CN105512412A - 一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，包括下述步骤：建立发动机性能仿真模型；将实测的排气系统对应的性能参数输入仿真模型进行仿真迭代，并提取仿真结果；根据提取的仿真结果分别计算排气管系可用能传递效率和涡轮可用能利用效率，并由此获得排气有效性指标；根据排气有效性指标的大小，或对不同排气系统的排气有效性指标大小的比较，评价增压发动机排气系统匹配的优劣；其中，不同排气系统的排气有效性指标可通过分别对每一排气系统进行步骤S2和S3的操作获得。本发明创造能够在整机性能设计阶段对排气系统的匹配优劣做出评价，更好地指导排气系统的选型和各部件的结构设计。

Description

一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法

技术领域

本发明创造属于内燃机设计技术领域，具体涉及一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法。

背景技术

由于气体的沿程阻力损失、局部阻力损失和热阻、热漏等不可逆因素的存在，沿着气体的流动方向，气体对涡轮的做功能力逐渐减小，因此，排气系统的设计优劣影响发动机的排气能量传递和涡轮对可用能的利用程度，进而影响整机的性能。传统的排气系统匹配设计局限于只关注排气管路与发动机的匹配，或者增压器与发动机的匹配，并不能综合评价整个排气系统的热力学完善性。

发明内容

针对传统评价方法的局限性，本发明创造提供一种更加合理而全面的排气系统匹配优劣的评价方法，基于计算机仿真和可用能分析，能够在整机性能设计阶段对排气系统的匹配优劣做出评价，可以更好地指导排气系统的选型和各部件的结构设计。

本发明创造提供的一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，包括下述步骤：

S1：建立发动机性能仿真模型；

S2：将实测的排气系统对应的性能参数输入仿真模型进行仿真迭代，并提取仿真结果；

S3：根据提取的仿真结果分别计算排气管系可用能传递效率(η_EA)和涡轮可用能利用效率(η_TA)，并由此获得排气有效性指标(K)；

S4：根据排气有效性指标(K)的大小，或对不同排气系统的排气有效性指标(K)大小的比较，评价增压发动机排气系统匹配的优劣；其中，不同排气系统的排气有效性指标(K)可通过分别对每一排气系统进行步骤S2和S3的操作获得。

进一步，所述步骤S1的发动机性能仿真模型可采用常规的仿真模型建立手段和常规的计算机仿真软件建立，如采用GT-POWER商业软件，具体地包括下述步骤：

S1-1：确定发动机结构和性能参数；

S1-2：采集发动机台架试验数据；

S1-3：初步建立GT-POWER发动机性能仿真模型；

S1-4：对初步建立的GT-POWER发动机性能仿真模型进行标定，获得所需的发动机性能仿真模型。

进一步，所述步骤S1-1中，所述的发动机结构参数包括发动机气缸结构参数、进排气道结构参数、进排气门结构参数、进排气管路结构参数、喷油器结构参数以及发动机转速和负荷，其中，进排气道结构参数、进排气管路结构参数通过GT-POWER软件自带的GEM3D工具将事先导入的Pro-E三维模型离散后获得。

进一步，所述步骤S1-3中，初步建立的所述GT-POWER发动机性能仿真模型均为GT-POWER发动机一维性能仿真模型，具体为建立发动机各个组成部分的模型，包括环境模型、增压器模型、中冷器模型、进排气管系模型、气缸模型、喷油器模型、曲轴箱模型、进排气阀模型、燃烧模型、缸内传热模型、管路壁面传热模型、摩擦模型等。

进一步，所述步骤S1-4中，对初步建立的GT-POWER发动机性能仿真模型进行的标定，包括使功率、扭矩、有效燃油消耗率、空气流量、压后温度、中冷后压力、涡前排温、爆压及爆压对应曲轴转角的计算值与试验值偏差控制在3％以内，使进气阶段和压缩阶段的缸压计算值与试验值偏差控制在5％以内。

进一步，所述步骤S3中排气管系可用能传递效率(η_EA)的计算方法如式(1)所示：

${\mathrm{\η}}_{EA}=\frac{W_{EA}}{W_{EA,\max }}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{m}_{in-i}\·\[c_p\left(T_{in-i}-T_0\right)\]-m_{out}\·\[c_p\left(T_{out}-T_0\right)\]+\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(m_{in-i}\·{c_{in-i}}^2\right)-\frac{1}{2}\left(m_{out}\·{c_{out}}^2\right)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left\{m_{in-i}\·\[c_p\left(T_{in-i}-T_0\right)-T_0\left(c_p\ln \frac{T_{in-i}}{T_0}-R_g\ln \frac{p_{in-i}}{p_0}\right)\]\right\}-m_{out}\·\[c_p\left(T_{out}-T_0\right)-T_0\left(c_p\ln \frac{T_{out}}{T_0}-R_g\ln \frac{p_{out}}{p_0}\right)\]+\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(m_{in-i}\·{c_{in-i}}^2\right)-\frac{1}{2}\left(m_{out}\·{c_{out}}^2\right)}---\left(1\right)$

式(1)中：n为发动机缸数，m_in-i为第i缸排气歧管进口界面的质量流量，T_in-i为第i缸排气歧管进口界面的温度，p_in-i为第i缸排气歧管进口界面的压力，c_in-i为第i缸排气歧管进口界面的排气流速，m_out为整个排气管路出口界面的质量流量，T_out为整个排气管路出口界面的温度，p_out为整个排气管路出口界面的压力，c_out为整个排气系统出口界面的排气流速，T₀为环境状态的温度，p₀为环境状态的压力；W_EA为涡轮进口可用能；W_EA,max为排气可用能；

所述步骤S3中涡轮可用能利用效率(η_TA)的计算方法如式(2)所示：

${\mathrm{\η}}_{TA}=\frac{W_{TA}}{W_{TA,\max }}=\frac{m_{in}\·\[c_p\left(T_{in}-T_0\right)\]-m_{out}\·\[c_p\left(T_{out}-T_0\right)\]+\frac{1}{2}\left(m_{in}\·{c_{in}}^2-m_{out}{c_{out}}^2\right)}{m_{in}\·\[c_p\left(T_{in}-T_0\right)-T_0\left(c_p\ln \frac{T_{in}}{T_0}-R_g\ln \frac{p_{in}}{p_0}\right)\]-m_{out}\·\[c_p\left(T_{out}-T_0\right)-T_0\left(c_p\ln \frac{T_{out}}{T_0}-R_g\ln \frac{p_{out}}{p_0}\right)\]+\frac{1}{2}\left(m_{in}\·{c_{in}}^2-m_{out}\·{c_{out}}^2\right)}---\left(2\right)$

式(2)中：m_in为涡轮进口界面的质量流量，T_in为涡轮进口界面的温度，p_in为涡轮进口界面的压力，c_in为涡轮进口界面的排气流速，m_out为涡轮出口界面的质量流量，T_out为涡轮出口界面的温度，p_out为涡轮出口界面的压力，c_out为涡轮出口界面的排气流速，T₀为环境状态的温度，p₀为环境状态的压力；W_TA为涡轮实际输出的有用功；W_TA,max为涡轮能够输出的最大有用功；

所述步骤S3中排气有效性指标(K)的计算方法如式(3)所示：

K＝η_EA·η_TA(3)。

本发明创造的方法可以全面评估排气系统与发动机匹配的优劣，能够直接反映可用能利用程度和各部件可用能传递效率，从而更好地指导排气系统的选型和各部件的结构设计。

具体实施方式

下面通过结合具体实施例对本发明创造进行进一步说明，仅对本发明做示例性描述，并不用于限制本发明。

以某6V增压柴油机为例，在确定发动机结构和性能参数、并采集发动机台架试验数据后，采用GT-POWER商业软件初步建立GT-POWER发动机性能仿真模型，通过已获得的数据完成对初步建立的GT-POWER发动机性能仿真模型进行标定，使得整机外特性的功率、扭矩、有效燃油消耗率、空气流量、压后温度、中冷后压力、涡前排温、爆压及爆压对应曲轴转角的仿真计算结果与试验值的偏差≤3％，进气阶段和压缩阶段的缸压仿真计算结果与试验值偏差≤5％，进而保证仿真模型的预测精度。

其次，进行整机在标定工况下实测的排气系统对应的性能参数输入仿真模型进行仿真迭代，提取仿真结果中的用于计算是(1)和式(2)的相关热力学参数，并进行计算得到：

改进前的脉冲(PC)排气系统，其排气可用能W_EA,max为440.1kW、涡轮进口可用能W_EA为384.2kW、涡轮能够输出的最大有用功W_TA,max为192.2kW、涡轮实际输出的有用功W_TA为170kW、排气管系可用能传递效率η_EA为0.873、涡轮可用能利用效率η_TA为0.8845、排气有效性指标K为0.772；

改进后的MPC排气系统，其排气可用能W_EA,max为424.7kW、涡轮进口可用能W_EA为381.3kW、涡轮能够输出的最大有用功W_TA,max为185.1kW、涡轮实际输出的有用功W_TA为167kW、排气管系可用能传递效率η_EA为0.8978、涡轮可用能利用效率η_TA为0.9022、排气有效性指标K为0.81。

最后，通过比较排气系统改进前后对应的排气有效性指标，结果表明，与改进前的PC排气系统相比，改进后的MPC排气系统其热力学完善性更好，与该柴油机的匹配更优。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，包括下述步骤：

S1：建立发动机性能仿真模型；

S2：将实测的排气系统对应的性能参数输入仿真模型进行仿真迭代，并提取仿真结果；

S3：根据提取的仿真结果分别计算排气管系可用能传递效率(η_EA)和涡轮可用能利用效率(η_TA)，并由此获得排气有效性指标(K)；

S4：根据排气有效性指标(K)的大小，或对不同排气系统的排气有效性指标(K)大小的比较，评价增压发动机排气系统匹配的优劣；其中，不同排气系统的排气有效性指标(K)可通过分别对每一排气系统进行步骤S2和S3的操作获得。

2.根据权利要求1所述的一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，其特征在于，所述步骤S1包括下述步骤：

S1-1：确定发动机结构和性能参数；

S1-2：采集发动机台架试验数据；

S1-3：初步建立发动机性能GT-POWER仿真模型；

S1-4：对初步建立的GT-POWER发动机性能仿真模型进行标定，获得所需的发动机性能仿真模型。

3.根据权利要求2所述的一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，其特征在于，所述步骤S1-1中，所述的发动机结构参数包括发动机气缸结构参数、进排气道结构参数、进排气门结构参数、进排气管路结构参数、喷油器结构参数以及发动机转速和负荷，其中，进排气道结构参数、进排气管路结构参数、进排气道结构参数通过GT-POWER软件自带的GEM3D工具将事先导入的Pro-E三维模型离散后获得。

4.根据权利要求2所述的一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，其特征在于，所述步骤S1-3中，初步建立的所述GT-POWER发动机性能仿真模型包括环境模型、增压器模型、中冷器模型、进排气管系模型、气缸模型、喷油器模型、曲轴箱模型、进排气阀模型、燃烧模型、缸内传热模型、管路壁面传热模型、摩擦模型。

5.根据权利要求2所述的一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，其特征在于，所述步骤S1-4中，对初步建立的GT-POWER发动机性能仿真模型进行的标定，包括使功率、扭矩、有效燃油消耗率、空气流量、压后温度、中冷后压力、涡前排温、爆压及爆压对应曲轴转角的计算值与试验值偏差控制在3％以内，使进气阶段和压缩阶段的缸压计算值与试验值偏差控制在5％以内。

6.根据权利要求1所述的一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，其特征在于，所述步骤S3中排气管系可用能传递效率(η_EA)的计算方法如式(1)所示：

${\mathrm{\η}}_{EA}=\frac{W_{EA}}{W_{EA,\max }}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{m}_{in-i}\·\[c_p\left(T_{in-i}-T_0\right)\]-m_{out}\·\[c_p\left(T_{out}-T_0\right)\]+\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\left(m_{in-i}\·{c_{in-i}}^2\right)-\frac{1}{2}\left(m_{out}\·{c_{out}}^2\right)}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\left\{m_{in-i}\·\[c_p\left(T_{in-i}-T_0\right)-T_0\left(c_p\ln \frac{T_{in-i}}{T_0}-R_g\ln \frac{p_{in-i}}{p_0}\right)\]\right\}-m_{out}\·\[c_p\left(T_{out}-T_0\right)-T_0\left(c_p\ln \frac{T_{out}}{T_0}-R_g\ln \frac{p_{out}}{p_0}\right)\]+\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\left(m_{in-i}\·{c_{in-i}}^2\right)-\frac{1}{2}\left(m_{out}\·{c_{out}}^2\right)}---\left(1\right)$

式(1)中：n为发动机缸数，m_in-i为第i缸排气歧管进口界面的质量流量，T_in-i为第i缸排气歧管进口界面的温度，p_in-i为第i缸排气歧管进口界面的压力，c_in-i为第i缸排气歧管进口界面的排气流速，m_out为整个排气管路出口界面的质量流量，T_out为整个排气管路出口界面的温度，p_out为整个排气管路出口界面的压力，c_out为整个排气系统出口界面的排气流速，T₀为环境状态的温度，p₀为环境状态的压力。

7.根据权利要求1所述的一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，其特征在于，所述步骤S3中涡轮可用能利用效率(η_TA)的计算方法如式(2)所示：

${\mathrm{\η}}_{TA}=\frac{W_{TA}}{W_{TA,max}}=\frac{m_{in}\·\[c_p(T_{in}-T_0)\]-m_{out}\·\[c_p(T_{out}-T_0)\]+\frac{1}{2}(m_{in}\·{c_{in}}^2-m_{out}\·{c_{out}}^2)}{m_{in}\·\[c_p(T_{in}-T_0)-T_0\left(c_p\ln \frac{T_{in}}{T_0}-R_g\ln \frac{p_{in}}{p_0}\right)\]-m_{out}\·\[c_p(T_{out}-T_0)-T_0\left(c_p\ln \frac{T_{out}}{T_0}-R_g\ln \frac{p_{out}}{p_0}\right)\]+\frac{1}{2}(m_{in}\·{c_{in}}^2-m_{out}\·{c_{out}}^2)}---\left(2\right)$

式(2)中：m_in为涡轮进口界面的质量流量，T_in为涡轮进口界面的温度，p_in为涡轮进口界面的压力，c_in为涡轮进口界面的排气流速，m_out为涡轮出口界面的质量流量，T_out为涡轮出口界面的温度，p_out为涡轮出口界面的压力，c_out为涡轮出口界面的排气流速，T₀为环境状态的温度，p₀为环境状态的压力。

8.根据权利要求1所述的一种增压发动机排气系统匹配优劣的评价方法，其特征在于，所述步骤S3中排气有效性指标(K)的计算方法如式(3)所示：

K＝η_EA·η_TA(3)。