六缸柴油机停缸技术性能规律仿真研究.pdf

基于一款六缸重型柴油机,利用G T P o w e r软件研究了稳态工况下停缸对发动机性能的影响.首先对比不同停缸模式对发动机性能的影响,其中,不同停缸位置以及停止缸缸内初始状态对发动机性能影响不明显;而气缸的停止方式影响最大,相比断油停缸方式,断油、断气停缸方式油耗更低,排气温度更高.其次基于发动机可靠性限制,总结了不同停缸数量的动力性、经济性规律,随着停缸数量增多,发动机能够输出的最大动力逐渐减小,排气温度逐渐升高,油耗率优势区域会逐渐向低负荷偏移.综合以上分析,得出了该发动机应用停缸技术的开发边界.关键词:停缸;排气温度;燃油消耗率;柴油机中图分类号:T K 文献标识码:A文章编号:X()S i m u l a t i o nS t u d yo nC y l i n d e rD e a c t i v a t i o nP e r f o r m a n c eo fS i xC y l i n d e rD i e s e lE n g i n eL i uW e i,W a n g Y i n g y i n g,P e iY u j i a o(W e i c h a iP o w e rC o,L t d,S h a n d o n gW e i f a n g )A b s t r a c t:B a s e do na c y l i n d e rh e a v y d u t yd i e s e l e n g i n e,G T P o w e r s o f t w a r ew a su s e d t o s t u d y t h e i n f l u e n c eo f c y l i n d e rd e a c t i v a t i o no ne n g i n ep e r f o r m a n c e i ns t e a d ys t a t e F i r s t l y,t h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n t c y l i n d e rd e a c t i v a t i o nm o d e so ne n g i n ep e r f o r m a n c e i s c o m p a r e d,a m o n g t h e m,d i f f e r e n t c y l i n d e rd e a c t i v a t i o np o s i t i o na n d i n i t i a ls t a t e i nt h e c y l i n d e rh a v en oo b v i o u s e f f e c t o ne n g i n ep e r f o r m a n c e A n db i g g e s t i m p a c t i s t h ew a yo f s t o p p i n g t h ec y l i n d e r s,c o m p a r e dt o j u s t c u t t i n go f f t h eo i l,T h ec y l i n d e rd e a c t i v a t i o nm o d eo fc u t t i n go f fo i la n dg a sa tt h es a m e t i m eh a s l o w e r f u e l c o n s u m p t i o na n dh i g h e r e x h a u s t t e m p e r a t u r e S e c o n d l y,b a s e do ne n g i n e r e l i a b i l i t yr e s t r i c t i o n,t h e r u l eo f p o w e rp e r f o r m a n c e a n de c o n o m yo f d i f f e r e n t n u m b e r o f c y l i n d e rd e a c t i v a t i o n i s s u mm a r i z e d A s t h en u m b e ro f c y l i n d e rd e a c t i v a t i o n i n c r e a s e s,t h em a x i m u mp o w e ro u t p u to f t h ee n g i n ed e c r e a s e sg r a d u a l l y,a n dt h ee x h a u s t t e m p e r a t u r e i n c r e a s e sg r a d u a l l y,a n dt h ea d v a n t a g ea r e ao f f u e l c o n s u m p t i o nr a t ew i l lg r a d u a l l ys h i f t t o l o wl o a d B a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s,t h ed e v e l o p m e n tb o u n d a r yo fc y l i n d e rd e a c t i v a t i o nt e c h n o l o g yi so b t a i n e d K e yw o r d s:C y l i n d e rd e a c t i v a t i o n;E x h a u s t t e m p e r a t u r e;F u e l c o n s u m p t i o nr a t e;D i e s e l e n g i n e作者简介:刘伟(),男,山东费县人,工程师,主要研究方向为柴油机空气系统.前言随着我国“碳达峰、碳中和”的生态建设目标的确立,汽车行业相关的污染物排放法规也将愈加严格,在柴油机领域中,氮氧化物比排放属于最重要的指标之一,目前主流的后处理技术为S e l e c t i v eC a t a l y t i cR e d u c t i o n,即S C R,根据其特性,当排气温度低于 时,S C R对于氮氧化物的转化效率会极大降低,另一方面,由于柴油机动力系统是按照最大功率设计,其部分负荷的排温普遍较低,若发动机长时间运行在低负荷,就会造成发动机实际工作时加热模式的占比时间长,而常规的加热模式通常以牺牲油耗为代价.发动机停缸技术通过控制气门喷油器的启停动作,控制部分气缸工作,能够在降低油耗的同时,显著提升低负荷工况的排气温度,且由于排气流量减小,排温升高,后处理系统的传热损失减小,可保持较高的催化效率,从而改善发动机的排放性.西南研究院G a r yDN e e l y等人在一款 L柴油机上对比了E G R旁通、停缸等多种提排温措施,发现停缸对于提升排温、降低油耗的效果均优于其他措施,M r u n a l J o s h i等人基于几种低负荷工况较为集中的整车排放循环,测试了停缸技术的性能表现,其在控制氮氧排放水平的条件下获得了明显的油耗收益.停缸技术在排放控制中表现出了巨大潜力,为帮助实现停缸技术的产品化应用,本文以某重型六缸柴油机为例,利用热力学软件建立发动机模型,研究了稳态条件下不同停缸模式、停缸数量的性能规律,为试验开发明确该技术的适用边界.模型标定本文中使用G T P o w e r一维热力学软件,建立六缸停缸发动机模型,其燃烧模型采用D I_P u l s e模型,该燃烧模型的优势是能够简化标定参数,提高预测性,且当气侧边界变化时,依然可以保持较高的准确性.首先根据六缸正常工作试验数据进行热力学标定,并保证计算工况覆盖整个万有特性,尽可能模拟发动机在实际断缸试验中油耗率和涡轮后排温等性能表现.其中参考环境边界为一个大气压,标定后模型的精度如图所示,由图可知,仿真值与试验值吻合良好,各参数相对误差均控制在以内.在停缸计算过程中发动机模型采用P I D喷油量输出 年第 期相同扭矩,切换模块控制停缸的喷油器、进排气门升程、缸内传热、摩擦功;在各切换策略均设置为统一的缸内换热系数;摩擦功采用C h e n_F l y n n模型,暂未考虑NVH问题带来的影响.a)r/m i n缸压b)r/m i n缸压c)r/m i n缸压d)BME Pe)进气流量f)燃油消耗率图试验参数与计算参数对比停缸模式性能分析在发动机稳态运行条件下,根据停缸位置、停止缸内初始状态、气缸停止方式、停缸数量的不同可以区分出不同的停缸模式,由于停缸数量对于性能的影响较大,本节主要针对在停缸数量相同的前提下对前三项因素展开研究.停缸位置性能分析如图所示,从能量角度来看,当停缸数量相同时,不管是停一缸还是停两缸,发动机的各部分能量分配没有因为停止缸位置产生明显的变化,因此判断油耗率和涡轮后排温等性能参数差异不大,不同计算工况的仿真结果也是一样,但是结合实际考虑,停缸后发动机工作的不对称性,发火顺序不连贯,将会造成发动机的振动、噪声等NVH问题加剧,进而对性能产生影响,这些可能的风险放在相应的NVH仿真评估中进行,这里不再赘述.a)停一缸b)停两缸图发动机各部分能量变化 停止缸缸内初始状态性能分析由于停缸指令的执行时刻不同,根据缸内充气状态可将其分为高压和低压两种典型状态,进气下止点停缸时为高压状态,在气门叠开期停缸时为低压状态.根据图,通过对比停止缸四个冲程的平均指示压力(I ME P)可知,当停止缸 处 于 高 压 状 态 时,油 耗 率 相 比 低 压 状 态 高 约 g/k W h,这是由于此时停止缸的缸压较大,使工作缸平摊了更大的压力损失以满足输出功率,且两次往复运动中膨胀冲程都会产生较大的压力损失,四个冲程的I ME P在数值上压缩负功是大于膨胀正功的,且高压状态的变化幅度大于低压状态,结合表数据分析,高压状态下缸内传热量相较于低压状态更大,摩擦和泵气损失更大.实际上,由于活塞漏气,缸内状态会逐渐趋近于一种稳定状态,但在刚开始执行停缸的前数个循环内,这种高低压状态是实际存在的,高压状态下虽然油耗表现较差,但低压状态也会由于缸内真空度产生机油倒吸的问题,因此需根据实际的停止缸稳定运行状态,以确定一个合理的停缸时刻,避免产生上述问题.内燃机与配件w w w n r j p j c n图停止缸平均指示压力对比表缸内初始状态的性能参数对比停止缸缸内状态停止缸缸压峰值缸内传热量平均机械损失压力燃油消耗率b a rk Wb a rg/k Wh高压 低压 气缸停止方式性能分析气缸停止工作的方式按照停缸时喷油和气门的执行动作,主要有断油式和断油/断气式两种方式.根据表,断油/断气式相比断油式燃油消耗率更低,而排温却更高,一方面是由于仅停止喷油时,气门正常的进排气动作会导致 泵 气 损 失 依 然 存 在,并 且 新 鲜 充 量 会 进入排气管使得排温降低,断油/断气式停止缸气门无动作,不产生泵 气 功,因 此 从 整 机 角 度 来 看 泵 气 做 正 功,对油耗有利,同 时 新 鲜 充 量 不 会 进 入 排 气 管 造 成 排 温降 低,另 一 方 面 断 油/断 气 式 停 缸,工 作 缸 能 够 获 取 更高的进气充量,较高的空燃比使燃烧放热变快,主燃期变短,燃烧过程进入废气的能量占比减少,虽然缸内传热 量 增 大,但 影 响 较 小,最 终 断 油/断 气 式 的 热 效 率 相较于断油式高,另外停止气门运动对于可靠性也是有利的.表气缸停止方式的性能参数对比参数整机有效热效率排气温度缸内废气能量缸内传热量PME P工作缸空燃比主燃期缸压峰值b a rd e gb a r断油/断气 断油 停缸数量性能分析 动力性分析停缸数量对于性能的影响是巨大的,因此基于前面研究确定的最优停缸模式,以及柴油机本身的可靠性边界,研究了不同停缸数量下发动机动力性、经济性、可靠性的性能差异.发动机停缸时,由于发动机工作排量的减小,需要增大单缸负荷率以保证相同的输出功率,维持发动机正常工作,因此导致缸压、排温等可靠性相关参数受限,同时发动机最大进气能力减弱,增压器的喘振风险也会逐渐增强.以 r/m i n负荷特性为例,如图所示,停缸数量越多,爆发压力、增压温度随负荷增大的速率越快,迅速超越了原机水平,根据增压器联合运行线,随着进气量大量减少,高负荷区域已经运行在喘振线左侧,存在较强的喘振风险,因此停缸数量越多,发动机能够达到的最大动力也越小,综合万有特性得到了不同停缸数量对应的最大动力性如图,从仿真精度考虑,后续仅分析三缸工作及以上的情况.a)爆发压力b)增压温度c)增压器联合运行线图停缸数量对可靠性参数的影响图不同停缸数量下发动机最大动力性 经济性分析如图所示,由原机正常工作时的性能规律可知,随着BME P增大,废气带走的能量占比减小,摩擦损失占比减小,缸内传热量占比增大,有效热效率随之增大,由变化幅度可知,摩擦损失对于热效率的影响最大,但在发动机停缸时,摩擦损失的变化比较小,此时缸内传热量和废气能量主导了热效率的变化,其中缸内传热量的占比随停缸数量增多而增大,对油耗不利,而废气能量的占比也仅在较低负荷时表现出降低的趋势,因此发动机停缸后,能够获得油耗收益的区间仅存在于低负荷区域,另一方面,由于停缸后发动机进气量大幅降低,排温提升效果非常明显,这有利于降低后处理传热损失,保持较高的催化效率.基于以上分析,计算对比了不同停缸数量下发动机油耗、排气温度的万有特性,如图所示.其中五缸工作相比原机状态,在扭矩区间 Nm Nm,即BME P在 b a r b a r以下时,存在油耗优势 g/k W h,此区域排温提升 ;四缸工作相比原机状态,在扭矩区间 年第 期 Nm Nm,即BME P在 b a r b a r以下时,存在油耗优势 g/k W h,此区域排温提升 ;三缸工作相比原机状态,在扭矩区间 Nm,即BME P在 b a r b a r以下时,存在油耗优势 g/k W h,此区域排温提升 ,随着停缸数量增加,油耗收益区不断向低负荷区域收缩,而排温提升效果愈加明显.a)缸内废气能力b)摩擦损失c)缸内传热量d)有效热效率e)空燃比f)排气温度图不同停缸数量下发动机性能对比a)原机与五缸工作的油耗差值b)原机与四缸工作的油耗差值c)原机与三缸工作的油耗差值d)原机与五缸工作的排温差值e)原机与四缸工作的排温差值f)原机与三缸工作的排温差值图不同停缸数量下万有特性对比结论)相同停缸数量时,不同的停缸位置对发动机性能的影响很小.)停缸时刻会影响缸内压力状态,进而影响油耗或缸内真空度,需根据试验摸底停止缸的稳定状态,以确定最理想的停缸时刻.)停缸时断油、断气的方式,相比仅断油的方式更省油,且提升排温效果更好.)停缸动力性受到可靠性指标的限制,停缸数量越多,发动机能够达到的最大动力也越小.)随着停缸数量增加,油耗收益区不断向低负荷区域收缩,而排温提升效果愈加明显.)推荐该发动机应用停缸技术的开发边界,为后续停缸试验提供理论支持.参考文献:田翀柴油机停缸技术试验研究J内燃机与配件,():王迎新,谢夏琳六缸车用柴油发动机停缸方案的试验研究J内燃机与配件,():A s w i nK a r t h i kR a m e s h C y l i n d e rD e a c t i v a t i o nf o rI n c r e a s e dE n g i n eE f f i c i e n c ya n dA f t e r t r e a t m e n tT h e r m a lM a n a g e m e n t i nD i e s e l E n g i n e sJ S A ET e c h n i c a l P a p e r ,d o i:/