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1、 GT-POWER 使用手册 大连交通大学交通运输学院机车教研室 2006.12.1 1 GT-POWER 增压柴油机建模要领 针对机车用增压柴油机展开了以下工作： 1. 整机模型的建立； 2. 增压器模型的建立； 3. 中冷器模型的建立； 因此，本文将围绕上述工作详细说明，使使用者能够较快的可以建立起增压 柴油机的模型，并能够改变结构参数分析对柴油机的性能影响，以及简单预测柴 油机的主要排放物 NOx和 Soot。 为了便于研究和计算，以机车用柴油机 16V240ZJB为算例进行研究，建立模型，并进 行计算分析。完成了以下内容： (1) 建立增压整机模型。 其中包括气缸模型， 喷油器模型，
2、进排气管模型， 曲轴箱模型； 增压器模型，中冷器模型； (2) 进行标定工况下的计算：缸内压力、温度，以及燃烧消耗率等的计算分析；进行管 路压力等的计算分析；进行进排气门的流量；升程计算分析；进行涡轮压气机与柴油机的匹 配计算；喷油器的压力，喷油量的模拟仿真；中冷器的计算与仿真； (3) 进行调试，得出结果。将结果与实验数据进行对比分析；并改进完善； (4) 得出结果正确，并在此工作的基础上，又做了大量工作，分析结构参数对柴油机性 能的影响。如改变压缩比，配气相位，喷油提前角等； (5) 在原有机车上，增加废气再循环，分析废气再循环对性能的影响； (6) 在原有工作的基础上，又进行了排放预测的
3、尝试。进行机车柴油机主要排放物 NOX 和 Soot 的预测分析。 第一章第一章 理论基础理论基础 1. 1 缸内工作过程基本方程 在这里，我们使用 GT-POWER 软件中的零维燃烧模型韦伯函数，它有一系列的假设， 用来计算放热率。它由三条韦伯函数曲线叠加而成，并非常见的双韦伯函数。 能量守恒方程 ijj jdUdWdQhdm(1.1) 式中， U-系统内能 W-作用在活塞上的机械功 iQ-通过系统边界交换的热量 jh-比焓 jjh dm-质量jdm带入或带出系统的能量 质量守恒方程： seBdmdmdmdm dddd (1.2) 式中，m表示系统内工质质量，sm表示流入气缸的空气质量，em
4、表示流出气缸的废气质2 量，Bm表示喷入气缸内的瞬时燃料质量。由于在实际的计算和模拟中我们所已知的变量往往不是直接的质量数值，若已知柴油机的循环喷油量为fg（/kg cyc）,气缸内燃料燃烧百分数 X=Bfm g100%，则式（2）就可转化为： se fdmdmdmdXgdddd (1.3) 理想气体状态方程： pVmRT (1.4) 式中，p、V、T分别表示系统内工质的压力、体积和温度，R表示气体常数。联立上述三个基本方程可以求出气缸内工质的压力，温度，和质量。 1.2 气缸周壁传热 工质向气缸盖底面，活塞顶面和气缸套的湿润表面等燃烧室诸壁面的换热量wQ是能量守恒方程中的一部分。根据工质对燃
5、烧室周壁面的瞬时平均换热系数g和壁面的平均温度wT，可以计算出wQ。按传热学中的牛顿公式，单位曲轴转角的换热量可写成： 33111()wwi giwi iidQdQA TTdd(1.5) 式中，-角速度 g-瞬时平均换热系数 A-换热面积 T-气缸内工质瞬时温度 wT-壁面的平均温度 i=1气缸盖 i=2活塞 i=3气缸套 在我们所使用的软件中，采用了 WoschniWoschni 公式来计算瞬时换热系数。 0.80.80.530.2 120820,as gm aaT VpTDC CCppp V2WmK (1.6) 式中 p-气缸内工质压力， 3 T-气缸内工质温度 D-气缸直径 mC-活塞平
6、均速度 ap、aT、aV-压缩始点时的气缸内工质压力、温度、气缸容积 sV-气缸工作容积 0p-发动机倒拖时的气缸压力 1C-气流速度系数： 1C=6.18+0.417umC C（进、排气阶段） 1C=2.28+0.308umC C（压缩、膨胀阶段） 2C-燃烧室现状系数： 2C=3.24103（直喷式燃烧室） 2C=6.22103（分隔式燃烧室） uC-稳流吹风试验时，风速计叶片的切向速度 通过此式求出瞬时平均换热系数之后， 带入换热量方程式就可以求出整个工作过程气缸与外界的换热量。 1.3 气缸内燃烧过程计算 建立零维模型的目的是对柴油机燃烧过程的一些宏观性能参数作预测分析， 如示功图随
7、发动机运行工况及燃烧初始参数变化的规律等。因此，建立在以上假设条件下，用一个含有 若干修正系数iC的经验或半经验的常微分方程或代数方程描述柴油机缸内燃料燃烧速率，并附以热力学基本方程、理想气体状态方程和初始及边界条件来模拟柴油机燃烧过程的模 型，即为柴油机的零维燃烧模型。 迄今为止，关于零维燃烧放热模型很多，在进行放热率的计算上，较常用的是Weibe模 型和Watson模型10。在这里，我们采用的就是Weibe模型，Weibe模型形式简单，采用由化 学反应动力学推导出的半经验公式： 1 6.908 1m BZXe (1.8) 将上式两端对求导得， 1 6.90816.908m BzmBzzdX
8、med (1.9) 式中， X-燃料燃烧百分数； dX d-X随曲轴转角的变化率； m-燃烧品质指数； 4 -瞬时曲轴转角； z-燃烧持续角，zBC； B-燃烧起始角； C-燃烧终点角； 整个燃烧过程由三元韦伯函数来表示， 即有三条韦伯函数曲线叠加而成。 将燃烧过程分 为预混和燃烧、主燃烧和后燃烧，三份燃烧的燃烧起始角相同，每一份燃烧都有自己的燃烧 品质指数和燃烧持续期（占整个燃烧期的比例） 。这与传统的单韦伯模型或者双韦伯模型相 比，燃烧过程模拟的更加细致。 第第二二章章 进排气管工作过程数值模拟进排气管工作过程数值模拟 管路流动模型 POWER 管内采用一维非定常流动，流动计算的方法推荐的
9、方法是显式求解。流体的计算是采用：有限容积法。描述进排气管内的压力波动，主要用以下三个方程来描述管内流体状态 (1) 连续方程 0 dxF Fc xcxc t(2.1) (2) 动量方程 04 212 Dcccfxp xcctc (2.2) (3) 能量方程 0)4 2)(1()()(2 2 Dccccfqxtaxput(2.3) 式中，c、p、F分别表示进口截面的流体流速、密度、压力和管截面积；对应出口截面的参数分别为：1c=ccdxx、1=dxx、1p=ppdxx、1F=FFdxx；5 f是摩擦系数；D 是当量直径FD4;q是单位质量流体的传热率。 第三章第三章 涡轮增压器的工作过程数值模
10、拟涡轮增压器的工作过程数值模拟 在稳定工况时，涡轮增压器应满足下列共同工作的条件： (1) 涡轮与压气机能量平衡 TN=KN (2) 通过涡轮与压气机的流量平衡 Tm=Km+Bm 其中，Tm涡轮流量； Km压气机流量； Bm相应的燃油量。 粗略计算时，可近似为：Tm=Km。 (3) 转速相等 由于压气机和涡轮是连续在同一根轴上的， 所以压气机的转速始终等于涡轮转速，即 Tn=Kn=TKn 第四章第四章 运用运用 GT-POWER 建立增压柴油机模型建立增压柴油机模型 4.1 GT-POWER 软件计算流程 图 4.1 GT-POWER 的计算流程 6 POWER 软件的计算流程如上图 5.1
11、所示。对于整个 GT-SUITE 系列软件来说，他们是处于同一个操作平台和同一个后处理器，操作平台称为 GT-SUITE，其用户界面见图 6.2，对于不同的 GT 软件模块和不同元件，数据库的内容是不同的，对于模型管理器中所有的组成部件都是我们建立对应模型中所要用到的模块， 建模区域是用来实现模块之间的连接， 以构成课题所要得模型体。POWER 软件的计算流程为：首先打开 GT-SUITE，然后进入 GT-POWER，根据内燃机结构，建立 GT-POWER 模型，并设置模型参数，最后运行计算，判断是否收敛或者达到自己标准要求的精度，若达到，进行后处理，计算结束。若未达到要求的精度，则返回到建立
12、的 POWER 模型，重新进行建模，以后操作和前面相同。下面将根据计算流程图来具体介绍建立模型的过程。 4.2 机车柴油机的结构 机车柴油机的结构虽然不尽相同，但是也有很多共同点，如结构都比较复杂，多为 8缸以上，都是高增压机车柴油机，大多采用水冷或者油冷。因此，我们以 16V240ZJB 型柴油机为例，进行说明。 16V240ZJB 型柴油机是应用于东风 4 型机车的一种较为成熟的国产机型， 广泛应用于我国铁路运输干线。其主要技术参数和特点18: 标定功率:2647 kW； 装车功率:2426 kW； 标定转速:1000 r/min； 循环特点:四冲程、单作用； 增压方式:定压增压，空气中间
13、冷却； 喷射方式:直接喷射； 燃烧室型式:开式； 喷油泵:单体泵、单螺旋终点调节式，柱塞直径 18mm，行程 20mm； 喷油器:闭式，8 孔，孔径 0.45 mm，喷射角 150； 启喷压力:25. 5Mpa； 气缸数量及 V 型夹角:16 缸，50； 气缸直径: 240mm； 活塞行程: 275mm； 总排量: 199.05 升； 压缩比: 12.5； 曲轴转向:面向输出端为顺时针； 发火顺序:（50和 407依次作为间隔角） 配气相位: 进气阀开: 上止点前 4220CA； 7 进气阀关: 下止点后 4220CA； 排气阀开: 下止点前 4220CA； 排气阀关: 上止点后 4220CA
14、； 气阀重叠角: 8440 CA； 其它略 由上面的技术参数可以看到机车用柴油机的主要技术参数 （其他型号柴油机的主要技术参数内容和 16V240ZJB 型大致相似），可以看出，机车柴油机的结构比较复杂，建立的模型将会比较庞大。以 16V240ZJB 柴油机为例，对柴油机中气体工质的流经路线进行模拟。图4.2 即为它的原始结构模型的简图。从图中可以看出，16V240ZJB 型柴油机工作过程中，气体工质的流程为，进气过程：空气滤清器增压器压气机扩散弯管空气冷却器收敛弯管进气稳压箱进气支管气缸盖进气道进气门气缸；排气过程：气缸排气门气缸盖排气道排气支管排气总管增压器涡轮机大气。 图4.2 16V2
15、40ZJB定压增压物理模型图 建立的虚拟样机模型如下图所示。 8 1-进气阀；2-气缸；3-排气阀；4-喷油器；5-压气机；6-涡轮机；7-边界条件；8-曲轴箱 图4.3 机车增压柴油机仿真模型图 所建立的机车增压柴油机模型中包括 16 个气缸，由于是 V 型夹角，所以分别置于上下 两排，一排八个气缸。气缸的发火顺序已经在曲轴箱模块内按照实际情况设定，连接时注意 气缸模块也要按顺序依次与曲轴箱连接。 两侧分别是进气管系统以及增压器。 在进入稳压箱 前，对进气进行冷却。从排气阀下的排气管排出的废气直接驱动涡轮机，涡轮机通过转子带 动压气机，对通往进气管的废气进行压缩，压缩后经冷却经过进气管，进气道进入气缸与燃 油混合，参与燃烧。该模型中包括气缸模型，喷油
