環(huán)境溫度對柴油機(jī)性能影響規(guī)律及調(diào)整方法

仲杰，李先南，張文正，陳瑋，孫鋆

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引言

柴油機(jī)環(huán)境變化時，空氣密度和進(jìn)氣溫度發(fā)生變化，影響進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量與增壓壓力，使柴油機(jī)的爆壓與排溫發(fā)生變化。環(huán)境溫度降低時，柴油機(jī)壓比和爆壓上升、排溫下降，反之則壓比和爆壓下降、排溫上升[1-2]，當(dāng)機(jī)械負(fù)荷或熱負(fù)荷超限時還會影響柴油機(jī)的安全運(yùn)行。隨著柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，燃油系統(tǒng)的靈活可調(diào)為柴油機(jī)適應(yīng)各種溫度環(huán)境提供了方便[3-6]。

噴油正時能夠影響柴油機(jī)的爆壓與熱負(fù)荷。噴油正時提前，燃燒前移，排溫下降，但上止點(diǎn)附近燃燒的燃油增多，爆壓上升；噴油正時推后，燃燒后移，爆壓下降，但后燃導(dǎo)致排溫上升[7-10]，缸套傳熱增加。因此，在制定噴油正時調(diào)整策略時需綜合考慮噴油正時對爆壓和排溫的影響，必要時進(jìn)行功率修正。

本文中以某電控柴油機(jī)為研究對象，采用GT-Power仿真軟件計算不同環(huán)境溫度對柴油機(jī)性能的影響，并通過開展噴油正時調(diào)整與功率修正實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在環(huán)境溫度為5～45 ℃時額定負(fù)荷的爆壓與排溫均滿足設(shè)計要求。

1 建模

為了研究不同環(huán)境溫度對柴油機(jī)性能的影響規(guī)律，利用GT-Power軟件搭建了某電控柴油機(jī)的一維仿真模型，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果如圖1、2所示。

由圖1、2可知，缸內(nèi)壓力與放熱率的試驗(yàn)與仿真結(jié)果吻合較好，仿真模型精度達(dá)到95%以上，能夠滿足工程仿真預(yù)測的需求。

圖1 100%負(fù)荷缸壓標(biāo)定結(jié)果 圖2 100%負(fù)荷放熱率標(biāo)定結(jié)果

2 不同環(huán)境溫度仿真計算

基于標(biāo)定的仿真模型，通過改變環(huán)境進(jìn)氣溫度，得到柴油機(jī)額定負(fù)荷時各參數(shù)隨環(huán)境溫度變化的曲線，如圖3所示。

a)增壓壓力和爆壓 b)渦前排溫和缸蓋排溫 c)油耗和過量空氣系數(shù)圖3 環(huán)境溫度對性能的影響

由圖3可知：隨著環(huán)境溫度上升，空氣密度降低，柴油機(jī)進(jìn)氣量會下降，導(dǎo)致柴油機(jī)增壓壓力下降，爆壓下降，同時由于進(jìn)氣流量下降，過量空氣系數(shù)會減小，燃燒惡化，油耗上升；環(huán)境溫度下降時趨勢則相反。環(huán)境溫度每下降5 ℃，該柴油機(jī)額定負(fù)荷增壓壓力上升約7 kPa，爆壓上升約0.23 MPa，當(dāng)環(huán)境溫度低于20 ℃，爆壓超出限值；環(huán)境溫度每上升5 ℃，渦前排溫上升8 ℃左右，缸蓋排溫上升9 ℃左右，過量空氣系數(shù)下降0.05，油耗上升0.8 g/(kW·h)，當(dāng)環(huán)境溫度高于38 ℃，渦前排溫與缸蓋排溫超出限值。

為保證柴油機(jī)可靠運(yùn)行，對因環(huán)境溫度改變帶來的爆壓與排溫超限問題，采用噴油正時調(diào)整與功率修正的方法解決。

3 不同噴油正時仿真計算

調(diào)整噴油正時可以改變?nèi)紵键c(diǎn)，從而改變整個燃燒過程。通常噴油正時提前，爆壓上升、燃燒提前、排溫下降；噴油正時推遲，爆壓下降、燃燒推后、排溫上升。圖4為不同噴油正時對柴油機(jī)額定負(fù)荷性能的影響規(guī)律。

由圖4可知，噴油正時對柴油機(jī)爆壓、排溫及油耗影響明顯，噴油正時每推遲1°，柴油機(jī)爆壓下降0.5～0.6 MPa，排溫上升3 ℃左右，油耗上升1.7 g/(kW·h)。由此可見，對于爆壓超限的情況可采用推遲噴油正時的方法，對排溫超限的情況可采用噴油正時提前的方法。

a)爆壓與排溫 b)油耗圖4 不同噴油正時對柴油機(jī)性能的影響

根據(jù)不同環(huán)境溫度下仿真計算結(jié)果，環(huán)境溫度為5 ℃時，爆壓超出限值0.8 MPa，但渦前排溫低于限值50 ℃；環(huán)境溫度為45 ℃時，爆壓低于限值1 MPa，但渦前排溫超出限值12 ℃；結(jié)合噴油正時對爆壓與排溫的影響規(guī)律，則低溫時調(diào)整推遲噴油正時排溫的風(fēng)險較小，但高溫時提前噴油正時存在爆壓超限的風(fēng)險。為使各環(huán)境溫度下的爆壓與渦前排溫均不超出限值，首先應(yīng)考慮使用高爆壓。

4 不同環(huán)境溫度等爆壓計算

基于模型開展等爆壓計算，通過調(diào)整噴油正時得到對應(yīng)環(huán)境溫度25 ℃爆壓時不同環(huán)境溫度下的柴油機(jī)性能，并與等正時情況進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 等正時與等爆壓下的柴油機(jī)性能對比

由圖5a)、5b)可知，以環(huán)境溫度25 ℃爆壓為目標(biāo)，對其他環(huán)境溫度下的柴油機(jī)噴油正時進(jìn)行調(diào)整，低溫時噴油正時推遲，高溫時噴油正時提前；噴油正時調(diào)整后，不同環(huán)境溫度下的爆壓基本與環(huán)境溫度25 ℃時一致，達(dá)到了控制爆壓的目的。

由圖5c)、5d)可知，由于噴油正時改變，渦前排溫與缸蓋排溫也相應(yīng)改變。低溫環(huán)境下，噴油正時雖有所推遲，但渦前排溫與缸蓋排溫仍低于限值；高溫環(huán)境下，噴油正時提前，渦前排溫與缸蓋排溫有所改善，但受爆壓限制，噴油正時不能無限提前，當(dāng)環(huán)境溫度超過40 ℃，渦前排溫與缸蓋排溫仍高于設(shè)計限值。

由圖5e)可知，噴油正時調(diào)整后，不同環(huán)境溫度下的油耗變化趨于平穩(wěn)，高溫下噴油正時提前有助于降低油耗。

表1 噴油正時隨環(huán)境溫度修正表

根據(jù)計算結(jié)果，形成不同環(huán)境溫度噴油正時修正量如表1所示，柴油機(jī)在運(yùn)行過程中應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行噴油正時的自動調(diào)整。

5 功率修正計算

由圖5可知，當(dāng)環(huán)境溫度超過40 ℃后，渦前排溫與缸蓋排溫仍高于設(shè)計限值，此時必須進(jìn)行功率修正。環(huán)境溫度為40～45 ℃時不同負(fù)荷下柴油機(jī)的排溫仿真結(jié)果如圖6所示。

a)渦前排溫 b)缸蓋排溫圖6 不同負(fù)荷下渦前排溫和缸蓋排溫

由圖6可知,隨著環(huán)境溫度上升，各種負(fù)荷下的渦前排溫與缸蓋排溫均上升；同一環(huán)境溫度下，負(fù)荷越低，渦前排溫與缸蓋排溫越低。以渦前排溫與缸蓋排溫限值為控制目標(biāo)，環(huán)境溫度超過40 ℃后，環(huán)境溫度每上升1 ℃，功率需下降約1%，當(dāng)環(huán)境溫度為45 ℃時，最大功率為95%額定功率。由此得到隨環(huán)境溫度功率修正公式為：

式中：P為環(huán)境溫度為T時的柴油機(jī)額定功率；P0為柴油機(jī)標(biāo)況下的額定功率；T為環(huán)境溫度。

6 結(jié)論

1)環(huán)境溫度對柴油機(jī)性能影響明顯，環(huán)境溫度降低，爆壓上升，排溫下降；環(huán)境溫度上升，爆壓下降，排溫上升；當(dāng)環(huán)境溫度變化超過一定數(shù)值時，柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷會超出設(shè)計限值。

2)調(diào)整噴油正時能夠有效改變柴油機(jī)爆壓與排溫，低溫時噴油正時推遲，爆壓下降，且排溫風(fēng)險不大；高溫時噴油正時提前，排溫下降，但爆壓上升，噴油正時修正量會受爆壓限制；以等爆壓為目標(biāo)，可以得到不同環(huán)境溫度時對應(yīng)的噴油正時修正值。

3)在極熱條件下，如果噴油正時調(diào)整后柴油機(jī)熱負(fù)荷仍超過設(shè)計限值，需進(jìn)行功率修正。