基于GT—power模型的某游艇發動機仿真分析

夏清梁+高占斌

摘 要：利用GT-Power仿真軟件和增壓柴油機TBD234V6技術參數、性能參數等建立其整機模型，并對該模型內部所采用的計算原理進行了分析，而后利用試驗數據與該整機模型仿真結果進行對比及校核。結果表明，其各個參數在誤差均在6%要求范圍內，能夠較為準確地模擬該型號游艇發動機的實際工作情況，為后續研究奠定基礎。

關鍵詞：GT-Power；游艇發動機；渦輪增壓；仿真；校核

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.252

0 引言

柴油機以其突出的熱效率、扭矩特性和可靠性被廣泛用作船舶、固定式裝備及各種車輛的動力[1]。隨著國家對發動機節能和排放要求的逐步提高，提高功率、降低油耗、滿足排放標準要求就成為我們研究的最終目的[2]。而對于柴油發動機傳統的研究常采用臺架試驗方法，人力和物力消耗大，設計周期長，效果差。仿真技術可在計算機上反復多次試驗運行，具有投資少、效益高、無風險、周期短、重復性好等優點，可獲得比實物試驗更多的信息，從而成為發動機開發設計和改進工作的一個重要手段和環節[3] 。

本文首先建立了TBD234V6增壓中冷柴油機GT-Power仿真模型，并對其進行了驗證和校核。模型最終滿足誤差要求，為該型號柴油機作為游艇發動機的進一步研究分析及優化提供理論依據。

1 柴油機TBD234V6 GT-POWER建模

目前常見的發動機工作過程模擬軟件主要有FIRE、BOOST 、GT-Power等。GT-Power是由美國Gamma Technologies公司開發的、適用于對各種內燃機工作過程及性能仿真分析的大型軟件，得到廣泛的應用[4]。本文研究對象為河柴重工提供的TBD234V6增壓中冷柴油機，基本參數如表1 所示。

利用GT-power建模時應首先建立其單缸模型，再此基礎上構建V型6缸的整體模型。在該模型中應包括進排氣端、進排氣道、中冷器、進排氣閥、廢氣渦輪增壓器、噴油器、氣缸、曲軸箱等模塊。在建模的過程中對于各個模塊中涉及的柴油機基本結構參數按實際數值輸入，完成之后設置好運行條件進行運算，得到的結果與試驗臺架測試的結果比較，驗證模型的準確性，最終得到比較精確的整機模型，建模流程如圖2所示，整機模型如圖2所示。

2 數學模型

2.1 傳熱模型

柴油機工作時，工質向氣缸蓋底面，活塞頂面和氣缸套的濕潤表面等燃燒室各個壁面的換熱量Qw是能量守恒方程中的一部分。根據工質對燃燒室周壁面的瞬時平均換熱系數αg和壁面的平均溫度Tw，可以計算出Qw。按傳熱學中的牛頓公式，單位曲軸轉角的換熱量可寫成：

其中，ω為角速度，αg為瞬時平均換熱系數，A為換熱面積，T為氣缸內工質瞬時溫度，Tw為壁面平均溫度，i=1，2，3時分別代表氣缸蓋，活塞，氣缸套。而對于αg采用Woschni公式來計算：

其中，T為氣缸內工質溫度，D為缸直徑，Cm為活塞平均速度，pa、Ta、Va、Vs分別是壓縮始點缸內工質壓力、溫度、氣缸容積、氣缸工作容積，C1 、C2分別是氣流速度系數和燃燒室現狀系數。

推薦的壁面平均溫度值為： 缸蓋表面溫度： 550 ～ 600 K；活塞頂表面溫度： 550 ～600 K； 氣缸套表面溫度：400 ～ 450 K。對于本文所建立的整機模型，缸蓋表面、活塞頂表面、氣缸套表面選擇的溫度分別是 550 K、550 K、400 K。

2.2 燃燒模型

GT -Power 提供6種燃燒模型，可用于壓燃式發動機，也可用于點燃式發動機。模擬油機燃燒放熱規律最常見的是三元韋伯燃燒模型—Eng Cyl Comb DIWiebe，該模型把整個燃燒過程分為預混合燃燒、主燃和后燃，整個燃燒放熱率曲線由3條韋伯函數曲線疊加而成[5]。Weibe模型形式簡單，采用由化學反應動力學推導出的半經驗公式：

將上式兩端對φ求導得到：

式中，X為燃料燃燒百分數，dX/dφ為X隨曲軸轉角變化率，m為燃燒品質指數，φ為瞬時曲軸轉角，φZ燃燒持續角，φB為燃燒起始角，φC燃燒終點角。從公式中可以得出，只要適當地選取參數 m、φB、φZ，由韋伯公式表達的放熱率就唯一被確定。

2.3 噴油器模型

根據發動機缸內噴射、進氣道噴射、進氣歧管噴射等燃油噴射系統形式，選擇不同的噴油器模型。已知瞬時噴油壓力情況下使用 InjProfileCon噴油器模型； 已知燃油噴射量和空燃比的情況下使InjAFSeqConn 噴油器模型，一般用于汽油機建模； 已知燃油噴射量和噴射脈寬的情況下使用InjPulseC-onn 噴油器模型，多應用于電控發動機。對于柴油機，一般使用 InjProfileConn 模型，在輸入瞬時噴油壓力 MAP 圖時，應注意噴油壓力值對應凸輪軸的轉角為對應曲軸轉角的一半[6]。

而進排氣系統包括進進排氣氣道、排氣氣門、進排氣歧管。GT-power管內采用一維非定常流動，流動計算的方法推薦的方法是顯式求解。流體的計算是采用：有限容積法。

2.4 增壓系統

此次仿真采用的是增壓中冷系統。當柴油機在穩定工況時，渦輪增壓器應滿足下列共同工作的條件：

①渦輪與壓氣機能量平衡： NT=NK； ②通過渦輪與壓氣機的流量平衡： ，其中，為渦輪流量，為壓氣機流量，相應的燃油量；③轉速相等，由于壓氣機和渦輪是連續在同一根軸上的，所以壓氣機的轉速始終等于渦輪轉速，即nT=nK=nTK。

一般情況下，渦輪和壓氣機特性沒有數據，而只有渦輪和壓氣機特性圖，需從圖中提取相關數據，對壓氣機而言，必須給出喘振線和阻塞線。GT -Power 規定，壓氣機和渦輪 MAP圖輸入最少要有2 個速度，每個速度至少有3 組數據。對壓氣機而言，每組數據中流量最小、壓比最大點默認為喘振線上的點。阻塞線為壓氣機的最大速度線，要求匹配點在阻塞線內，且要有一定裕度。不管是壓氣機還是渦輪，高效率區的點必須標出。數據越多，輸入MAP 越接近壓氣機和渦輪特性線[7]。

由于壓氣機和渦輪工作條件不一樣，要想得到匹配，需將流量和轉速折算到同一條件下。GT -Power

轉速和流量修正公式為：

式中： 對于壓氣機而言，Ti為壓氣機進口溫度，Tref為參考溫度，Rin為進氣的氣體常數，Rref為參考氣體常數，Pin為進氣壓力，Pref為進氣參考壓力； 對于渦輪而言，Ti為渦輪前溫度，Tref為參考溫度，Rin為廢氣的氣體常數，Rref為參考氣體常數，Pin為渦輪進氣壓力，Pref為進氣參考壓力。如果要使修正的速度和流量與實際值一致，即使得渦輪和壓氣機匹配圖上的點與輸入 MAP 圖保持一致，則渦輪、壓氣機的數據設定為： 壓氣機：Tref= Ti= 298 K，Pref= Pin= 100 Pa，Rref= Rin= 287 J / （ kg·K） ； 渦輪： Tref= Ti= 渦輪前溫度，Pref= Pin= 渦輪前壓力，Rref= Rin=289 J / （ kg·K）[8]。

3 試驗臺架及校核工況點

此次試驗是以一臺排量為10.8L的渦輪增壓柴油機為基礎進行的， 如圖3是試驗試驗臺架結構簡圖?？刂圃囼炁_架由柴油機TBD234V6、AVL439煙度測量儀、DEWE2010燃燒分析儀、HORIBA-MEXA-1600DSEGR排氣分析儀、DW440電渦流測功器、NCK2000發動機測控系統、HZB2000油耗測量儀等測量裝置，各種傳感器及其顯示儀器組成。

研究所用的渦輪增壓柴油機TBD234V6作為游艇的推進動力，必須能夠帶動螺旋槳進行穩定工作。當發動機按照螺旋槳特性（推進特性）運行時， 其輸出功率與轉速3次方滿足正比關系。因此，在已知功率或轉速n的情況下，可根據公式（C為常數）計算得到另一個參數，而扭矩可由計算獲得。本文從標定功率 Pe0的10%（696r/min）開始，每間隔10%設置一個工況點，分別為20%Pe0（877r/min）、30%Pe0（1004r/min）、40%Pe0（1105r/min）、50%Pe0（1191r/min）、60%Pe0（1265r/min）、70%Pe0（1332r/min）、80%Pe0（1392r/min）、90%Pe0（1448r/min）、100%Pe0（1500r/min），共計10個工況點。如表2所示，是通過計算得出的具體10個工況點。

4 模型仿真結果校核

GT- Power 仿真軟件在設置初始條件時，需要該柴油機轉速和每循環噴油量，且負荷的大小由噴油量所確定。因此，要由試驗臺架所測得的實際油耗量再計算得出每循環噴油量，具體如表 3所示。

如圖4～9分別是該游艇發動機功率、扭矩、空氣質量流量、增壓壓力、燃油質量流量、NOX濃度的校準曲線，即試驗值與仿真結果的對比。

從圖中可以看出試驗值與仿真結果的吻合度較高，且功率、扭矩、進氣量及增壓壓力的誤差值在6%以內，油耗誤和NOX濃度的最大誤差不超過 5% ，以上參數的校核均在正常的誤差范圍； 所以，此次建立的GT-Power整機模型是有效的。

4 結論

本文主要是利用GT-Power仿真軟件建立了渦輪增壓柴油機TBD234V6整機模型，分析該不同模塊采用的數學原理。而后利用臺架所測得的試驗數據與該模型仿真結果進行校核，最終獲得了較為準確的發動機模型。該模型的建立可為進一步研究渦輪增壓柴油機TBD234V6奠定理論基礎，同時也大大減少了人力、物力及時間的投入。

參考文獻：

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[9]楊學易，何超.基于GT-Power的6缸渦輪增壓柴油機仿真與模擬[J].江蘇農業科學，2015，43（07）：431-432.

作者簡介：夏清梁（1988-），男，碩士在讀，研究方向：內燃機性能與增壓。