舰船用柴油机燃烧放热规律数值分析方法

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(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

对于柴油机或汽油机的燃烧分析，多用专业的燃烧分析仪来完成，但是燃烧分析仪价格昂贵，操作过程固化，且在舰船环境下，由于空间限制和设备可靠性等问题，无法直接测取某些必须参数。为寻找一种更简单便捷的确定柴油机燃烧规律的方法，以潍柴WD615柴油机为研究对象，针对影响因素进行数据修正，使用几种常用的燃烧放热规律的数值方法，与AVLBOOST软件的计算结果进行对比；同时针对实测条件下不便使用编码器触发的问题，使用飞轮信号做转角信号处理，以获得较为准确的示功图和燃烧放热规律。

1 试验台架介绍

1.1 试验机介绍

实测潍柴WD615的运行。主要参数见表1。所用传感器相关参数见表2。

表1 WD615主要参数

表2 传感器

除上述传感器外，还在进气管处安装了恒压箱和空气流量计以及油耗测试通道。以此来获取试验机运行的其余相关参数。

1.2 示功图的测取

使用光电编码器作为采集卡的外部触发信号，使用NI PXI- 4472采集卡对缸压信号和上止点信号进行同步外触发采样。采集系统组成见图1。

图1 采集系统

2 根据实测示功图计算放热率

基于热力学第一定律，采用零维燃烧模型，根据气缸内的能量守恒方程进行放热率计算[2]

(1)

方程(1)的物理含义是：气缸内燃烧放热率QB等于气缸内工质的内能U变化率、作功量W变化率及散热量Qw变化率的总和。

2.1 差商法计算燃烧放热率

2.1.1 内能变化量

ΔU=McvT-M0cv0T0

(2)

式中：M、M0为某瞬时、压缩始点缸内工质物质的量；cv、cv0为某瞬时、压缩始点缸内工质的平均比热定容；T、T0为某瞬时、压缩始点缸内工质的温度。

式(2)中如何确定工质的物质的量和工质的温度是确定工质内能变化量的关键。常用的方法是根据空气进气流量、循环喷油量和燃烧时刻过量空气系数来确定，但在实际舰船环境下，由于空间限制，通常不便安装体型巨大的恒压箱以及进气流量计等设备，因此进气流量往往无法直接取得。为解决此问题，在测试气缸进气歧管处安装了温度传感器和压力变送器。气缸内绝对压力的标定利用进气管压力完成。进气门关闭时的缸内温度，可由公式T0=316+0.86(TL-273)获得。式中TL为进气温度[3]。根据所测得数据，得到进气阀关闭时的气体压力p0、T0。根据气缸的结构数据得到进气门关闭时的体积V0，再由气体状态方程T=pV/MR得到进气门关闭时的物质的量。根据p0、T0、V0所得到的循环充量与根据进气流量计所得到的循环充量对比见表3。

表3 两种确定进气充量数据对比

注：①1 500 r/min，40 kW；②1 500 r/min，50 kW；③1 500 r/min，85 kW

由表3可见，在功率较大时，由多数据计算所得到的循环充量与进气流量所得循环充量相差较大。原因是因为多数据计算是将气体视为理想气体，根据理想气体状态方程所得到。

1 500 r/min、40 kW时两种确定方式温度a)和工质的量b)的对比见图2。

图2 瞬时缸内温度和瞬时工质的量对比

根据图像可以看出，瞬时缸内温度和瞬时缸内工质的量误差保持在初值误差。故在进行循环充量的修正时，只需对初值进行修正。

根据实测数据，在标定转速下选择当前功率与标定功率百分比值，并计算通过进气流量计所确定的循环充量与通过进气温度和压力所确定的循环充量误差百分比。对两组数据进行曲线拟合。对比多种拟合结果，线性插值结果最好。所得到的拟合方程为

f(x)=1.918×[sin(x-π)-0.095 42×(x-102+9.571)]

(3)

式中：x为当前功率与标定功率百分比；f(x)为循环充量误差。实测标定工况下的数据，见表4。

根据方程(3)计算修正量为22.8%，根据误差修正后循环充量为8.154 7×10-5kmol，与真实值误差为1.02%。

表4 标定工况(1 500 r/min 120 kW)下进气充量

以上分析和验证表明，在进气歧管安装温度和压力传感器可对循环充量进行计算，通过进气歧管处压力还可校准压力零线，即可以近似计算燃烧过程初值。通过多数据计算得到循环充量值偏高，根据拟合方程可以对结果进行修正，得到较准确的循环充量。根据油耗仪得到的循环喷油量计算燃烧时的过量空气系数，然后根据M=M0[1+0.065×X/(1+r)×α]来确定瞬时工质物质的量。其中为某一曲轴转角前已燃烧的燃油质量百分数。

2.1.2 做功量

根据实测示功图中的压力值p计算做功量。

2.1.3 散热量

(5)

式中：n为发动机转速;αg为瞬时传热系数;Ai为换热面积;Twi为燃烧室壁面温度。

瞬时换热量的关键是确定平均换热系数。现有的内燃机瞬时平均换热系数αg较多。本文根据试验机型，选择适用直喷式四冲程增压柴油机型的Woschni1978公式。

确定了每微分曲轴转角中的上述值后，可根据式(1)确定瞬时放热量，得到瞬时放热率。确定燃烧规律。

2.2 使用积分法计算燃烧放热率

根据式(1)，对柴油机气缸系统可列出下列微分方程：

(6)

缸内内能的变化

(7)

缸内工质质量的变化为

(8)

瞬时过量空气系数的变化为

(9)

式中：G为瞬时物质质量；ακ为瞬时过量空气系数；Hu为燃料低热值；L0为每千克燃料完全燃烧理论空气质量，gf为计算时刻已喷入气缸中的已燃烧燃油量。

根据初值条件，采用四阶runge- kutta算法对公式积分求解。所需要赋予的初值以气缸封闭状态开始，也就是进气门关闭时刻。

计算中需要注意几个的问题:

2.2.1 初值问题

2.2.2X的变化处理

图3 已燃烧燃油百分比和过量空气系数处理前后对比

根据瞬时过量系数变化曲线可以看出，经修正处理后的已燃烧燃油百分比曲线更加合理。

3 计算结果对比与分析

3.1 计算结果对比

为验证两种计算的准确性，使用AVL Boost中BURN模块，导入实测的示功图，计算瞬时燃烧放热率。

实测柴油机工况为1500 r/min-40 kW。所得到的3种计算燃烧放热规律的结果对比如图4、5。

图4 1 500 r/min、40 kW瞬时放热率对比

图5 1 500 r/min、40 kW放热量对比

根据所得结果提取燃烧始点、燃烧终点、燃烧持续角、最大放热相位和最大放热率对比见表5。

表5 1 500r/min、40 kW燃烧参数对比

实验中还测取了1 500 r/min转速、85 kW下的示功图。根据实测示功图计算所得结果见图6、7，燃烧参数对比见表6。

图6 1 500 r/min、85 kW放热量对比

图7 1 500 r/min、85 kW放热量对比

3.2 计算结果分析

本机为增压高速柴油机，由于增压强化，气缸的进气压力和温度均很高，滞燃期短，使参加预混合燃烧的燃油量较少，从而预混合燃烧放热量相应减少，以致形成不了预混合燃烧放热峰值，只留下这一阶段燃烧放热的痕迹。另外，扩散燃烧占循环供油量比例较大，所以形成的扩散燃烧放热峰值特别高，形成单峰特高的放热规律图形，燃烧持续期也较短。计算所得到的放热规律与本类型柴油机趋势一致[4]。

表6 1 500 r/min、85 kW燃烧参数对比

根据图像可以看出，在根据实测示功图计算柴油机放热规律时，积分法和差商法与AVLBOOST软件计算结果误差均不大。根据放热量图像来看，积分法与AVLBOOST软件计算结果总放热量更为接近。

4 实际测取示功图等曲轴转角化问题

4.1 使用飞轮脉冲信号代替编码器触发

曲轴转角分度信号分辨率决定了示功图的精度，一般情况下采用1(°)CA分辨率就可以保证示功图不失真，能满足热工参数计算的要求。

实船环境中由于空间限制以及设备可靠性要求，自由端并未安装光电编码器，而在盘车齿轮处安装传感器则十分便捷。但是柴油机飞轮齿数一般在100～250之间，每一个齿对应的精度一般在1.5～3.6(°)CA，难以达到要求。

在数据处理时，先寻找齿轮信号的上升沿所在的位置，标定每一个齿轮角度的缸压信号，根据上止点信号得到上止点位置。截取50个循环的数据平均和标定后得到细分后的示功图。再根据细分后的示功图计算放热规律。分别见图8、9。

图8 细分后示功图对比

图9 根据细分示功图计算的放热率对比

可以看出，两种示功图曲线基本重合，但是在压缩和膨胀冲程中，存在相位偏移的问题。根据燃烧规律对比图可以看出，燃烧始点基本一致，但是最高燃烧放热率有所下降，且相位有所偏移。燃烧终点基本一致，稳燃期放热量相差较大。对脉冲细分过程进行分析，在进行插值过程中，由于每循环编码器点数和每循环齿轮脉冲点数不是整数倍(272和1 440)，在插值的过程中出现了非整点数。非整点数无法取得对应的缸压信号。为解决此问题，需要对细分后的示功图曲线进行相位修正。

4.2 对飞轮齿圈脉冲进行修正

由于在插值过程中存在取整误差，故不能直接对细分后的示功图进行放热规律确定。需要对上止点相位进行修正。相关文献表明，上止点位置输入数据误差值大于±1(°)CA时，瞬时放热率就会出现大于±6.6%的误差。本文使用多变指数法对上止点进行修正。

在柴油机压缩过程中，当工质温度等于缸壁温度时，工质和缸壁、气缸盖及活塞之间没有热量交换，出现瞬时绝热过程。假设柴油机整个燃烧过程是由多个多变过程组成，每个小时间间隔是一个多变过程；虽然整个多变过程中n值是不变的，但是整个燃烧过程n值是连续变化的[5]。根据假设建立方程如下。

(11)

式中：p、V、dP、dV分别为缸内压力、容积、压力变化率和容积变化率。假设认为喷油时刻至上止点前，放热率从负值变为正值的点为实际放热始点。此时认定为绝热过程，k为绝热指数，k=1.4，认为此时n=1.4。以此假设作为上止点修正的依据。修正上止点流程图和修正结果见图10、11。

图10 上止点修正流程

图11 修正后多变指数变化对比

所得到的修正后示功图、瞬时放热率结果与编码器触发结果对比、修正前后误差对比见图12、13、14。

图12 修正后示功图对比

图13 修正后放热规律对比

图14 修正前后等曲轴转角气缸压力误差

修正后燃烧参数对比如表7。

根据数据和图像可以看出，修正后的放热规律基本与编码器触发示功图一致，可以对燃烧放热规律进行定性及定量分析。

表7 修正前后燃烧参数对比

5 结论

1)对于燃烧过程循环充量的校准可根据进气歧管温度传感器和压力传感器计算所得。使用拟合方程修正结果，可得到较准确的燃烧初值。

2)在计算柴油机燃烧规律时，采用积分法相较差分法能更准确地表征柴油机燃烧过程。

3)舰艇环境下可使用齿轮信号来对曲轴转角信号进行标定。通过数值插值提高精度，且在插值后需要对上止点进行修正。

4)目前大型舰船柴油机主机均安装有增压空气压力传感器、进气温度传感器或预留相应塞阀和示功阀。上述工作可为下步舰船主机状态监测与故障诊断系统的研制做准备。

[1] 欧阳光耀，常汉宝.内燃机[M].北京：国防工业出版社，2011.

[2] 徐鲁杰，聂志斌.某型柴油机示功图通道效应消除方法[J].船海工程，2013：74- 76，79.

[3] 常汉宝.船用大功率柴油机低负荷性能研究[D].武汉：华中科技大学，2004.

[4] 曹国豪.船舶柴油机示功图测量系统研制[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[5] 常汉宝，王艳武，安士杰.应用MATLAB对柴油机示功图修正方法的研究[J].海军工程大学学报，2003，15(3)；27- 31.