缸內(nèi)氣體的密度、溫度和壓力;Ts,ps為進氣狀態(tài)下的溫度和壓力;ξ為補償進氣比。由(1)、(2)式可見,壓縮比減小,余隙容積增加,殘余廢氣的相對量隨之增加,充氣效率降低,而廢氣系數(shù)增大,每循環(huán)的實際新鮮進氣量減少,過量空氣系數(shù)下降,換氣質(zhì)量變差,在柴油機大負荷時燃燒會不完全,甚至冒黑煙。1.2tm理論循環(huán)效率計算在內(nèi)燃機理論循環(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)濟性和動力性。1.3壓縮終壓機裝置的工作原理在燃燒過程中,缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力以及壓力升高率取決于兩個因素:一是著火延遲時間;另一個是著火延遲期內(nèi)噴入氣缸的燃油量。縮短延遲時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,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,從而延長了著火延遲期,影響柴油機運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和啟動性。2模擬計算2.1冷柴油性能模擬計算為了更準確地分析研究柴油機的壓縮比對其整機性能的影響情況,在研究過程中采用AVL開發(fā)的柴油機性能、管系分析軟件Boost對WD615增壓中冷柴油機性能模擬計算。先根據(jù)試驗獲得的基本性能數(shù)據(jù),結(jié)合該機的一些主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),分別計算出最大轉(zhuǎn)矩點和標定點柴油機的性能參數(shù);通過與試驗數(shù)據(jù)的對比,獲得上述轉(zhuǎn)速點的整機性能參數(shù)。對WD615選擇其最大轉(zhuǎn)矩點(1600r/min)為匹配點,并結(jié)合6缸增壓柴油機的特點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)和試驗測得的性能參數(shù),采用Boost軟件的前處理程序建立計算模型,如圖1所示。2.2轉(zhuǎn)速點的性能根據(jù)原機試驗獲得的基本性能參數(shù),結(jié)合該機的一些主要結(jié)構(gòu)參數(shù),分別計算出最大轉(zhuǎn)矩點和標定點柴油機的性能參數(shù),并通過與試驗數(shù)據(jù)的對比,獲得上述轉(zhuǎn)速點的整機性能參數(shù);在此基礎(chǔ)上,以最大轉(zhuǎn)矩點為匹配點,標定點為參考點進行參數(shù)對比優(yōu)化計算,得出不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對該機性能的影響,從而為整機匹配和性能改進提供依據(jù)。2.2.1原機性能模擬計算利用建立的計算模型,選取最大轉(zhuǎn)矩點(1600r/min)和標定點(2200r/min)進行原機性能模擬計算。計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果的對比見表1。2.2.2信噪比的影響增壓柴油機隨著進氣壓力的提高,最高燃燒壓力pmax和壓力升高率λp也隨之增加。為降低機械負荷,一般采用較小的壓縮比,但壓縮比過小,對于柴油機的燃燒性能和冷啟動不利,因此,需要綜合考慮這兩方面的因素,進行優(yōu)化折中。圖2～圖4為WD615在1600r/min時,不同壓縮比條件下的柴油機性能變化規(guī)律。對燃燒室形狀進行優(yōu)化,有必要了解壓縮比的變化對整機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的過程中,柴油機的pmax和Pe均呈上升趨勢,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,提高柴油機的功率,提高燃燒始點的溫度,排氣溫度略有下降。這說明提高壓縮比還能改善柴油機的熱負荷。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(1600r/min)附近,通過性能模擬計算表明,壓縮比為16(限值)時,最高爆發(fā)壓力達13.4MPa;而原機壓縮比為15.5,最高爆發(fā)壓力為12.95MPa,距離限值13.5MPa并無太大的提升空間。因此,原機在采用原有的燃燒室形狀和噴油系統(tǒng)的條件下,己無法進一步提高壓縮比來改善其燃燒品質(zhì)和冷啟動性能,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燃燒室的形狀參數(shù),對整機熱力過程的影響至關(guān)重要。合理設(shè)