使用GT功率模拟分析柴油机燃油经济性和可变压缩比的排放影响外文翻译资料

使用GT功率模拟分析柴油机燃油经济性和可变压缩比的排放影响

Yiliang Zhu, Richard Stobart ，Jiamei Deng

拉夫堡大学

摘要：

结合控制系统的可变压缩比是提高柴油发动机性能和减少排放的有效途径。可以采用各种方法包括几何变化和改变气门正时，以改变有效压缩比。

在本文中，提出了一种基于装备有废气再循环（EGR）和可变几何涡轮增压器（VGT）的现代多缸固定压缩比柴油发动机的模拟研究。发动机使用GT-Power代码表示，并且包括预测燃烧模型。调查的目的是确定可变压缩比对燃油经济性和减排的影响，以及是否存在现实的最佳条件。

本文介绍了如何使用正式的实验程序设计来定义仿真条件。成本函数定义为燃料消耗，NOx和烟尘排放的不同重量。最佳仿真结果图的呈现显示了在发动机负载范围内的相应压缩比，EGR率和VGT策略的最佳工作点。

结果表明，与发动机运行条件相比，压缩比的变化可以在满足当前废气排放要求的同时实现燃油消耗效益。

引言：

柴油发动机的高效率，高扭矩输出和燃油耐受性使其具有广泛应用的吸引力。 然而，柴油机的高氮氧化物（NOx）和烟尘排放量仍然是环境污染的主要因素。 为了满足柴油机性能和未来排放标准的要求，发动机制造商已经调查了包括基本发动机行为，部件效率和废气后处理的解决方案。一个没有充分探索的有效手段是几何压缩比的主动控制。

新开发的方法在具有多次注射的现代分层SI引擎的测量数据上得到验证。 158个操作点经过验证，覆盖整个发动机分层。所选择的操作点还包括多次喷射能力的详细变化。新燃烧模型可以证明高精度的预报能力。

使用可变几何压缩比（VCR）不仅在提高燃烧效率方面也是有效的，而且在减少NOx和烟尘排放方面都是有效的。与汽油发动机相比，柴油机的压缩比已经很高。这限制了当活塞处于上止点（TDC）时由于活塞顶部和气缸盖之间的小间隙而调节压缩比的范围。 这就是为什么到目前为止，由于制造成本高，特别是重型柴油发动机，柴油发动机的录像机没有很好的记录。

发动机性能的计算机模拟是改进发动机开发过程的有效途径。计算方法不仅提供了对发动机性能的几何修改效果的可靠预测，从而减少了发动机优化所需的原型数量和实验测试数量，而且还可以更好地了解气体交换过程中发生的不稳定流动现象。此外，这些技术提供了在实际发动机中难以测量的物理量的信息^[1]。

GT-Power是GT-Suite系列软件中的一部分，涵盖了发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构六个方面。该软件采用有限体积法进行流体的计算，计算步长自动可调，有强大的辅助建模前处理工具，自带有丰富的燃烧模型，具有丰富的控制功能，能与SIMULINK进行耦合求解，能与三维的CFD软件进行耦合计算，自带有优化设计功能，能进行直接优化、DOE设计/优化，能进行进、排气系统噪音分析，能对进、排气系统的消音元件进行优化设计。研究需要利用该软件建立准维燃烧模型。

利用基于GT-POWER软件建立的工作过程仿真模型,预测了气门正时参数(气门升程、进气门开关角、排气门开关角、气门重叠角等)的速度变化特性,说明了可变气门正时技术研究的必要性,并设计开发了一套可变配气系统,系统主要包括液压系统、执行机构以及控制系统等。将该系统安装在4102BG发动机上,代替原来的配气机构。根据电液驱动可变气门正时系统的特点,运用AMESim软件建立了该方案的机、电、液仿真模型,并对该方案的主要结构参数,如柱塞半径、气门弹簧刚度、电磁阀流通面积、共轨管容积等参数进行仿真研究,得到可变配气系统运动特性规律,为系统的开发和研制提供帮助。

GT-Power代码用于模拟卡特彼勒C6.6发动机（I-6,4冲程循环柴油）的运行过程。通过比较模拟结果与放热率实验数据，验证了该模型。 虽然C6.6是具有固定压缩比的常规柴油发动机，但在模拟中分析了可变几何压缩比，EGR率和VGT策略对C6.6柴油发动机的影响。演示最佳仿真结果的映射将显示出在发动机负载范围内的压缩比，EGR率和VGT策略的最佳工作点。

发动机型号

原型机的主要技术规格如表1所示

表1. C6.6技术规格

柴油机模型是指具有复杂结构的进气系统，排气系统，废气再循环（EGR）系统，可变几何涡轮增压器系统，燃料喷射装置，气缸和曲轴箱等。为了实现精确的数值模拟，需要对关键几何的精确描述。通过改变上止点和下止点处的活塞顶部与气缸盖之间的间隙来改变压缩。GTPower使用一维气体动力学来表示发动机模型组件中的流量和热传递，这不仅确保了模拟精度，而且也相对较快。由于模拟的目的是分析燃油消耗和废气排放条件，所以选择预测DI-Jet模型作为燃烧模型。该燃烧模型预测柴油机的燃烧速率和相关排放，并通过比较实验和模拟放热曲线进行校准。

图1气缸压力跟踪比较

图2 热释放率曲线比较

图3 空燃比比较（测量与预测之间的最大差异为1.6％）

图1、2、3显示实验测量的气缸压力曲线，放热率和空燃比曲线与模型预测的相比。该预测与这种情况（峰值压力的2.2％差异）的测量结果非常吻合，验证了该模型。

计算模拟条件

一般模拟条件如表2所示。使用全因子设计来确定模拟条件。 N1，...，Nm水平的n个因子的全因子设计需要N1times;...times;Nm个实验运行，每个处理一个。 虽然有利于分离个别效应，但全因子设计可以对数据收集提出很大的要求[2]。

表2.模拟条件

在这个例子中，模拟条件根据满载和部分负载（速度为2200 rpm）分为两组。在每组中，有三个因素，压缩比，EGR率和VGT叶片位置。第一个因素有5个等级，其余两个因素有6个等级。所以我们每组有5times;6times;6 = 180例。

满载时，压缩比范围为14.2：1至18.2：1（5级）。EGR百分比范围选自5％至25％（6级）。VGT叶片位置为0.45至0.7（6级）。在部分负载组中，压缩比范围为15.2：1至19.2：1（5级）。EGR百分比范围选自0％至25％（6级）。VGT叶片位置从0.35到0.85（6级）。

由于最大缸内压力的限制，满载时的最大压缩比点设定为低于部分负载。部分负荷下的最小压缩比点设定为高于全负荷阶数，以保持燃烧效率，并确保注射燃料的适当自动点火。

燃烧模型

燃烧模型基于证明的夹带方法[1,7,9,9,10,11]。然而，燃烧必须扩展到几个区域，并且开发了用于火焰表面传播的全新方法。这种新方法是需要的，因为半球火焰传播似乎对于由CFD模拟记录的喷射形成的分层燃烧过程是不切实际的。

未燃烧区“化学计量”和“贫”通过质量流与燃烧区相连。燃烧区域通过有限厚度的火焰前端与未燃烧区域分离，然而，这并不表现为热力学。燃烧在湍流场中发生。在这个过程中，新鲜的混合物束与火焰前沿的废气混合，从而获得不断新的混合物束。将新鲜混合物和废气同时出现的区域称为夹带区域。必须注意的是，来自两个区域的燃烧也产生两个夹带区域。夹带区域的质量变化可以用以下公式计算。

模拟结果

可变压缩比是指可变的缸内容积（改变活塞和气缸体上表面之间的距离）。 它将影响缸内压力，温度和空气/燃料比，然后影响燃油消耗和排放。

图4,5,6,7,8,9显示了改变几何压缩比对燃油消耗和废气排放的影响，没有EGR和VGT叶片位置固定在0.5。

在2200rpm的发动机转速和没有EGR的全负荷下，将压缩比从16.2:1提高到18.2:1可以产生高达约3.4％的制动比燃料消耗（BSFC）益处，而且还产生制动特定的NOx排放（BSNOx ）增长14.3％。 虽然制动特定的烟尘排放（BSSoot）迅速增加，但仍保持在非常低的范围内，原因在第8页第2节中提到。将压缩比从16.2：1降低到14.2：1可以减少约13.8％的BSNOx并获得更好的BSSoot条件。 但是，这也增加了大约4.5％的燃料消耗。

在2200rpm的发动机转速和部分负载（原始压缩比下的BMEP为6.89巴），没有EGR的情况下，压缩比从16.2：1到19.2：1可以产生高达约4.4％的BSFC效益，BSSoot减少 14.7％。然而，BSNOx涨幅约为16.5％。压缩比从16.2：1降低到15.2：1将降低BSNOx约3.8％。然而，燃油消耗量上升约1.6％，而BSSoot则上涨约10％。

图4 压缩比对全负载和2200rpm无制动比制动比油耗的影响

图5 压缩比对全负载和2200rpm无制动特定NOx排放的影响

图6 压缩比对全负荷和2200rpm无刹车特定煤烟排放的影响

图7 压缩比对部分负载下的制动比燃料消耗和无EGR的2200rpm的影响

图8 压缩比对部分负载下制动特定NOx排放的影响，无EGR的2200rpm

图9 压缩比对部分负荷下制动特定烟灰发射的影响，无EGR的2200rpm

图10 压缩比对制动比燃料消耗的影响

图11 压缩比对制动器特定NOx排放的影响

图12 压缩比对制动特定烟尘排放的影响

图10,11,12显示了每个压缩比的所有36例（6个EGR率水平和6个VGT策略水平）的平均排放和燃料消耗。可以看出，在一般情况下，增加的压缩比提高燃料消耗和烟尘排放，但是增加NOx排放

图13显示了满载时每个压缩比的所有低EGR率（不包括EGRgt; 10％的情况）的平均烟灰排放。可以看出，当压缩比增加时，除了在压缩比为18.2:1的情况下，烟灰发射增加，这与图6几乎相似，在没有EGR的满载时的情况。一个可能的解释是，随着压缩比的增加，活塞顶部和气缸盖之间的间隙减小，更多的燃烧区域是使烟灰增加的主要原因。在满负荷和较高的EGR率（10％lt;EGR lt;15％）的情况下，虽然空气/燃料比低，随着压缩比的增加，燃烧效率也在上升，这是导致烟尘排放降低的主要原因。

基于已知的夹带模型提出了一种用于模拟分层喷射形成的DI火花点火发动机的燃烧的新方法。这种方法可以描述该过程的不均匀混合分布。

基于燃烧室中的燃料分布来设计火焰几何形状，其利用喷射成形工艺的最新发现，以便以足够的精度描述火焰表面。

该方法使用广泛的测量数据字段进行验证，该范围也涵盖了多次注入的影响。 可以证明，该模型实现了显着的精度，特别是在模拟燃料消耗方面。 特别地，在两个区域中的燃烧建模使得能够在燃烧开始时的快速增加和燃烧结束时的缓慢烧坏得到足够精确的映射。

图13 每个压缩比下低EGR率的烟尘排放

发动机运行优化

基于最初由Montgomery和Reitz [2000]开发的优点功能用于量化每个模拟设计的性能，如：

包括NOx，颗粒物（PM）或烟灰，CO和HC排放。 由于在使用传统柴油燃烧时，CO和HC排放通常不是一个问题，燃油消耗，NOx和烟尘排放的成本函数定义为不同的重量，如下所示：

其中NOx0是目标排放水平。PM0是目标油耗。 a，b和c是加权系数。 NOx和PM的目标排放量分别选择为2 g / kw-h和0.02 g / kw-h（这些是使用E

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