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关于涡轮增压柴油机特定的功率和性能的增强
Kareem Emara 机械动力工程学院 赫勒万大学，开罗，埃及
Ahmed Emara 机械动力工程学院 赫勒万大学，开罗，埃及
Elsayed Abdel Razek 机械动力工程学院 赫勒万大学，开罗，埃及
摘要
在许多关于发动机的应用研究上，工程师们对关于提高重型柴油机的发动机功率方面表现出了极大的兴趣，而涡轮增压器是用于增加发动机的特定功率的最重要方式之一。本研究旨在开发一种分析模型来模拟直喷式柴油发动机的性能和燃烧特性。这种模式依赖于的连续性、动量、能量以及状态方程的基本守恒方程，这些方程是使用两个步骤LAX-Wendroff格式数在一起值求解的。为了解决这个问题，在四冲程、直喷重型柴油发动机为基础的引擎和功率由 15%的涡轮增压器的中，利用电脑FORTRAN代码进行开发和应用来研究六缸的性能和燃烧特性。由于此代码是开源代码，并且预处理器很人性化，所以很容易在工作中、在任何时间使用。计算的结果与采用DIESEL- RK软件发动机仿真得到的结果进行比较。DIESEL-RK规划求解可在外部代码的控制下运行。在这种情况下程序的界面包括输入与输出两种文本文件，而这些文件的模板是自动生成的。这个模型提供了合理的估计，并且模型的实验验证表明了在数学模型、DIESEL- RK软件和实际测量之间的合适的关系，提高了预测性能的能力和预测直喷式柴油发动机燃烧特性的能力。同时进行了模拟研究，来对比涡轮增压发动机和自然吸气直喷发动机。这项研究检查了发动机的工作参数，如制动功率以及在在整个转速范围内制动燃料的消耗，并且显示出涡轮增压提供更高的制动功率和较低的制动特定燃料消耗值。结果表明，涡轮增压可以提供更高的热效率而且能提高发动机性能。
术语：BSFC 制动燃油消耗率
CIE 压燃式发动机
DI 直接喷射
EGR 废气再循环装置
HP 小时功率
SFC 燃油消耗率
TDC 上死点
一、介绍
柴油发动机广泛应用于重型运输中。近年来，废气涡轮增压柴油机的应用也越来越广泛的应用，因为它可能是增加发动机性能最有效的方法，并产生最高的特定的输出和最佳的功率重量比。有许多研究、实验和仿真程序已在各自领域使用DIESEL- RK软件。DIESEL- RK软件用于热力学模拟计算和ICE的优化，这需要考虑到考虑活塞碗形，涡流强度，注水剖面，包括多级微处理器控制注射、 数目、 直径和喷嘴，喷雾剂与壁面相互作用以及相互作用的壁面形成的相互作用。多区 RK 模型则还要考虑到EGR （废气再循环）以及活塞和气缸盖的热计算中的温度释放过程。该模型可以准确地预测热释放速率、 氮氧化物和不同工况下在整个运行范围而无需进行重新校准 [1，2] 的柴油发动机排放黑烟。巴布和哈姆丹描述有关的四冲程压缩点火发动机，其通过替代燃料在柴油 - 乙醇和柴油 - 醚混合物的形式动力性能的理论研究得出，添加的每个醇的量是5，第10和15％（体积）。而其中几个参数的计算；发动机转矩，制动平均有效压力、制动功率、燃油消耗率和热效率，这是用diesel-rk软件进行的。有发现表明发动机是最高的热效率时，是由一个15%的乙醇柴油混合动力，而在最低的热效率时，则是由纯柴油燃料。Yamin和Eyad提出了一份关于可变行程技术对四冲程、水冷直喷式柴油发动机的排放的影响主要为柴油发动机设计的实验验证的计算机软件有一定的帮助。排放水平研究了在速度范围内1000 rpm至3000 rpm和行程长度120至200毫米，并且与原发动机的设计进行了比较。仿真结果清楚地表明变行程技术在减少废气排放水平中的效用。
纳西姆等人描述了四冲程、 单缸、 空冷直喷压燃式发动机动力即整洁麻疯树油性能的仿真的结果。纯麻疯树油的预热30摄氏度至100摄氏度进行。发动机性能的研究是在1500到4000转速度范围内，与设置在节气门全开的引擎转速范围和下操作引擎，因此满负荷条。Kuleshov进行了研究模型模拟不同的引擎性能，通过计算的结果，发现允许超过最佳值描述现象增加的燃料消费与旋流相比增多一些。该模型已被用于模拟不同的发动机的性能。用于高速卡车和中速柴油机获得的计算出的结果显示的SFC的一个很好的一致性，电源，烟和在整个工作范围内的实验数据的NOx排放，其中包括空转模式7至10％的容量，从几个经验关系估计了内燃机的燃烧室的传热系数和热通量。其中的一些表达式是基于圆管内湍流流动强迫对流努塞尔数相关性来计算的。C.A.Finol和Robinson确定并讨论了最重要的相关性，而且还对现代的柴油引擎的功能和造型的未来发展研究要求进行了评述。
Kuleshov和Mahkamov 用DIESEL-RK软件模拟压燃式发动机的性能时，它是通过使用涡轮增压器的柴油燃烧仿真供电，并且它考虑和优化活塞碗状，喷射器的设计和它的位置，形状，以模拟一个压缩点火发动机的性能注入剖面，包括多点喷射模式[8]。本研究的目的是用一个FORTRAN代码的仿真程序来评估涡轮增压的以上在不同的发动机运行条件下的发动机性能和燃烧特性的影响[9]，相比柴油-RK软件;除了大量的实验工作外，测试还需在自然吸气和涡轮增压发动机进行。
二、方法论
涡轮增压器是先进的清洁柴油系统的一个组成部分。相比非涡轮增压发动机，它们提高了燃烧过程的效率，更有效地燃烧燃料，特别是在高度可变的操作条件下，并从一个给定的发动机中提取出更多的功率。广泛的稳态实验研究已经采取的目标，提高发动机的性能，在不同的操作条件下具有最高的特定的输出功率和最佳功率重量比。调查是在六缸线、水冷、直接喷射，重型柴油发动机，以150毫米孔和中风，分别是15:1的压缩比和额定的输出 300 必和必拓在 1800rpm作为基地的引擎中进行的，除了调查已经重复了350对升级发动机功率与必和必拓使用涡轮增压器。涡轮增压器充电的压力1.5巴，是特殊的适配器位于引擎后部。
广泛的实验调查和修改已经为涡轮增压器的匹配优化与测试引擎提供了便捷。径流式涡轮叶片是由一双流量优化的排气气体流形安排，而不是一个自然吸气式发动机驱动的。先后发射的每三个汽缸可以成一个共同的流形，防止排气和清理过程之间的干扰，利用排气气体脉动耗尽。排气门打开早一点和气门重叠期增加允许完全清除余隙容积，供应涡轮增压器更多的精力。燃油喷射系统已被修改为更大的喷口面积与较大的抽元素，以及提供更的多的燃料，并且供油提前角的重置。提高发动机充气效率进行了优化设计的进气系统和空气滤清器。当在不同的速度和负载运行时，实验的程序进行，以评估发动机燃烧特性和制动力矩、制动功率、热效率高、容积效率和燃油消耗率的性能。通常的测试进行吸气和涡轮增压引擎。实验已经进行了从1000到2200 rpm的发动机转速。另外一个仿真程序用FORTRAN代码相比diesel-rk软件也进行了评价在不同操作条件下，对相同的涡轮增压发动机的性能和燃烧特性造成的影响。
三、理论分析与建模
任何内燃机的性能，无论是自然吸气和增压，取决于发生发动机气缸内的过程。燃烧，这是最重要的过程，是由燃烧室内的空气量控制。因此，了解增压过程中，通过涡轮增压器的内部燃烧发动机性能和排放的重要规则。为了实现这一目标，FORTRAN编程复杂的模型来模拟发生在发动机气缸的物理过程。基于守恒定律和状态方程的模型，而这些方程与许多重要的参数，将得到的解决方案，如循环压力和温度变化。压缩点火发动机（CIE）具有较弱的混合比火花点火引擎（SIE），二氧化碳的分离被忽视。这一假设使得热力学分析的方法简单得多，比使用在火花点火发动机，也将考虑到在压缩点火发动机的燃烧过程不同于火花点火发动机，因为燃料是连续地注入气缸之前，在燃烧过程中。气体动力学的控制方程表示的守恒定律（质量，动量，和能量）和状态方程。通过在前面的新鲜空气中的废气的扩散，导致获得一些残留的气体在新鲜的费用。它作为EGR动作从而控制排放的结果。Lax-Wendroff格式用于处理时空网格逐行从底部，在计算两步前解决上述方程。
拉克斯-温德洛夫格式用来解决以前方程通过处理空时网格从底部到顶部的行所做的两个步骤计算。第一步是计算水平上的中间点（n 1/2）使用以下等式 (图 1):
第二步上新的台阶指定点的算法 （n 1） ︰
其中，U和F分别是：
其中B代表作为传热和摩擦损失的期限。空间距离Delta;x指定空间方向的网格点Nnodes。但时间Delta;t时间方向中也必须重新计算每个时间步长。
四、边际条件
边界条件的模拟过程中考虑到的如表 1 所示：
同时，燃烧特性也可以自由通过不同变量缸内和当涡轮增压器附有提出了发动机的特点确定。发动机旋转在2000 rpm，压缩比为15，有以下规格，150 毫米钻孔，脑卒中的180 毫米，连杆长度等323.5毫米，具有6缸。提出了的发动机采用柴油燃料的平均元素组成 （质量分数） 的 C = 0.870，H2 = 0.126，O2 = 0.004 的较低的加热，燃烧 (Hℓ = 42.5 兆焦耳/公斤)。在场的氧燃料建设中，使它在化学反应和加上它的热值更积极响应。
五、实验装置
本研究是在埃及阿勒旺大学工学院的研究实验室进行的，对六缸,线,水冷,重型,直接喷射柴油引擎,150和147毫米孔和中风,分别与压缩比15:1和额定功率是300 bhp在1800 rpm。实验装置包括重型直喷式柴油发动机和所有仪器仪表必要测量发动机性能和排放浓度，发动机被附在正确的路线与测功机;这有助于稳定运行和消除振动。外部加载被由弗劳德水力测功机 (类型 D.P.Y);万向轴与两个万向节和防止旋转的设计提供了连接到引擎的测功机。最多有水刹车制动功率可以达到 500 bhp和3500 rpm，发动机的扭矩是在机械的规模与测功机测量的。测功机被自称是精确到 plusmn; 0.025%的名义评级。所有发动机流体温度都监测使用 K 型热电偶;该引擎有不同的燃料喷射定时的规定。开放的体积测量系统用于测定在测试过程中发动机的燃料消耗记录，一定体积的消费的时间，计算每小时油耗。交付给引擎的空气是由稳定—国家空气流量计位于上游的调压计量的。发动机转速 (rpm) 被衡量齿数的齿轮和磁性捡起组合安装在发动机输出轴上。
图2所示的发动机布局草图和位置传感器在测量过程中使用，发动机冷却液温度是由换热器塔系统旨在恒温设置按住指定的冷却剂出口温度控制的。测试控制台包含测功机控制，以及常规量具指示发动机油压、发动机转速、水压力和测功机，除了入口和出口的发动机及底盘式功率机，水的温度和排气气体温度。此外中最相关的位置沿进气和排气系统，以及高频率的温度和压力的压力数据在同一地点。从压力传感器，光学传感器和热电偶、发动机转速和旋转传感器被数字化记录在PC的帮助下Lab View 软件供以后分析使用数据采集卡的曲轴转角信号模型 CIO-DAS1602/12，12位，32通道单端16差异。
六、实验不确定度
发动机转速、发动机制动力矩、燃料流量和空气质量流量的测量的数据列出并记录引擎升级电源的两种情况。这些实验被重复三次，与在表中记录的值。根据所有的测量数据，可得平均值(X)和标准差 (Sx) 可以表示为 [14,15,16]:
不确定性被定义为 [15]:
计算的平均值、标准差和不确定性所示表2和3。表2说明基地发动机的数据之前任何修改但表3升级发动机功率后显示测量的数据。所有的测量数据的不确定度是可靠和可接受，因为它的范围从 0.0%至 2.64%。
七、结果和讨论
结果包括发动机性能和燃烧特性的比较之前和之后安装涡轮增压器。与软件DIESEL-RK相比，FORTRAN 代码也将用于计算传热系数内缸、制动功率，制动力矩、制动热效率和容积效率。
（一）发动机气缸内的压力
在压缩点火发动机中，气缸压力预混燃烧阶段取决于燃料的燃烧率。
高气缸压力，确保更好的燃烧和热释放。图3显示的典型压力变化对曲轴转角。通过Diesel-RK软件获得的压力峰值是87bar和通过 FORTRAN 代码几乎 83.56 栏获得的压力。已观察到计算的 FORTRAN 代码由气缸内气体压力进入协议与Diesel-RK软件接受误差为4%的结果。
在CI发动机气缸压力依赖火力发电率预混燃烧阶段。高气缸压力，确保更好的燃烧和热释放。图 4 显示的典型压力变化对曲轴转角为基地发动机和涡轮增压发动机由于Diesel-RK软件仿真与 FORTRAN 代码相比。可以看到基地发动机气缸压力是涡轮增压发动机相比，低了约 10%的。它指出得到了两种情况下的最大压力接近贸发局和总是从Diesel-RK软件高于从 FORTRAN 代码结果的计算数据。
根据压力上升的温度，燃烧气体将会增加。这是因为更多的空气进入气缸从涡轮增压器和燃油从改性的喷射系统。但请注意最高温度与顶死中心附近的最小功率，如图 5 所示。这种现象发生由于燃烧持续时间的变化在300 HP from109.8 曲轴转角程度和达到350 HP to78.8 曲轴转角度。这一事实表明的时间内发生的最大的力量不是不足以完成燃烧的燃料燃烧中风导致低最大温度接近顶部中心 (TDC) 开头。在经过一段时
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