現(xiàn)代柴油機(jī)性能預(yù)測(cè)

李樹(shù)生，李林科，王令金，董占春，李 丹

（濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司，山東濟(jì)南250306）

CAE已經(jīng)大量應(yīng)用于現(xiàn)代柴油機(jī)設(shè)計(jì)，采用這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析技術(shù)，可以加快新產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度，減少試驗(yàn)件的投制和各種對(duì)比方案試驗(yàn)的工作量，進(jìn)而減少樣機(jī)開(kāi)發(fā)的成本。

對(duì)新研制的船用柴油機(jī)的概念設(shè)計(jì)，利用CAE技術(shù)和設(shè)計(jì)分析經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了整機(jī)性能計(jì)算，預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能，確定了配氣定時(shí)、增壓匹配方案。

1 計(jì)算模型

計(jì)算模型中包括增壓器、中冷器、進(jìn)氣腔、進(jìn)排氣管和氣缸（圖1所示）。該模型中管25，26和單向閥R1形成進(jìn)氣旁通閥，可以模擬在低負(fù)荷時(shí)打開(kāi)進(jìn)氣旁通閥時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。模型中考慮管道內(nèi)的一維氣體動(dòng)力特性，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)和氣體交換過(guò)程分析，可以對(duì)新設(shè)計(jì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

圖1 整機(jī)計(jì)算模型

2 確定進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)幾何尺寸

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)幾何尺寸

進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的幾何尺寸的確定是本著發(fā)動(dòng)機(jī)壓力損失最小和較短瞬態(tài)響應(yīng)原則確定的，為減少整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失，建議進(jìn)氣管中所有的彎管應(yīng)該光滑，避免銳邊和彎曲半徑過(guò)小。連接到壓氣機(jī)的管路和增壓器的法蘭大小有關(guān)，應(yīng)保證空氣流量速度低于限值。通過(guò)對(duì)比計(jì)算確定：壓氣機(jī)進(jìn)口管子直徑φ229 mm；壓氣機(jī)和中冷器之間的管最小直徑φ175mm；中冷器和進(jìn)氣腔之間的管最小直徑φ250mm；進(jìn)氣腔容積大約400L；進(jìn)氣門(mén)座內(nèi)徑φ79mm。

2.2 排氣系統(tǒng)幾何尺寸

通常排氣系統(tǒng)的容積稍微小于進(jìn)氣系統(tǒng)的容積。為了達(dá)到可接受的瞬態(tài)反應(yīng)效果，排氣系統(tǒng)應(yīng)該保持較小容積，而且應(yīng)采用一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。另一方面必須有足夠的容積來(lái)減少氣缸之間的相互作用，減少壓力損失。通過(guò)計(jì)算推薦的排氣支管直徑為180mm是一個(gè)很好的折中方案?？紤]到整個(gè)系列化機(jī)型的通用性，排氣系統(tǒng)采用MPC。連接到渦輪機(jī)的管路和增壓器的法蘭大小有關(guān)，應(yīng)保證空氣流量速度低于限值。

通過(guò)對(duì)比計(jì)算確定：排氣總管的內(nèi)徑φ180mm；渦輪進(jìn)口直徑φ153mm；排氣閥座內(nèi)徑φ79mm。

3 氣門(mén)正時(shí)

氣門(mén)正時(shí)影響發(fā)動(dòng)機(jī)容積效率、高壓循環(huán)的指示效率以及發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失。因此，這是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的最重要因素之一。

3.1 排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻

排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻（EVO）對(duì)燃油消耗率產(chǎn)生主要影響。延遲排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻可以加大膨脹沖程，因此提高高壓循環(huán)效率。但是，如果選擇的排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻太延遲，縮短已燃燒氣缸內(nèi)氣體的交換時(shí)間，這將增加發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣功。關(guān)于排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻優(yōu)化的問(wèn)題，應(yīng)在高壓循環(huán)和氣體交換之間取一個(gè)平衡。

排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻的優(yōu)化對(duì)比方案在圖3中給出，各種排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的影響見(jiàn)圖2。結(jié)果顯示排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻選擇135°是折衷方案，可以保證氣門(mén)與活塞間間隙，也可以使整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)各工況燃油經(jīng)濟(jì)性、排氣溫度滿(mǎn)足要求，另外對(duì)容積效率的影響也很小。

3.2 進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻

進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻（IVC）對(duì)容積效率影響很大，延遲IVC可以使發(fā)動(dòng)機(jī)有足夠的時(shí)間吸入新鮮空氣，從而提高容積效率。但如果IVC正時(shí)太延遲的話(huà)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量反而減少，因?yàn)橐呀?jīng)吸入的空氣又隨著活塞的向上運(yùn)動(dòng)回到進(jìn)氣道。進(jìn)氣門(mén)早關(guān)可以降低燃燒開(kāi)始時(shí)的交換氣體溫度，從而降低爆發(fā)溫度減少氮氧化物的排量。為了滿(mǎn)足NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，采用了進(jìn)氣門(mén)早關(guān)的Miller循環(huán)，同時(shí)為了保證在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)有足夠的過(guò)量空氣系數(shù)，選用更高壓比的增壓器來(lái)補(bǔ)償減少的容積效率。

圖2 排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖3 排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻的的優(yōu)化對(duì)比方案

圖4 進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻的的優(yōu)化對(duì)比方案

圖5 進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖4列出了進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻的各種對(duì)比方案，在各負(fù)荷下IVC對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響在圖5中給出。選擇在上止點(diǎn)后538°進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉的Miller循環(huán)，較常規(guī)的進(jìn)氣門(mén)早關(guān)，將適當(dāng)降低容積效率，燃油消耗率保持基本不變，稍微會(huì)升高渦輪前排氣溫度，但會(huì)明顯降低NOx排放。此氣門(mén)正時(shí)方案意味著更高增壓器壓比，以保證所需要的過(guò)量空氣系數(shù)，這需要一個(gè)更小的渦輪。

3.3 氣閥重疊

氣門(mén)重疊（VO）影響通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量和泵損失。增加氣門(mén)重疊可以減少換氣過(guò)程上止點(diǎn)的壓縮殘余氣體量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣功損失。增加氣門(mén)重疊將增加排氣掃氣系數(shù)，降低排氣溫度和燃燒室零部件的熱負(fù)荷。如果選擇的氣門(mén)重疊過(guò)大，反而對(duì)空氣流量產(chǎn)生副作用，因?yàn)楫?dāng)排氣門(mén)和進(jìn)氣門(mén)都打開(kāi)時(shí)，前一個(gè)氣缸的排氣脈沖波會(huì)對(duì)排氣產(chǎn)生干擾。另外氣門(mén)重疊選擇受氣門(mén)和活塞間允許的最小間隙的限制。因此，需要尋找氣體交換和燃燒質(zhì)量兼容的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于氣門(mén)重疊的優(yōu)化方案在圖7中給出，氣門(mén)重疊方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響見(jiàn)圖6。結(jié)果顯示，氣門(mén)重疊期為72°對(duì)于氣體交換、排氣溫度和氣閥—活塞的間隙限制是最好的折中方案。

圖6 氣門(mén)重疊的優(yōu)化方案

4 進(jìn)氣旁通系統(tǒng)

高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)按船用螺旋漿推進(jìn)特性曲線(xiàn)運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常會(huì)遭受在部分負(fù)荷（25%～50%負(fù)荷）空氣流量不足的情況，這將導(dǎo)致排氣溫度高、冒黑煙以及壓氣機(jī)喘震。為了解決低負(fù)荷時(shí)的問(wèn)題，采用了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣旁通系統(tǒng)，在中冷器后進(jìn)氣管路中引一股空冷氣，通過(guò)一個(gè)旁通閥控制其直接進(jìn)入渦輪前面的排氣管中。旁通控制閥只有在負(fù)荷低于50%時(shí)才打開(kāi)，在高負(fù)荷時(shí)關(guān)閉。引入的這股冷空氣將增加渦輪的流量，使增壓器向高效區(qū)移動(dòng)，增加了壓氣機(jī)壓比。這樣實(shí)際進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣流量增加，改善了氣缸內(nèi)燃燒狀況，降低了排氣溫度。不帶和帶進(jìn)氣旁通閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響見(jiàn)圖8和圖9。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能預(yù)測(cè)

按照船用螺旋漿推進(jìn)特性曲線(xiàn)，預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)在各負(fù)荷工況下的平均有效壓力、燃油消耗率、氣缸爆發(fā)壓力、容積效率、過(guò)量空氣系數(shù)（圖10、圖11）。

6 試驗(yàn)測(cè)量值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表1列出了樣機(jī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值的對(duì)比，可以看出偏差微小。由于為了滿(mǎn)足更嚴(yán)格的排放法規(guī)，增大了增壓器的壓比，犧牲了一些經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)量的油耗、過(guò)量空氣系數(shù)和爆壓稍大于計(jì)算值。

圖7 氣門(mén)重疊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖8 不帶進(jìn)氣旁通閥發(fā)動(dòng)機(jī)的性能

圖9 帶進(jìn)氣旁通閥發(fā)動(dòng)機(jī)的性能

圖10 柴油機(jī)平均有效壓力和比油耗預(yù)測(cè)

圖11 柴油機(jī)爆壓、容積效率和過(guò)量空氣系數(shù)預(yù)測(cè)

表1 試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)比

7 結(jié) 論

（1）通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，整機(jī)性能計(jì)算預(yù)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能是正確的；

（2）計(jì)算確定的進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)幾何尺寸，能夠滿(mǎn)足柴油機(jī)的要求；

（3）計(jì)算確定的配氣定時(shí)方案能使柴油機(jī)滿(mǎn)足性能和排放的要求；

（4）采用進(jìn)氣旁通能改善低負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

［1］ 西安交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教研室編.內(nèi)燃機(jī)原理［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.

［2］ 易生海，等.D114B船用柴油機(jī)的性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化計(jì)算·柴油機(jī)［J］.2002，（2）：19－22.