基于耦合模型的相继增压柴油机排气系统研究
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摘要
排气系统不仅影响废气的排出,而且在增压柴油机中,排气管中气体的流动对其废气能量的利用、充量更换、泵气损失及柴油机的性能都有重要的影响。合理选择和正确设计柴油机的排气系统是柴油机总体设计的一项重要内容。一维／三维的耦合计算模型,既考虑了一维模型中的动态效应,又能体现三维结构对柴油机性能的影响,该方法综合考虑了实际工况和实际结构对发动机性能的影响。本文以TBD234V12相继增压柴油机为研究对象,应用GT-POWER和STAR-CD软件建立了一维／三维耦合模型,对其排气系统进行优化设计。
基于GT-POWER软件平台,建立了工作过程的仿真模型,其中缸内热力过程采用零维模型,用三韦伯曲线叠加模拟放热规律,进气管采用一维非定常流动模型,排气管采用CFD平均值模型。根据废气涡轮增压器的平衡条件,建立废气涡轮增压器的数学模型。基于Pro/E和STAR-CD软件,对排气管进行三维结构建模和网格划分。将GT-POWER中排气管的CFD平均值模型和STAR-CD中的三维模型耦合起来,选用标准的κ-ε模型模拟流场的湍流效应,采用PISO算法对压力场与速度场进行修正。
本文对设计的MPC排气系统和原常规增压时的脉冲排气系统对标准螺旋桨特性运行的650r/min、1134r/min、1429r/min、1636r/min、1800r/min几个具有代表性的工况进行了模拟计算。耦合计算结果表明：从工作过程的仿真结果和排气系统的流场分布可以看出,该相继增压柴油机选用MPC排气系统更为合适,同时得到了从排气阀开启到关闭的不同曲轴转角时刻的速度分布。
为了尽可能减少排气能量损失、避免产生气缸间的扫气干扰以及有利于发挥涡轮的高效率,本文将MPC排气系统对柴油机性能影响较大的参数进行了两种方案修改和计算,从而得到最优的排气系统。
Exhaust system not only affects the exhaust emission, but also has a major impact on waste gas energy using, charge replacement, pump gas losses and diesel performance for the sequential turbocharged diesel. Reasonable choice and correct design of the diesel engine exhaust system is an important part of diesel engine system design. One-dimensional and three-dimensional coupling model not only considers the dynamic effect on one-dimensional model, but also reflects on the diesel engine performance by three-dimensional structure. The method has integrated considered the impact on diesel engine performance by practical working condition and structure. Based on a type TBD234V12 sequential turbercharging diesel engine, a coupling calculating model by GT-POWER and STAR-CD softwares is set up to optimize the exhaust system.
Based on GT-POWER software, an imitation model of working process is built. Its intake system is modeled by one-dimensional unsteady flow. Its exhaust system is modeled by CFD average value. Three-Wiebe curve has been used to simulate the heat release regulation in the zero-dimensional cylinder model. And the mathematical model of turbocharging is set up by the equilibrium condition of the turbocharger. Based on Pro/E and STAR-CD softwares, a three-dimensional structure model and a grid model of exhaust system are set up. Coupling the CFD average value model in GT-POWER with three-dimensional model in STAR-CD, the paper has chosen standard k-εmodel for simulating turbulence and used PISO arithmetic for modifying pressure and velocity field. According to the standard features on the propeller running, the paper has simulated some representative conditions such as 650r/min,1134r/min,1429r/min,1636r/min, 1800r/min.
Coupling simulation has indicated that the sequential turbercharging diesel engine using MPC exhaust system is better. At the same time, it has gained the velocity distributing at different crank angle during the exhaust valve turned on to off. For decreasing exhaust energy loss, avoiding bring the sweeping disturbing among cylinders and making turbine to high efficiency, the paper has modified the parameters of MPC exhaust system are biggish influenced in performance of diesel engine, consequently gained the most optimum exhaust system.
基于GT-POWER软件平台,建立了工作过程的仿真模型,其中缸内热力过程采用零维模型,用三韦伯曲线叠加模拟放热规律,进气管采用一维非定常流动模型,排气管采用CFD平均值模型。根据废气涡轮增压器的平衡条件,建立废气涡轮增压器的数学模型。基于Pro/E和STAR-CD软件,对排气管进行三维结构建模和网格划分。将GT-POWER中排气管的CFD平均值模型和STAR-CD中的三维模型耦合起来,选用标准的κ-ε模型模拟流场的湍流效应,采用PISO算法对压力场与速度场进行修正。
本文对设计的MPC排气系统和原常规增压时的脉冲排气系统对标准螺旋桨特性运行的650r/min、1134r/min、1429r/min、1636r/min、1800r/min几个具有代表性的工况进行了模拟计算。耦合计算结果表明：从工作过程的仿真结果和排气系统的流场分布可以看出,该相继增压柴油机选用MPC排气系统更为合适,同时得到了从排气阀开启到关闭的不同曲轴转角时刻的速度分布。
为了尽可能减少排气能量损失、避免产生气缸间的扫气干扰以及有利于发挥涡轮的高效率,本文将MPC排气系统对柴油机性能影响较大的参数进行了两种方案修改和计算,从而得到最优的排气系统。
Exhaust system not only affects the exhaust emission, but also has a major impact on waste gas energy using, charge replacement, pump gas losses and diesel performance for the sequential turbocharged diesel. Reasonable choice and correct design of the diesel engine exhaust system is an important part of diesel engine system design. One-dimensional and three-dimensional coupling model not only considers the dynamic effect on one-dimensional model, but also reflects on the diesel engine performance by three-dimensional structure. The method has integrated considered the impact on diesel engine performance by practical working condition and structure. Based on a type TBD234V12 sequential turbercharging diesel engine, a coupling calculating model by GT-POWER and STAR-CD softwares is set up to optimize the exhaust system.
Based on GT-POWER software, an imitation model of working process is built. Its intake system is modeled by one-dimensional unsteady flow. Its exhaust system is modeled by CFD average value. Three-Wiebe curve has been used to simulate the heat release regulation in the zero-dimensional cylinder model. And the mathematical model of turbocharging is set up by the equilibrium condition of the turbocharger. Based on Pro/E and STAR-CD softwares, a three-dimensional structure model and a grid model of exhaust system are set up. Coupling the CFD average value model in GT-POWER with three-dimensional model in STAR-CD, the paper has chosen standard k-εmodel for simulating turbulence and used PISO arithmetic for modifying pressure and velocity field. According to the standard features on the propeller running, the paper has simulated some representative conditions such as 650r/min,1134r/min,1429r/min,1636r/min, 1800r/min.
Coupling simulation has indicated that the sequential turbercharging diesel engine using MPC exhaust system is better. At the same time, it has gained the velocity distributing at different crank angle during the exhaust valve turned on to off. For decreasing exhaust energy loss, avoiding bring the sweeping disturbing among cylinders and making turbine to high efficiency, the paper has modified the parameters of MPC exhaust system are biggish influenced in performance of diesel engine, consequently gained the most optimum exhaust system.
引文
[1]柳祖德.PA6柴油机STC增压系统简介.陕西省内燃机学会论文.1990：10-39页
[2]王银燕.超高柴油机几种增压系统的理论研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.1989：3-10页
[3]王贺春.TBD234V12柴油机相继增压技术研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2004：3-5页
[4]王银燕,高维成,赵建平,吴英海,阿荣其其格.应用MPC—相继增压系统改善船用柴油机低负荷性能的研究.内燃机学报.1999,17(1)：13-17页
[5]王银燕,腾万庆,王芝秋.涡轮增压系统全工况优化控制机理及ECS系统开发.中国船舶科技报告.1995,8：50-57页
[6]顾宏中.涡轮增压柴油机性能研究.上海：上海交通大学出版社,1998：135-137,141-151页
[7]杨世友,顾宏中,郭中朝.柴油机涡轮增压系统研究现状与进展.柴油机.2001,4：1-5页
[8]刘永长.内燃机原理.武汉：华中科技大学出版社,2001：216-217页
[9]钱树基.谈脉冲增压和MPC增压.内燃机.1995(5)：41-42页
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[11]C. Dimitriadis, M. A. leschziner, D. E. Winterbone, G.I. Alexan der, Rr. Sierens. Computation of Three-Dimensional Flow in Manifold Junctions. Int. Sypm. On Flows in Reciprocating IC Engines. ASME Winter Annual Meting, Miami Beach.1985
[12]C. Dimitriadis, M. A. leschziner.Computation of three dimensional flow in junctions by a zonai approach,4th Int. Conf. On Numerical Methods in Laminar and Turbulent flows. Swansea.1985
[13]M. A. Leschziner, K. P. Dimitriadis. Numerical Simulation of three dimensional turbulent flow in exhaust manifold junctions. ImechE.1987. C09/87
[14]Wilhelm Brandstatter. The Increasing Impact of Multi-dimensional Modeling on the Design and Development of Hign Speed DI Diesel Engines. SAE 881207
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[56]王洋.某长行程相继增压柴油机性能及增压系统的逆向设计.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2007：67-68页
[57]李勤.FEV公司的小型高速4气门直喷式柴油机.国外内燃机.1998,1：9-17页
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[63]周松,王传博,马强.内燃机换气系统弯曲圆形管道流场的三维数值模拟研究.哈尔滨工程大学学报.1999,20(5)：32-42页
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