柴油機(jī)的性能優(yōu)化方案探究

陳芬放 王雪松 韓飛

摘要：本文介紹了運(yùn)用性能分析軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程計(jì)算分析的方法，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)柴油機(jī)的工作原理和特點(diǎn)提出了柴油機(jī)性能優(yōu)化的若干措施，為柴油機(jī)工作過(guò)程的仿真計(jì)算和性能優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；仿真計(jì)算；性能；優(yōu)化

前言

柴油機(jī)自1892年發(fā)明至今，已經(jīng)歷了100多年的改進(jìn)歷程，雖然其工作原理和基本結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生太大的改變，但是其技術(shù)性能已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著對(duì)動(dòng)力裝置“高功率密度、高效率、高可靠性、低目標(biāo)特性”的“三高一低”的要求的提出，柴油機(jī)的發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有機(jī)型的性能優(yōu)化也是柴油機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。在以前，對(duì)柴油機(jī)性能的測(cè)試只能采取實(shí)驗(yàn)的手段，雖多采用單缸機(jī)，但仍耗費(fèi)巨大的人力物力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行仿真模擬的軟件應(yīng)運(yùn)而生。目前，常用的模擬軟件有AVL-BOOST、FIRE、SCRYU、FLUENT、FIDAP、GT-Power等。不同的仿真模擬軟件建立模型所需的組分不同，仿真和優(yōu)化的側(cè)重也各有特色。例如AVL-BOOST有著強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能分析功能，尤其適合排氣系統(tǒng)、配氣相位、噴油提前角的仿真。而FIRE軟件則在冷卻水套、缸內(nèi)噴霧燃燒、HCCI燃燒的模擬計(jì)算中占有優(yōu)勢(shì)。

1.仿真模型的建立及標(biāo)定

1.1 建立模型

不同軟件建立模型所需的組件不同。其中，AVL –BOOST軟件整機(jī)計(jì)算模型主要由氣缸、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、增壓器和中冷器組成。建立模型時(shí)前應(yīng)仔細(xì)分析柴油機(jī)的實(shí)機(jī)結(jié)構(gòu)和原件布置形式，在軟件的建模區(qū)放入相應(yīng)的元件，用管道進(jìn)行連接，布置測(cè)量點(diǎn)，然后輸入結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。這些參數(shù)直接影響數(shù)值模擬的精度，因此必須保證其準(zhǔn)確性。對(duì)于對(duì)仿真結(jié)果影響較大的參數(shù)，可采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 試計(jì)算并調(diào)整參數(shù)

選擇仿真中各過(guò)程所依據(jù)的理論或模型，對(duì)某一轉(zhuǎn)速和工況下的柴油機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，得到一系列性能指標(biāo)和圖表。仿真完成后，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，確定各性能指標(biāo)的誤差。若仿真計(jì)算結(jié)果的誤差過(guò)大，則須用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)， 以保證模型的可靠性。

2.性能參數(shù)優(yōu)化

在整機(jī)模型可靠的基礎(chǔ)上， 保持轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、進(jìn)氣溫度等邊界條件不變，選用不同的排氣系統(tǒng)方案、配氣相位、噴油提前角等， 通過(guò)計(jì)算分析這些參數(shù)的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響， 從而為尋找最優(yōu)方案提供依據(jù)。

2.1排氣增壓系統(tǒng)

排氣增壓系統(tǒng)利用燃料在柴油機(jī)中燃燒后排氣的能量對(duì)進(jìn)氣加壓，增加進(jìn)氣密度，從而在保持氣缸工作容積不變的條件下，有更多的新鮮空氣進(jìn)入氣缸，因而可以增加循環(huán)供油量，提高內(nèi)燃機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)。目前采用的增壓排氣系統(tǒng)主要有定壓增壓、MPC 增壓、簡(jiǎn)單脈沖轉(zhuǎn)換器和MIXPC 增壓等。不同的排氣增壓系統(tǒng)對(duì)排氣能量的利用、排氣時(shí)的掃氣質(zhì)量、柴油機(jī)的加速性能有著不同程度的影響。優(yōu)化時(shí)，分別按多種增壓排氣方式對(duì)柴油機(jī)工作特性進(jìn)行分析計(jì)算，并根據(jù)各排氣增壓系統(tǒng)在柴油機(jī)上布置的便利性，擇優(yōu)選取。

2.2 配氣相位

由于受配氣機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的限制，氣門(mén)不可能瞬時(shí)完全打開(kāi)，且氣門(mén)在剛打開(kāi)時(shí)，氣道流通界面小，氣體流量小。為了使柴油機(jī)在進(jìn)氣時(shí)有更大的新鮮充量，排氣時(shí)廢氣排出順暢，降低排氣消耗的推出功，氣缸蓋上的進(jìn)、排氣門(mén)都是提前開(kāi)啟的。而在進(jìn)氣、排氣沖程結(jié)束后，為了利用氣體流動(dòng)的慣性，實(shí)現(xiàn)過(guò)后排氣，進(jìn)、排氣門(mén)的關(guān)閉也有一定的延遲。進(jìn)、排氣門(mén)提前開(kāi)啟、滯后關(guān)閉所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別稱(chēng)為進(jìn)氣提前角、進(jìn)氣遲后角、排氣提前角、排氣遲后角。因此，在進(jìn)排氣上止點(diǎn)前后，有一個(gè)進(jìn)、排氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟的狀態(tài)，相應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱(chēng)為氣門(mén)疊開(kāi)角。增大氣門(mén)疊開(kāi)角一方面可以增加進(jìn)氣充量，冷卻燃燒室內(nèi)的高溫部件，另一方面會(huì)造成氣門(mén)與活塞運(yùn)動(dòng)的干涉。進(jìn)行配氣相位優(yōu)化時(shí)，首先根據(jù)類(lèi)似機(jī)型的有關(guān)數(shù)據(jù)資料， 初步定出一個(gè)配氣相位， 再在這個(gè)初始的配氣相位上依次逐步調(diào)整進(jìn)氣關(guān)閉角、排氣提前角與進(jìn)排氣重疊角等， 通過(guò)一系列的計(jì)算調(diào)整， 求得最佳配氣相位值。

2.3 壓縮比

柴油機(jī)的另一個(gè)主要性能參數(shù)是壓縮比， 它表明缸內(nèi)空氣被活塞壓縮的程度。改變壓縮比會(huì)使燃燒壓力、燃燒溫度、排氣溫度、有效熱效率、熱負(fù)荷同時(shí)發(fā)生變化，因此對(duì)柴油機(jī)的壓縮比進(jìn)行優(yōu)化能有效改善柴油機(jī)性能。優(yōu)化時(shí)，可以嘗試不同的壓縮比，通過(guò)計(jì)算獲得柴油機(jī)在這些壓縮比下的工作過(guò)程，并進(jìn)行分析對(duì)比，來(lái)選擇能使柴油機(jī)性能達(dá)到最佳的壓縮比，實(shí)際選用時(shí)還要兼顧柴油機(jī)在設(shè)計(jì)中對(duì)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、排溫、壓力升高比和機(jī)械負(fù)荷的要求。在滿足上訴要求的前提下，可以選擇較高的壓縮比來(lái)改善柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等綜合性能。

2.4 噴油提前角

噴油提前角是對(duì)柴油機(jī)的性能有重要影響的參數(shù)。在壓縮沖程，氣缸內(nèi)的溫度和壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角而增大，如果噴油早，即燃燒進(jìn)入氣缸是的空氣溫度和壓力較低，使滯燃期長(zhǎng)；如果噴油遲，雖初始溫度和壓力升高，但作用的時(shí)間縮短，可能著火前活塞已經(jīng)開(kāi)始下行，空氣溫度和壓力降低，也使滯燃期增加，因此存在一個(gè)使滯燃期最短的噴油提前角。滯燃期受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、增壓壓力、增壓溫度等因素的影響。噴油提前角對(duì)柴油機(jī)功率、經(jīng)濟(jì)性、排放、排氣溫度、熱效率等性能指標(biāo)均有影響，優(yōu)化時(shí)應(yīng)兼顧各個(gè)指標(biāo)。

3.結(jié)論和展望

（1）本文根據(jù)目前流行的對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程仿真軟件的應(yīng)用，給出了仿真軟件使用的一般方法，并結(jié)合柴油機(jī)的工作原理，提出了若干柴油機(jī)性能優(yōu)化的可行措施，對(duì)柴油機(jī)性能的優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

（2）柴油機(jī)性能優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，任何一個(gè)參數(shù)的變化，必然會(huì)同時(shí)影響多個(gè)性能指標(biāo)，有的會(huì)使多個(gè)性能指標(biāo)同時(shí)提升，有的會(huì)產(chǎn)生矛盾的結(jié)果。因此在優(yōu)化的過(guò)程中，應(yīng)該統(tǒng)籌兼顧，有所取舍，力求獲得最優(yōu)方案。

（3）隨著環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到重視，傳統(tǒng)的通過(guò)實(shí)機(jī)測(cè)試來(lái)檢測(cè)柴油機(jī)性能指標(biāo)的方式顯然已經(jīng)不符合節(jié)能減排的要求。計(jì)算機(jī)仿真軟件的應(yīng)用不但解決了這一問(wèn)題，還達(dá)到了內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化過(guò)程中性能預(yù)測(cè)的目的。

（4） 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和內(nèi)燃機(jī)在開(kāi)發(fā)過(guò)程受到越來(lái)越多條件的限制，今后將會(huì)有一大批界面更加友好、計(jì)算更加快速、準(zhǔn)確的仿真軟件應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中。

參考文獻(xiàn)：

[1]AVL BOOST User s Guide， 2004.

[2]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]高偉. 增壓柴油機(jī)性能模擬與優(yōu)化計(jì)算[J].節(jié)能技術(shù)，2009，27 （2）

[4]任自中. 中速柴油機(jī)性能改進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2003，24 （5）

[5]劉騫. 基于AVL-BOOST仿真優(yōu)化及柴油機(jī)性能預(yù)測(cè)[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011，31

[6]白敏麗. 6106 柴油機(jī)性能研究及優(yōu)化[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29 （2）

[7]田翀. 應(yīng)用Isight集成BOOST對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化[J]. 2007年APC聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)論文

作者簡(jiǎn)介：陳芬放（1992-），漢族，浙江臨安人，哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院輪機(jī)工程專(zhuān)業(yè)，本科生。