CN117236086A - 一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，属于发动机技术领域，基于柴油机领域爆发压力、活塞平均速度、增压压力可实现的技术水平，快速准确地预测不同缸径柴油机最高强化程度时功率水平、扭矩水平和转速大小，解决柴油机强化升级前无法预知强化后柴油机的性能水平，强化时盲目改造柴油机的问题，为柴油机强化升级提供思路，同时预测出的柴油机性能值可作为柴油机性能指标参考，整个过程技术手段简单可行，对技术人员的要求较低。

Description

一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，尤其是涉及一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法。

背景技术

为了满足移动载具对功率、扭矩的进一步需求，常常在其原有的发动机，如柴油机或汽油机的基础上进行强化升级，以提高发动机的性能输出。现有柴油机强化的技术手段主要有以下几方面，第一，增大进气压力，采用多级涡轮增压系统回收废气的能量，提高柴油机的进气压力，从而增大进气密度，增大循环喷油量；第二，提升柴油机机构强度，使柴油机能够承受更高的爆发压力；第三，适当的提升活塞平均速度，以提高柴油机的转速，以增大柴油机单位时间内的做功量。但是，对现有柴油机强化升级的过程中十分考验工程师的技术水平，并且盲目地对柴油机进行强化带来柴油机性能提升可能不大，甚至还可能会导致性能的下降，此外，柴油机强化升级前，如果能够快速准确地预测出柴油机强化升级后的性能水平，则能够为后期柴油机性能验证提供指标依据。然而，目前尚未公开过一套完整、详细的预测不同缸径柴油机最高强化程度的方法，预测不同缸径柴油机的强化程度对于一般技术人员来说比较困难。因此，亟需一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法来解决柴油机强化升级前无法预知强化后柴油机的性能水平、强化时盲目改造柴油机的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，解决现有技术存在的柴油机强化升级前无法预知强化后柴油机的性能水平，强化时盲目改造柴油机的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，包括以下步骤：

步骤1、基于GT-SUITE软件构建柴油机的热力学仿真模型，根据原有柴油机的结构参数、台架试验缸压数据，在GT-SUITE中构建原有柴油机的热力学仿真模型；选择EngCylCombDIPulse燃烧模型对放热率进行标定，采用模拟增压的形式对增压系统建模；

步骤2、查询柴油机的缸内最大爆发压力、最高活塞平均速度、最大增压压力的现有数据；

步骤3、计算柴油机最高强化程度时的转速；

步骤4、以缸内爆发压力和涡轮增压器回收废气能量的能力为限制，计算柴油机最高强化程度时的进气压力；

步骤5、计算柴油机最高强化程度时的进气流量；

步骤6、计算柴油机最高强化程度时的循环喷油量；

步骤7、确定柴油机最高强化程度时的功率水平，将确定柴油机最高强化程度时的进气压力、转速、循环喷油量的值输入到步骤1建立的柴油机的热力学仿真模型中，然后运行更新完部分边界条件的热力学仿真模型，查看模型功率的仿真结果，确定柴油机最高强化程度时的功率水平；

步骤8、计算柴油机最高强化程度时的扭矩水平。

优选的，步骤3中根据查询到柴油机现有数据中最高活塞平均速度，确定强化后柴油机的转速，具体计算公式如下：

;

式中，为活塞平均速度，单位为m/s，S为柴油机的冲程，单位为mm，/>为柴油机最高强化程度时的转速，单位为RPM。

优选的，步骤4中计算柴油机最高强化程度时的进气压力的具体过程如下：

S41、基于步骤1中构建的柴油机热力学仿真模型，给热力学仿真模型设置多个不同进气压力的工况，进气压力的设置阈值不大于最大增压压力的现有数据，进行等步长设置，工况总数共设置为20个，在设置完工况后运行热力学仿真模型，查看仿真结果，统计出20个工况下进气压力和爆发压力的仿真结果；

S42、基于统计的进气压力和爆发压力数据，使用最小二乘法构建进气压力到爆发压力的拟合函数，拟合函数的具体形式如下：

;

其中，为进气压力，单位为bar，是拟合函数的自变量，/>为爆发压力，单位为bar，是拟合函数的因变量，拟合过程中逐次使用最小二乘法的一次、二次以及更高次数的多项式进行拟合，直到进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数R₁的值在0.97-1.03之间，并且使用此时拟合得到的多项式作为拟合函数，进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数R₁的计算方法如下：

;

其中，为进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数，n的值为20，/>为第i个爆发压力的预测值，/>为第i个爆发压力的统计值，/>为统计的爆发压力平均值；

S43、基于构建的拟合函数模型，设置约束条件为预测的爆发压力值小于柴油机现有数据中最大爆发压力，得出最大爆发压力限制时的进气压力。

优选的，步骤5中柴油机最高强化程度时的进气流量的具体计算过程如下：

首先根据进气温度和进气压力计算进气密度，具体表达式如下：

;

其中，为空气气体常数，值为0.287kJ/kg·K，/>为进气压力，单位为bar，/>表示中冷器后进气温度，单位为K，/>为进气密度，单位为kg/m³，然后根据转速、排量、进气密度计算进气流量，具体表达式如下：

;

其中，为发动机的缸数，/>为工作容积，单位为m³，/>为转速，单位为RPM，/>为充量系数，柴油机的充量系数的范围为0.9-1.05，/>为扫气系数，柴油机的扫气系数的范围为1-1.25，/>为进气流量，单位为kg/s，/>为进气密度，单位为kg/m³。

优选的，步骤6中柴油机最高强化程度时的循环喷油量的具体计算公式如下：

;

其中，为循环喷油量，单位为mg，/>为柴油空燃比，柴油空燃比为14.3，/>为柴油机的扫气系数，柴油机的扫气系数的范围为1-1.25，/>为过量空气系数，柴油机的过量空气系数的范围为1.6-2.2之间，/>为转速，单位为RPM，/>为进气流量，单位为kg/s。

优选的，步骤8中柴油机最高强化程度时的扭矩水平的具体计算过程如下：

S81、基于步骤7中更新的热力学仿真模型，给柴油机热力学仿真模型设置多个不同转速的工况，转速的范围为1000RPM到柴油机最高强化程度时的转速, 进行等步长设置，工况总数共设置为20个，在设置完工况后运行柴油机热力学仿真模型，查看仿真结果，统计出转速和扭矩的仿真结果；

S82、基于统计的转速和扭矩数据，使用最小二乘法构建转速到扭矩的拟合函数，具体拟合函数形式如下：

;

式中为转速，为拟合函数的自变量，/>为扭矩，为拟合函数的因变量；拟合过程中逐次使用最小二乘法的一次、二次以及更高次数的多项式进行拟合，直到转速到扭矩拟合函数的确定系数/>的值在0.97-1.03之间，使用此时拟合的多项式作为拟合函数，转速到扭矩拟合函数的确定系数/>的计算方法如下：

;

其中为转速到扭矩拟合函数的确定系数，n的值为20，/>为拟合函数预测的第i个扭矩值，/>为统计的第i个扭矩值，/>为统计爆发压力的平均值；

S83、基于构建的拟合模型，求取设置转速范围内的最大扭矩值，确定柴油机最大强化程度时的扭矩。

因此，本发明采用上述一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，具有以下有益效果：

（1）不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法中未涉及发动机台架试验，预测成本低、周期短；

（2）技术途径前期利用柴油机台架试验数据对仿真模型进行标定，仿真模型的精确度高，技术途径中各种参数的确定都基于理论公式的推导，此外，柴油机最高强化程度的进气压力、扭矩的预测基于实验设计思想，并且构建拟合函数的确定系数在0.97-1.03，因此预测的可信度高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法的逻辑框图。

具体实施方式

以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，包括以下步骤：

步骤1、基于GT-SUITE软件构建柴油机的热力学仿真模型，根据原有柴油机的结构参数、台架试验缸压数据，在GT-SUITE中构建原有柴油机的热力学仿真模型；选择EngCylCombDIPulse燃烧模型对放热率进行标定，采用模拟增压的形式对增压系统建模；

步骤2、查询柴油机的缸内最大爆发压力、最高活塞平均速度、最大增压压力的现有数据；

步骤3、计算柴油机最高强化程度时的转速，根据查询到柴油机现有数据中最高活塞平均速度，确定强化后柴油机的转速，具体计算公式如下：

;

式中，为活塞平均速度，单位为m/s，S为柴油机的冲程，单位为mm，/>为柴油机最高强化程度时的转速，单位为RPM；

步骤4、以缸内爆发压力和涡轮增压器回收废气能量的能力为限制，计算柴油机最高强化程度时的进气压力，具体过程如下：

S41、基于步骤1中构建的柴油机热力学仿真模型，给热力学仿真模型设置多个不同进气压力的工况，进气压力的设置阈值不大于最大增压压力的现有数据，进行等步长设置，工况总数共设置为20个，在设置完工况后运行热力学仿真模型，查看仿真结果，统计出20个工况下进气压力和爆发压力的仿真结果；

S42、基于统计的进气压力和爆发压力数据，使用最小二乘法构建进气压力到爆发压力的拟合函数，拟合函数的具体形式如下：

;

其中，为进气压力，单位为bar，是拟合函数的自变量，/>为爆发压力，单位为bar，是拟合函数的因变量，拟合过程中逐次使用最小二乘法的一次、二次以及更高次数的多项式进行拟合，直到进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数R₁的值在0.97-1.03之间，并且使用此时拟合得到的多项式作为拟合函数，进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数的计算方法如下：

;

其中，为进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数，n的值为20，/>为第i个爆发压力的预测值，/>为第i个爆发压力的统计值，/>为统计的爆发压力平均值；

S43、基于构建的拟合函数模型，设置约束条件为预测的爆发压力值小于柴油机现有数据中最大爆发压力，得出最大爆发压力限制时的进气压力；

步骤5、计算柴油机最高强化程度时的进气流量，具体计算过程如下：

首先根据进气温度和进气压力计算进气密度，具体表达式如下：

;

其中，为空气气体常数，值为0.287kJ/kg·K，/>为进气压力，单位为bar，/>表示中冷器后进气温度，单位为K，/>为进气密度，单位为kg/m³，然后根据转速、排量、进气密度计算进气流量，具体表达式如下：

;

其中，为发动机的缸数，/>为工作容积，单位为m³，/>为转速，单位为RPM，/>为充量系数，柴油机的充量系数的范围为0.9-1.05，/>为扫气系数，柴油机的扫气系数的范围为1-1.25，/>为进气流量，单位为kg/s，/>为进气密度，单位为kg/m³；

步骤6、计算柴油机最高强化程度时的循环喷油量，具体计算公式如下：

;

其中，为循环喷油量，单位为mg，/>为柴油空燃比，柴油空燃比为14.3，/>为柴油机的扫气系数，柴油机的扫气系数的范围为1-1.25，/>为过量空气系数，柴油机的过量空气系数的范围为1.6-2.2之间，/>为转速，单位为RPM，/>为进气流量，单位为kg/s；

步骤7、确定柴油机最高强化程度时的功率水平，将确定柴油机最高强化程度时的进气压力、转速、循环喷油量的值输入到步骤1建立的柴油机的热力学仿真模型中，然后运行更新完部分边界条件的热力学仿真模型，查看模型功率的仿真结果，确定柴油机最高强化程度时的功率水平；

步骤8、计算柴油机最高强化程度时的扭矩水平，具体计算过程如下：

S81、基于步骤7中更新的热力学仿真模型，给柴油机热力学仿真模型设置多个不同转速的工况，转速的范围为1000RPM到柴油机最高强化程度时的转速，进行等步长设置，工况总数共设置为20个，在设置完工况后运行柴油机热力学仿真模型，查看仿真结果，统计出转速和扭矩的仿真结果；

S82、基于统计的转速和扭矩数据，使用最小二乘法构建转速到扭矩的拟合函数，具体拟合函数形式如下：

;

式中为转速，为拟合函数的自变量，/>为扭矩，为拟合函数的因变量；拟合过程中逐次使用最小二乘法的一次、二次以及更高次数的多项式进行拟合，直到转速到扭矩拟合函数的确定系数/>的值在0.97-1.03之间，使用此时拟合的多项式作为拟合函数，转速到扭矩拟合函数的确定系数/>的计算方法如下：

;

其中为转速到扭矩拟合函数的确定系数，n的值为20，/>为拟合函数预测的第i个扭矩值，/>为统计的第i个扭矩值，/>为统计爆发压力的平均值；

S83、基于构建的拟合模型，求取设置转速范围内的最大扭矩值，确定柴油机最大强化程度时的扭矩。

实施例

以一台强化水平较低的车用柴油机为示例，利用本方法预测该柴油机的最高强化程度时的性能水平。柴油机的缸径为84mm，冲程为90mm，额定转速为4400RPM，单缸功率为34kW，扭矩为74.29N·m；爆发压力为152.13bar，压缩比为16。

根据步骤1，利用原柴油机的结构和性能参数等在GT-SUITE软件构建柴油机的热力学仿真模型；

根据步骤2，查询目前柴油机领域可实现的技术水平，如高强化柴油机的爆发压力约为210bar，活塞平均速度约为15m/s，通过多级增压技术柴油机增压比可达4附近；

根据步骤3计算柴油机最高强化程度时的转速，通过计算可知柴油机最高强化程度时的转速为5000RPM；

根据步骤4，对步骤1中构建的仿真模型设置不同进气压力的工况，进气压力的设置范围为1-4.2bar, 进行等步长设置，工况总数共设置为20个，在设置完工况后运行仿真模型，查看仿真结果，统计出20个工况下进气压力和爆发压力的仿真结果，如表1所示，采用最小二乘法一次多项式拟合，计算此时的进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数R₁为1，将此时拟合出的一次多项式作为拟合函数，根据拟合函数确定柴油机在最大爆发压力210bar限制时的进气压力为3.62bar。

表1 统计的进气压力及爆发压力数据

根据步骤5，确定柴油机最高强化程度时的进气量，先确定进气密度，然后确定发动机的进气流量，计算所得的进气密度为3.9156kg/m3，确定柴油机理论进气流量为0.07623kg/s，扫气系数取1.05，充量系数取0.9；

根据步骤6确定柴油机循环喷油量为76.82mg，过量空气系数取1.6。

根据步骤7将确定的柴油机进气压力、循环喷油量输入到步骤1建立的柴油机热力学模型中，运行模型，确定柴油机最高强化程度时单缸功率为53.25kW；

根据步骤8确定柴油机最高强化程度时的扭矩，基于步骤7中柴油机的热力学仿真模型，为模型设置不同转速的工况，转速范围为1000RPM-5000RPM，进行等步长设置，工况总数共设置为20个，在设置完工况后运行仿真模型，查看仿真结果，统计出转速和扭矩的仿真结果，如表2所示，使用最小二乘法一次多项式拟合不同转速下的扭矩，此时的转速到扭矩拟合函数的确定系数R₂为0.47，不满足要求，接着使用二次多项式拟合，此时的转速到扭矩拟合函数的确定系数R₂为0.96，不满足要求，接着使用3次多项拟合，此时的转速到扭矩拟合函数的确定系数R₂为0.9916，满足要求，将拟合的3次多项式作为拟合函数，根据拟合函数确实转速1000RPM-5000RPM范围内的最大扭矩为108.335N·m，其对应的转速为2323RPM。

表2 统计的转速及扭矩数据

因此，本发明采用上述一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，基于柴油机领域爆发压力、活塞平均速度、增压压力可实现的技术水平，快速准确地预测不同缸径柴油机最高强化程度时功率水平、扭矩水平和转速大小，解决柴油机强化升级前无法预知强化后柴油机的性能水平，强化时盲目改造柴油机的问题，为柴油机强化升级提供思路，同时预测出的柴油机性能值可作为柴油机性能指标参考。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基于GT-SUITE软件构建柴油机的热力学仿真模型，根据原有柴油机的结构参数、台架试验缸压数据，在GT-SUITE中构建原有柴油机的热力学仿真模型；选择EngCylCombDIPulse燃烧模型对放热率进行标定，采用模拟增压的形式对增压系统建模；

步骤2、查询柴油机的缸内最大爆发压力、最高活塞平均速度、最大增压压力的现有数据；

步骤3、计算柴油机最高强化程度时的转速 ；

步骤4、以缸内爆发压力和涡轮增压器回收废气能量的能力为限制，计算柴油机最高强化程度时的进气压力；

步骤5、计算柴油机最高强化程度时的进气流量；

步骤6、计算柴油机最高强化程度时的循环喷油量；

步骤7、确定柴油机最高强化程度时的功率水平，将确定柴油机最高强化程度时的进气压力、转速、循环喷油量的值输入到步骤1建立的柴油机的热力学仿真模型中，然后运行更新完部分边界条件的热力学仿真模型，查看模型功率的仿真结果，确定柴油机最高强化程度时的功率水平；

步骤8、计算柴油机最高强化程度时的扭矩水平。

2.根据权利要求1所述的一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，其特征在于，步骤3中根据查询到柴油机现有数据中最高活塞平均速度，确定强化后柴油机的转速，具体计算公式如下：

;

式中，为活塞平均速度，单位为m/s，S为柴油机的冲程，单位为mm，/>为柴油机最高强化程度时的转速，单位为RPM。

3.根据权利要求1所述的一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，其特征在于，步骤4中计算柴油机最高强化程度时的进气压力的具体过程如下：

S41、基于步骤1中构建的柴油机热力学仿真模型，给热力学仿真模型设置多个不同进气压力的工况，进气压力的设置阈值不大于最大增压压力的现有数据，进行等步长设置，工况总数共设置为20个，在设置完工况后运行热力学仿真模型，查看仿真结果，统计出20个工况下进气压力和爆发压力的仿真结果；

S42、基于统计的进气压力和爆发压力数据，使用最小二乘法构建进气压力到爆发压力的拟合函数，拟合函数的具体形式如下：

;

其中，为进气压力，单位为bar，是拟合函数的自变量，/>为爆发压力，单位为bar，是拟合函数的因变量，拟合过程中逐次使用最小二乘法的一次、二次以及更高次数的多项式进行拟合，直到进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数R₁的值在0.97-1.03之间，并且使用此时拟合得到的多项式作为拟合函数，进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数R₁的计算方法如下：

;

其中，R₁为进气压力到爆发压力拟合函数的确定系数，n的值为20，为第i个爆发压力的预测值，/>为第i个爆发压力的统计值，/>为统计的爆发压力平均值；

S43、基于构建的拟合函数模型，设置约束条件为预测的爆发压力值小于柴油机现有数据中最大爆发压力，得出最大爆发压力限制时的进气压力。

4.根据权利要求1所述的一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，其特征在于，步骤5中柴油机最高强化程度时的进气流量的具体计算过程如下：

首先根据进气温度和进气压力计算进气密度，具体表达式如下：

;

其中，为空气气体常数，值为0.287kJ/kg·K，/>为进气压力，单位为bar，/>表示中冷器后进气温度，单位为K，/>为进气密度，单位为kg/m³，然后根据转速、排量、进气密度计算进气流量，具体表达式如下：

;

其中，为发动机的缸数，/>为工作容积，单位为m³，/>为转速，单位为RPM，/>为充量系数，柴油机的充量系数的范围为0.9-1.05，/>为扫气系数，柴油机的扫气系数的范围为1-1.25，/>为进气流量，单位为kg/s，/>为进气密度，单位为kg/m³。

5.根据权利要求1所述的一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，其特征在于，步骤6中柴油机最高强化程度时的循环喷油量的具体计算公式如下：

;

其中，为循环喷油量，单位为mg，/>为柴油空燃比，柴油空燃比为14.3，/>为柴油机的扫气系数，柴油机的扫气系数的范围为1-1.25，/>为过量空气系数，柴油机的过量空气系数的范围为1.6-2.2之间，/>为转速，单位为RPM，/>为进气流量，单位为kg/s。

6.根据权利要求1所述的一种不同缸径柴油机最高强化程度的预测方法，其特征在于，步骤8中柴油机最高强化程度时的扭矩水平的具体计算过程如下：

S81、基于步骤7中更新的热力学仿真模型，给柴油机热力学仿真模型设置多个不同转速的工况，转速的范围为1000RPM到柴油机最高强化程度时的转速, 进行等步长设置，工况总数共设置为20个，在设置完工况后运行柴油机热力学仿真模型，查看仿真结果，统计出转速和扭矩的仿真结果；

S82、基于统计的转速和扭矩数据，使用最小二乘法构建转速到扭矩的拟合函数，具体拟合函数形式如下：

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式中为转速，为拟合函数的自变量，/>为扭矩，为拟合函数的因变量；拟合过程中逐次使用最小二乘法的一次、二次以及更高次数的多项式进行拟合，直到转速到扭矩拟合函数的确定系数/>的值在0.97-1.03之间，使用此时拟合的多项式作为拟合函数，转速到扭矩拟合函数的确定系数/>的计算方法如下：

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其中为转速到扭矩拟合函数的确定系数，n的值为20，/>为拟合函数预测的第i个扭矩值，/>为统计的第i个扭矩值，/>为统计爆发压力的平均值；

S83、基于构建的拟合模型，求取设置转速范围内的最大扭矩值，确定柴油机最大强化程度时的扭矩。