柴油機進氣壓力波模擬臺架試驗研究

王 文，楊天軍，劉新華，陳東峰，張?zhí)杰?，諸 剛，金玉梅，郭海濱

（1.中國北方發(fā)動機研究所，山西 大同 037036；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，北京 102442；3.駐河北華北柴油機有限責任公司軍事代表室，河北 石家莊 050081）

單缸機試驗臺作為整機研發(fā)設(shè)計與系統(tǒng)匹配的基礎(chǔ)驗證平臺，其試驗技術(shù)研究是柴油機研制的重要工程基礎(chǔ)，是柴油機核心技術(shù)突破所必經(jīng)的研究階段。為滿足高功率密度柴油機研發(fā)需要，單缸試驗技術(shù)的研究已刻不容緩，作為單缸試驗技術(shù)突破的關(guān)鍵，在單缸柴油機平臺上進行整機進、排氣特性的模擬成為國內(nèi)外研究的熱點。

單缸機和多缸機氣缸數(shù)不同，進、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不一致，其工作條件有很大差別，特別是在模擬脈沖增壓工況時，進、排氣管中的壓力波波形和頻率是隨缸數(shù)和轉(zhuǎn)速變化的，所以要想做到單缸機的進、排氣與多缸機完全一致是不可能的。本研究通過在單缸機進氣管上加裝特定的模擬裝置，合理選擇參數(shù)，使其盡可能與整機進氣相似，在單缸和整機之間建立一定的比對關(guān)系。

1 單、多缸柴油機進氣壓力波特征分析

為準確獲取單、多缸柴油機進氣管內(nèi)的壓力變化情況，利用仿真計算和臺架實測兩種手段進行。在132系列單、多缸柴油機臺架上利用DEWETRON燃燒分析儀和KISTLER進氣壓力波傳感器進行了進氣壓力波的測量，獲取了132系列單、多缸柴油機進氣管內(nèi)壓力變化曲線（見圖1和圖2）。根據(jù)1015系列單、多缸柴油機參數(shù)及進氣管結(jié)構(gòu)，利用一維仿真計算軟件boost建立仿真計算模型，通過計算獲取了理想狀態(tài)條件下的單、多缸進氣管內(nèi)壓力變化曲線（見圖3和圖4）。

單缸柴油機采用模擬增壓進氣系統(tǒng)，進氣通過模擬增壓進氣系統(tǒng)經(jīng)進氣管直接進入氣缸。由圖1可以看出，在單缸機的每個進氣沖程內(nèi)，進氣壓力逐漸衰減，直至進氣門關(guān)閉。而圖3為仿真計算的氣缸進氣壓力變化情況，可以看出，在單缸機進氣沖程內(nèi)，自進氣門開啟至關(guān)閉期間，進氣壓力同樣也呈現(xiàn)出衰減趨勢，但卻與圖1實測壓力變化有很大區(qū)別。原因在于兩點：第一，兩者上止點定義不在同一個曲軸轉(zhuǎn)角，為便于看清單缸機一個工作循環(huán)內(nèi)的進氣壓力波動情況，采用燃燒分析儀測量進氣壓力時，把排氣結(jié)束活塞達到上止點時刻的曲軸轉(zhuǎn)角定義成了“零度轉(zhuǎn)角”（見圖1）；第二，采用boost軟件仿真計算時，僅設(shè)定了單缸機某個工況點進氣壓力變化情況，沒有能模擬出整個工作循環(huán)的進氣壓力變化情況，且一維仿真結(jié)果為理想壓力變化趨勢，進氣沒有干擾因素。但通過圖1和圖3的對比分析可以看出，在單缸機的每一個工作循環(huán)內(nèi)，進氣管內(nèi)的壓力均呈逐漸衰減趨勢，過渡平緩，有相似的變化趨勢。而通過圖2和圖4的對比分析，可看出仿真計算結(jié)果和實測結(jié)果差異較大，原因在于理想狀態(tài)下的仿真計算忽略了其他氣缸的進氣干擾和進氣歧管本身結(jié)構(gòu)的影響，所以實測進氣管內(nèi)壓力較理想狀態(tài)呈現(xiàn)出不規(guī)則波動。

2 模擬方案的選擇

由上述測試與仿真計算結(jié)果的對比可知，多缸柴油機進氣管內(nèi)的不規(guī)則壓力波動主要是由于其他氣缸進氣門開合對進氣造成的壓力沖擊，同時受進氣歧管自身結(jié)構(gòu)約束影響的結(jié)果，如若在單缸試驗臺上模擬多缸柴油機進氣管內(nèi)的不規(guī)則壓力變化狀態(tài)，就需在單缸進氣時在進氣管內(nèi)增加外部不規(guī)則的氣流沖擊。

為在單缸試驗臺上完成整機進氣狀態(tài)的模擬，國內(nèi)外已開展了諸多相關(guān)研究。通常是在單缸機缸蓋上安裝近似多缸機進氣歧管結(jié)構(gòu)的進氣管或直接采用多缸進氣歧管，在每個進氣支管上引出放氣管路，其上安裝有電磁閥和氣體流量計，利用電磁閥的開合來模擬多缸柴油機各氣缸氣門的開閉，并同時測量排出的氣體流量（見圖5）。但目前電磁閥的開合響應(yīng)速度無法趕上柴油機氣門開閉的速度，柴油機氣門開閉大約需42ms，而電磁閥開合需要200～300ms，且電磁閥通徑越大，響應(yīng)速度越慢，故無法滿足模擬控制需要，導致單缸臺架上整機進氣壓力模擬效果不佳。還有其他形式的模擬方案，比如采用整機缸蓋、外置氣源增減壓模擬控制等等，但都存在經(jīng)費投入大、結(jié)構(gòu)復雜、實用效果不明顯等問題。

本研究采用進氣“反射”原理來完成進氣壓力波的模擬試驗。在原有單缸柴油機進氣管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行改造設(shè)計，改變其結(jié)構(gòu)形態(tài)，使其在進氣方向上生出多個“氣穴腔”，即形成進氣壓力波模擬試驗裝置（見圖6）。進氣管上“氣穴腔”的設(shè)置使得氣流通過時發(fā)生渦旋和氣體反沖，進氣管內(nèi)的壓力隨之產(chǎn)生波動，近似整機其他氣缸氣門開合和進氣歧管結(jié)構(gòu)對進氣產(chǎn)生的影響。該模擬試驗裝置可根據(jù)研究的需要，在一定范圍內(nèi)調(diào)整“氣穴腔”的數(shù)量和容積大小，以模擬出不同的壓力波形。

由于受條件所限，以前單缸模擬試驗系統(tǒng)的設(shè)計以經(jīng)驗設(shè)計為主，對不同方案進行實際驗證，擇優(yōu)選擇，無法進行整體優(yōu)化設(shè)計。隨著現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展，利用仿真軟件對進氣模擬系統(tǒng)進行仿真和匹配計算成為可能。本研究利用Boost仿真軟件建立單缸機進氣管帶有“氣穴腔”模擬進氣系統(tǒng)模型，對“氣穴腔”容積進行優(yōu)選。圖7示出仿真計算結(jié)果，從圖7與圖3的對比可知，氣穴腔的設(shè)置可以使進氣管內(nèi)的壓力發(fā)生波動。

3 試驗驗證

在制作模擬進氣系統(tǒng)時，單缸機進氣管主體結(jié)構(gòu)保持不變，在其上間隔布置不同規(guī)格的“氣穴腔”。為獲取“氣穴腔”容積及組合方式對進氣壓力的影響規(guī)律，設(shè)計了容積分別為0.2L，0.32L和0.5L的3種規(guī)格的“氣穴腔”，兩兩組合安裝于單缸進氣管上，形成6種形式的進氣壓力波模擬裝置。進氣管“氣穴腔”和單缸機進氣模擬進氣管見圖8和圖9。

在110單缸機上開展試驗，試驗設(shè)備包括Alpha160電渦流測功器、AVL415S油耗儀、FMT500－IG空氣質(zhì)量流量計、DEWETRON燃燒分析儀和KISTLER進氣壓力波傳感器等。選取柴油機3600r／min時的標定工況點進行驗證，待單缸機出水溫度保持在70℃、出油溫度保持在75℃時開始進行進氣壓力波測量和性能數(shù)據(jù)記錄。

性能參數(shù)數(shù)據(jù)均在柴油機工況穩(wěn)定1min后同步記錄，主要數(shù)據(jù)見表1。設(shè)置進氣壓力傳感器采集頻率為0.1ms，在柴油機的每個工作循環(huán)內(nèi)（即1／60s）采集2000多個進氣壓力數(shù)據(jù)，然后繪制出進氣壓力變化圖形。采用不同進氣壓力波模擬裝置測試出的進氣壓力變化曲線見圖10至圖15。

表1 進氣模擬裝置試驗數(shù)據(jù)

由表1可看出，單缸機功率在60kW時，不同的進氣模擬裝置對單缸性能產(chǎn)生了不同程度的影響，表現(xiàn)為進氣量減小、油耗增高和排氣溫度上升等，并且“氣穴腔”容積越大、大容積“氣穴腔”距離柴油機進氣口越近，上述現(xiàn)象越明顯。同樣，從進氣壓力波形來看，“氣穴腔”容積越大、大容積“氣穴腔”距離柴油機進氣口越近，進氣波動越大。不規(guī)則進氣波動的加劇，會影響缸內(nèi)進氣量，進而影響單缸柴油機性能，該方法的研究證實了通過單缸柴油機預測多缸柴油機性能的可行性。

4 結(jié)束語

通過在單缸柴油機試驗臺上開展的進氣管壓力波模擬試驗研究，驗證了通過在進氣管上布置“氣穴腔”來模擬整機進氣壓力波動的可行性?！皻庋ㄇ弧蹦M試驗裝置可造成進氣不規(guī)則的壓力波動，模擬出不規(guī)則的整機進氣壓力變化。但是，因有許多復雜影響因素，單缸模擬整機增壓進氣壓力與實際情況難以做到完全相同，但通過該模擬方法的研究，在單缸機進氣管上加裝特定的模擬裝置，并合理設(shè)計、精心調(diào)試，單缸模擬整機進氣壓力試驗仍然是研制和改進柴油機設(shè)計的一種有效方法。為找到更準確的單缸柴油機與多缸柴油機之間的對比關(guān)系，今后進氣壓力波模擬研究需要結(jié)合排氣壓力模擬一起進行。

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