額定工況下柴油機(jī)使用性能優(yōu)化計(jì)算建議的提出

衛(wèi)志平

摘 要：壓縮比、配氣相位、進(jìn)排氣均為柴油機(jī)性能重要的性能指標(biāo)，這些性能指標(biāo)的優(yōu)化與否，關(guān)系到柴油機(jī)的正常使用。文章將在了解額定工況下柴油機(jī)使用性能優(yōu)化計(jì)算內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)而深入研討優(yōu)化計(jì)算的方法。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；額定工況；使用性能；優(yōu)化計(jì)算

1 額定工況下柴油機(jī)使用性能優(yōu)化計(jì)算的內(nèi)容

1.1 柴油機(jī)壓縮比

柴油機(jī)壓縮比，為柴油機(jī)氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值。雖然該比值大小與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有關(guān)系，但對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)械負(fù)荷、起動(dòng)性能有直接的影響，譬如柴油機(jī)壓縮比增大后，其運(yùn)行的爆發(fā)壓力將驟增，使得柴油機(jī)需要承受更大的機(jī)械負(fù)荷。由此可見(jiàn)，對(duì)柴油機(jī)壓縮機(jī)的計(jì)算，需分別站在柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、機(jī)械負(fù)荷、起動(dòng)性能的視角，研討壓縮比優(yōu)化計(jì)算的方法。

1.2 柴油機(jī)配氣相位

柴油機(jī)的配氣相位，用于表示進(jìn)氣閥、排氣閥在開(kāi)啟和延續(xù)時(shí)的時(shí)間，包括進(jìn)氣提前角、出氣提前角、進(jìn)氣滯后角、出氣滯后角。其中進(jìn)氣提前角與進(jìn)氣阻力相關(guān)，起到掃除燃燒室殘余廢氣的作用；出氣提前角的大小，對(duì)廢氣排出阻力有直接影響，太大則會(huì)增加廢氣排出的能量損耗，太小則會(huì)增加氣缸內(nèi)工質(zhì)膨脹功率損失量；進(jìn)氣滯后角控制活塞在到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)進(jìn)氣閥的開(kāi)度，對(duì)于進(jìn)氣流慣性的利用充分與否，有一定的影響；出氣滯后角與進(jìn)氣提前角形成氣閥重疊關(guān)系，關(guān)系到廢氣排出慣性的徹底性。由此可以看出，柴油機(jī)進(jìn)出氣的效率水平，受到配氣相位的影響，需通過(guò)對(duì)配氣相位的優(yōu)化計(jì)算，為柴油機(jī)性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1.3 柴油機(jī)進(jìn)排氣

柴油機(jī)進(jìn)排氣管道阻力的控制，與進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與否具有直接關(guān)系，后者可通過(guò)充量系數(shù)的增大，改善柴油機(jī)的進(jìn)排氣，最終改善柴油機(jī)的動(dòng)力性。對(duì)柴油機(jī)進(jìn)排氣的優(yōu)化計(jì)算，需分別考慮管道的摩擦阻力、管道流通面積大小、管道形狀、管道內(nèi)氣體流動(dòng)方向變化等，借助BOOST軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，確定額定工況下柴油機(jī)性能參數(shù)的變化規(guī)律，作為進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2 額定工況下柴油機(jī)使用性能優(yōu)化計(jì)算的方法

2.1 柴油機(jī)壓縮比優(yōu)化計(jì)算

2.2 柴油機(jī)配氣相位優(yōu)化計(jì)算

柴油機(jī)的配氣相位，與柴油機(jī)的進(jìn)出氣有關(guān)，進(jìn)而決定柴油機(jī)功率損耗和油耗的高低。對(duì)柴油機(jī)配氣相位的優(yōu)化計(jì)算，應(yīng)根據(jù)實(shí)機(jī)的情況，在確保凸輪軸型線穩(wěn)定的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)氣和出氣的凸輪軸，然后偏移調(diào)整凸輪軸的相位。作者建議參照凸輪軸偏移前后的對(duì)比示意圖，借助仿真計(jì)算模型，摸索出柴油機(jī)性能配氣相位的變化規(guī)律，最后進(jìn)行性能的優(yōu)化。首先是柴油機(jī)進(jìn)出氣凸輪偏移量的計(jì)算，繪制凸輪偏移量與柴油機(jī)爆發(fā)壓力、容積效率、泵氣損失之間的影響趨勢(shì)圖，然后在-4°CA-+4°CA的變化范圍內(nèi)，分析出偏移量在向正方向增大時(shí)進(jìn)氣提前角、進(jìn)氣滯后角、出氣提前角、出氣滯后角之間的關(guān)系，最終確定進(jìn)出氣阻力控制的方法。其次是繪制凸輪偏移量與扭矩、功率、油損耗率之間的影響趨勢(shì)圖，同樣在-4°CA-+4°CA的變化范圍內(nèi)，分析容積效率變化和泵氣平均損失壓力降低對(duì)柴油機(jī)性能參數(shù)變化的影響，最后確定柴油機(jī)動(dòng)力性能的優(yōu)化方法。再次是分析凸輪偏移量與柴油機(jī)缸內(nèi)最高溫度、NOx排放量之間的影響趨勢(shì)關(guān)系，確定對(duì)進(jìn)氣量降低具有直接影響的充量系數(shù)。通過(guò)以上的影響趨勢(shì)分析計(jì)算，最終確定進(jìn)氣提前角優(yōu)化后的角度為66°CA、進(jìn)氣滯后角優(yōu)化后角度為54°CA、出氣提前角優(yōu)化后角度58°CA、出氣滯后角優(yōu)化后角度56°CA。

2.3 柴油機(jī)進(jìn)排氣優(yōu)化計(jì)算

柴油機(jī)壓氣機(jī)后中冷器的進(jìn)氣管路擴(kuò)大之后，壓氣機(jī)出口位置氣體的動(dòng)能，可轉(zhuǎn)換成為壓力能，對(duì)進(jìn)氣壓力的提高，具有較好的幫助。在確定柴油機(jī)的進(jìn)氣總管直徑偏移值之后，分別通過(guò)總管直徑的仿真計(jì)算，找出進(jìn)氣總管偏移值對(duì)柴油機(jī)性能影響的變化規(guī)律。一方面是分析柴油機(jī)總管管徑偏移值與扭矩、功率、油耗之間的關(guān)系，分析結(jié)果顯示，進(jìn)氣總管直徑增加后，進(jìn)氣的阻力將降低，當(dāng)直徑偏移量達(dá)到+20mm時(shí)，柴油機(jī)的動(dòng)力性將達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)；另一方面是分析柴油機(jī)總管管徑偏移值與充氣系數(shù)、NOx排放量、排氣溫度之間的關(guān)系，確定總管管徑偏移值在+20mm時(shí)，柴油機(jī)排放性能得到一定程度的改善，但變化情況并不明顯。除此之外，柴油機(jī)的排氣歧管直徑的大小，與柴油機(jī)性能亦有一定關(guān)聯(lián)，期間借助仿真計(jì)算的方法，可掌握歧管直徑的變化趨勢(shì)，并作為整機(jī)優(yōu)化改造的依據(jù)，譬如柴油機(jī)歧管直徑增大后，柴油機(jī)的扭矩和功率呈先增后減的趨勢(shì)，與油耗成反比關(guān)系，也就是說(shuō)，在進(jìn)行仿真計(jì)算后，對(duì)柴油機(jī)排氣歧管進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可形成對(duì)柴油機(jī)油耗的友好控制。經(jīng)計(jì)算，確定柴油機(jī)歧管達(dá)到65mm時(shí)，柴油機(jī)的扭矩和功率取最大值，而油耗率則處于最小狀態(tài)，主要的原因是柴油機(jī)排氣歧管增加后，排氣時(shí)的阻力越來(lái)越小，在65mm標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，柴油機(jī)的換氣程度得到了改善，其動(dòng)力自然得以提升。至于充氣效率、NOx排出量、排氣溫度等，與排氣歧管直徑變化的關(guān)系分析，應(yīng)考慮脈沖增壓對(duì)充氣效率的影響，經(jīng)仿真計(jì)算，確定排氣歧管直徑的最小值不能低于55mm。最后確定柴油機(jī)排氣歧管直徑的改進(jìn)設(shè)計(jì)范圍為55-65mm。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，柴油機(jī)使用性能與其壓縮比、配氣相位、進(jìn)出氣系統(tǒng)有關(guān)，可將這三者作為柴油機(jī)使用性能優(yōu)化計(jì)算的主要內(nèi)容，這三方面的計(jì)算內(nèi)容，均需要在柴油機(jī)額定工況的條件下，考慮柴油機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，其功耗的大小如何。文章通過(guò)研究，基本明確了額定工況下柴油機(jī)使用性能優(yōu)化計(jì)算內(nèi)容和方法，但鑒于不同型號(hào)柴油機(jī)性能要求的差異性，因此以上方法在實(shí)際中的應(yīng)用，還應(yīng)該考慮到不同型號(hào)柴油機(jī)的性能要求，予以靈活的應(yīng)用。

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