柴油機(jī)高原動力性能仿真及環(huán)境模擬系統(tǒng)影響分析

冀樹德，張勃，劉峰春，劉志剛，楊文影，孔祥鑫，劉宇強(qiáng)，任路，賈曉亮

(1.中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)，天津 300400；2.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐臨汾地區(qū)軍事代表室，山西 侯馬 043011)

我國高原面積覆蓋率超過65%，柴油機(jī)作為重要動力源，對高原地區(qū)運(yùn)輸、生產(chǎn)、工程等作業(yè)具有舉足輕重的地位和作用。

高原性能是柴油機(jī)一項(xiàng)重要指標(biāo)，其設(shè)計(jì)與驗(yàn)證是整個(gè)產(chǎn)品定型和生產(chǎn)的必經(jīng)環(huán)節(jié)，在柴油機(jī)研制過程中也會花費(fèi)大量時(shí)間對其進(jìn)行攻關(guān)和驗(yàn)證。傳統(tǒng)的方法是柴油機(jī)試生產(chǎn)裝車在實(shí)際高原環(huán)境地區(qū)試驗(yàn)驗(yàn)證，然后改進(jìn)、定型和生產(chǎn)，這樣的方式研制成本高、周期長，不利于快速定型和生產(chǎn)。為了縮短研制周期、節(jié)約研發(fā)成本，現(xiàn)在通常在臺架上利用高原環(huán)境模擬系統(tǒng)對柴油機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行預(yù)驗(yàn)證和完善，然后再定型生產(chǎn)，從而減少改進(jìn)再設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)。然而，基于高原環(huán)境模擬系統(tǒng)驗(yàn)證確定的柴油機(jī)在實(shí)際高原環(huán)境地區(qū)應(yīng)用時(shí)，各方面性能與臺架驗(yàn)證存在一定的差別，產(chǎn)品往往得不到充分驗(yàn)證，還增加了研發(fā)環(huán)節(jié)，變相增加了研制成本。

本研究就某6缸高原用柴油機(jī)，利用GT-Power構(gòu)建整機(jī)模型，設(shè)計(jì)高原環(huán)境邊界條件，結(jié)合進(jìn)排氣高原環(huán)境模擬系統(tǒng)臺架試驗(yàn)對標(biāo)驗(yàn)證模型的可行性，分析柴油機(jī)進(jìn)排氣高原環(huán)境模擬系統(tǒng)開發(fā)時(shí)的主要影響因素，進(jìn)而對高原環(huán)境模擬系統(tǒng)驗(yàn)證提出改進(jìn)意見，以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)與實(shí)際環(huán)境柴油機(jī)性能的一致性。

1 整機(jī)模型及環(huán)境條件設(shè)計(jì)

1.1 柴油機(jī)系統(tǒng)模型

研究對象為V型6缸增壓中冷柴油機(jī)，V形夾角90°，四沖程，發(fā)火順序?yàn)?—4—5—2—3—6，直列泵噴射系統(tǒng)。根據(jù)輸入要求及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建柴油機(jī)系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)性能仿真。

1.2 環(huán)境模擬子系統(tǒng)模型

環(huán)境模擬系統(tǒng)(見圖1)包括冷卻、加濕、降壓等系統(tǒng)。新鮮空氣首先經(jīng)過空氣濾，冷卻除濕，由1號風(fēng)機(jī)送入轉(zhuǎn)輪干燥機(jī)進(jìn)一步除濕，所需氣體繼續(xù)經(jīng)過二級冷卻器和三級冷卻器進(jìn)行冷卻降溫和除濕，以確保供應(yīng)的氣體足夠干燥，同時(shí)達(dá)到環(huán)境模擬所需的氣體溫度。然后，由3號風(fēng)機(jī)送于加濕保持管，由蒸汽加濕器對供應(yīng)的氣體按需求進(jìn)行加濕。最后，由羅茨風(fēng)機(jī)抽吸、排出室外。如果需要該系統(tǒng)對試驗(yàn)對象進(jìn)行環(huán)境模擬，試驗(yàn)對象在加濕保持管和排氣冷卻器之間接入，模擬系統(tǒng)的出口接試驗(yàn)對象的入口，模擬系統(tǒng)回路接試驗(yàn)對象的排氣口，這樣在原有系統(tǒng)管路并入一路包含試驗(yàn)對象的環(huán)路，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬。

圖1 環(huán)境模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系

結(jié)合圖1高原環(huán)境模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)際物理連接模型，環(huán)境模擬系統(tǒng)可簡化為圖2所示的結(jié)構(gòu)，圖中所示管路角度無實(shí)際意義，也和真實(shí)管路走向不存在一一對應(yīng)關(guān)系?？紤]直徑D1=300 mm不銹鋼管內(nèi)氣體狀態(tài)為均勻等質(zhì)狀態(tài)，在各個(gè)點(diǎn)模擬出的環(huán)境條件是相同的。因此，環(huán)境條件模擬系統(tǒng)在GT模型中可簡化為兩段管路：模擬系統(tǒng)到增壓器壓氣機(jī)入口的管路和增壓器渦輪連接模擬系統(tǒng)的管路。進(jìn)氣連接管路由D2=150 mm不銹鋼管、D4=150 mm內(nèi)嵌螺絲鋼套塑料管、進(jìn)氣流量計(jì)和變徑管組成，排氣連接管路由D3=150 mm不銹鋼管和變徑管組成，進(jìn)氣流量計(jì)的材料也為不銹鋼，管徑與連接管路相同，故忽略其對模型的影響。系統(tǒng)中變徑管兩端的直管段分別計(jì)入相鄰元件，設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮錐形部分。

圖2 環(huán)境模擬系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)

考慮環(huán)境模擬系統(tǒng)條件，需在柴油機(jī)系統(tǒng)模型中加入模擬系統(tǒng)的元素，即圖3所示的仿真部分，增加進(jìn)氣管路和排氣管路模擬連接的部分。

圖3 環(huán)境模擬系統(tǒng)仿真模型

2 仿真模型校驗(yàn)及環(huán)境性能分析

2.1 柴油機(jī)系統(tǒng)仿真模型校驗(yàn)

基于上述設(shè)計(jì)的GT-Power模型，高原模擬環(huán)境壓力和溫度分別設(shè)定為89.9 kPa和25 ℃，配置1 300 r/min，1 500 r/min，1 800 r/min，2 000 r/min和2 200 r/min 5個(gè)轉(zhuǎn)速，并設(shè)定各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的噴油量等相關(guān)參數(shù)，仿真柴油機(jī)外特性工況。對GT-Power仿真模型和環(huán)境模擬系統(tǒng)在5個(gè)工況下進(jìn)行對標(biāo)分析，并調(diào)整模型與實(shí)際不對應(yīng)或不一致的部分，最終確定設(shè)計(jì)模型的可行性。結(jié)果見圖4。

在2 000 r/min外特性工況點(diǎn)，進(jìn)氣流量仿真計(jì)算值與實(shí)際測量值間誤差最大，為4.4%；在2 200 r/min標(biāo)定工況點(diǎn)，柴油機(jī)缸內(nèi)壓力仿真計(jì)算值與實(shí)際測量值間誤差最大，為4.4%。由于模型與系統(tǒng)之間存在不可避免的差異，柴油機(jī)計(jì)算和實(shí)測輸出功率也存在一定差異，最大差異工況點(diǎn)為標(biāo)定工況點(diǎn)，誤差為0.82%(見圖4)。由于仿真與實(shí)際的邊界條件不可能完全一致，而且模型運(yùn)算基于各介質(zhì)的理想假設(shè)，模型和實(shí)際間誤差小于5%，認(rèn)為仿真模型是有效的、可行的。

圖4 模型仿真與系統(tǒng)模擬對比分析

2.2 柴油機(jī)高原性能仿真分析

采用經(jīng)過對標(biāo)校驗(yàn)的柴油機(jī)系統(tǒng)模型，在不引入環(huán)境模擬系統(tǒng)的情況下，設(shè)定環(huán)境模擬溫度25 ℃不變，調(diào)整不同模擬海拔，研究柴油機(jī)在不同海拔時(shí)的性能。

隨著海拔的增加，柴油機(jī)進(jìn)入氣缸參與燃燒的空氣量明顯減少，海拔越高、轉(zhuǎn)速越高越嚴(yán)重(見圖5)。低于最大扭矩轉(zhuǎn)速，海拔引起的進(jìn)氣量減少隨轉(zhuǎn)速基本呈線性變化；大于最大扭矩轉(zhuǎn)速工況，海拔越高，進(jìn)氣量降幅越歷害，不呈線性變化。海拔增加，柴油機(jī)吸入氣缸內(nèi)的氣量減少，在供油量不變的情況下，參與燃燒空氣與燃料的比例下降，缸內(nèi)混合物濃度增加，燃燒惡化，缸內(nèi)峰值壓力降低，出現(xiàn)嚴(yán)重的后燃，導(dǎo)致燃燒效率下降，動力性能下降。

圖5 進(jìn)氣量隨海拔變化情況

隨著海拔的增加，柴油機(jī)的功率下降，其中高海拔時(shí)功率下降幅度大于低海拔時(shí)。在高海拔時(shí)，柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)功率下降幅度高于低轉(zhuǎn)速，如海拔5 000 m時(shí)，1 800 r/min，2 000 r/min，2 200 r/min外特性工況功率下降幅度遠(yuǎn)高于1 300 r/min和1 500 r/min外特性工況。對于該柴油機(jī)，海拔5 000 m標(biāo)定工況功率下降6.3%，1 300 r/min外特性工況功率下降3.4%(見圖6)。此外，海拔1 000 m和海拔2 000 m時(shí)，柴油機(jī)在所有工況下功率下降相對平穩(wěn)。

圖6 柴油機(jī)輸出功率隨海拔變化情況

采用相同的模型，設(shè)定模擬海拔5 000 m，調(diào)整環(huán)境模擬溫度，研究柴油機(jī)在高海拔不同溫度時(shí)的性能。

隨著環(huán)境模擬溫度的上升，進(jìn)入氣缸參與燃燒的空氣量增加，進(jìn)氣量與轉(zhuǎn)速、環(huán)境模擬溫度大致呈線性關(guān)系，隨轉(zhuǎn)速增加而增加，隨模擬溫度升高而減少(見圖7)。以海拔5 000 m、模擬溫度25 ℃為基準(zhǔn)，分析其他環(huán)境溫度時(shí)柴油機(jī)性能變化情況，結(jié)果見圖8。在-20～45 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)，柴油機(jī)功率最大變化約4%，中低轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況功率輸出受溫度影響較為明顯，轉(zhuǎn)速越低影響越大。以1 800 r/min轉(zhuǎn)速為界，高于此轉(zhuǎn)速，功率輸出受溫度影響較小，低于此轉(zhuǎn)速，功率輸出受溫度影響較大，而且在最低測試轉(zhuǎn)速時(shí)影響達(dá)到最大。

圖7 溫度對柴油機(jī)進(jìn)氣流量的影響

圖8 溫度對柴油機(jī)輸出功率的影響

3 高原模擬系統(tǒng)對柴油機(jī)性能模擬的影響

3.1 進(jìn)排氣模擬壓力不平衡對柴油機(jī)特性的影響

在模型中不引入環(huán)境模擬系統(tǒng)，保持柴油機(jī)排氣壓力不變，改變進(jìn)氣壓力，分析柴油機(jī)性能變化，進(jìn)而分析實(shí)際使用中進(jìn)排氣潛在不平衡對柴油機(jī)動力的影響，如排氣背壓升高或降低對柴油機(jī)動力的影響。

采用模型仿真時(shí)，設(shè)定排氣模擬海拔4 500 m不變，進(jìn)氣以1 000 m幅度依次變化，模擬結(jié)果見圖9至圖11。進(jìn)氣模擬壓力升高時(shí)，進(jìn)入氣缸參與燃燒的氣量也相應(yīng)增加，在所有工況呈現(xiàn)相同的趨勢。標(biāo)定工況點(diǎn)進(jìn)排氣模擬海拔平均落差增加1 000 m，進(jìn)氣量增加315 kg/h，相當(dāng)于進(jìn)氣模擬壓力平均增加1 kPa時(shí)，柴油機(jī)進(jìn)氣量增加36 kg/h(見圖9)。在燃油消耗保持不變的前提下，空燃比增加，混合更加均勻，缸內(nèi)燃燒也更加徹底，柴油機(jī)功率得到提升(見圖10)。進(jìn)一步知，進(jìn)排氣模擬海拔落差越大，功率增加幅度越大，其中在最大扭矩轉(zhuǎn)速對柴油機(jī)動力影響最大，進(jìn)排氣模擬海拔落差為4 500 m時(shí)，功率增加10.5 kW，相當(dāng)于進(jìn)氣模擬壓力平均增加1 kPa時(shí)，柴油機(jī)功率增加1.35 kW。

圖9 進(jìn)氣模擬壓力高于排氣壓力時(shí)進(jìn)氣量的變化

圖10 進(jìn)排氣壓力差導(dǎo)致的輸出功率變化

無論是低海拔模擬還是高海拔模擬，進(jìn)氣壓力高于排氣壓力的模擬環(huán)境都促使柴油機(jī)功率增加。與進(jìn)排氣模擬海拔皆為4 500 m模擬環(huán)境相比，進(jìn)排氣模擬海拔落差為4 500 m(57.7 kPa)時(shí)，在標(biāo)定工況點(diǎn)功率增加30 kW，在最大扭矩工況點(diǎn)功率增加35 kW(見圖11)。隨著轉(zhuǎn)速增加，功率增加幅度減小，由此可見，轉(zhuǎn)速越低柴油機(jī)動力性能受影響越嚴(yán)重。

圖11 各轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣模擬海平面較海拔4 500 m功率的變化

采用相同模型，保持柴油機(jī)進(jìn)氣壓力不變，分析排氣壓力對柴油機(jī)性能的影響。進(jìn)氣模擬保持海拔4 500 m，排氣按照不同海拔條件進(jìn)行模擬。

隨著排氣壓力與進(jìn)氣壓力差值的增大，進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)混合物變濃，燃燒組織困難，柴油機(jī)動力性能下降。在高轉(zhuǎn)速外特性工況，排氣與進(jìn)氣壓力間較小的差值對柴油機(jī)進(jìn)氣量影響較小，混合物比例接近正常燃燒比例，缸內(nèi)燃燒依然能維持正常狀態(tài)，因而柴油機(jī)動力性能仍能維持。如2 200 r/min和2 000 r/min轉(zhuǎn)速外特性工況排氣與進(jìn)氣壓力差值小于12 kPa時(shí)，1 800 r/min轉(zhuǎn)速外特性工況排氣與進(jìn)氣壓力差值小于7 kPa時(shí)，進(jìn)入氣缸參與燃燒的氣量都是幾乎維持不變的(見圖12)。

圖12 排進(jìn)氣壓力差導(dǎo)致的進(jìn)氣流量變化

自轉(zhuǎn)速1 500 r/min以下，排氣與進(jìn)氣的壓力差對柴油機(jī)性能有直接影響，只要壓力差存在，柴油機(jī)性能就會惡化，且隨著差值的增加幾乎呈線性變化。對于1 300 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況，排氣與進(jìn)氣壓力差每增加1 kPa，柴油機(jī)功率下降約1 kW(見圖13)。

圖13 排進(jìn)氣壓力差導(dǎo)致的功率輸出變化

3.2 進(jìn)氣模擬管路特征變化對柴油機(jī)特性的影響

在原有模型中，僅引入環(huán)境模擬系統(tǒng)中進(jìn)氣管路連接模型，分別調(diào)整進(jìn)氣模擬管路長度、管徑和表面粗糙度，分析海拔4 500 m柴油機(jī)性能變化情況。

將圖14中進(jìn)氣模擬管路長度依次設(shè)為10 m，8 m，6 m，4 m，2 m，0.1 m，設(shè)定柴油機(jī)高原模擬環(huán)境條件為海拔4 500 m。忽略管路材料可能引起的沿程損失，進(jìn)氣模擬管路長度的增加會導(dǎo)致進(jìn)氣口氣體壓力下降，最大降幅小于0.5 kPa(見圖15)，對管內(nèi)氣體流動影響較小，氣體流量仍基本保持不變。在供油量不變的情況下，缸內(nèi)混合物的比例主要取決于進(jìn)氣量，進(jìn)氣量變化不大，柴油機(jī)動力參數(shù)變化不大。進(jìn)氣模擬管路長度變化1 m時(shí)，柴油機(jī)全工況功率變化小于0.1 kW，即高原進(jìn)排氣環(huán)境模擬系統(tǒng)與柴油機(jī)進(jìn)氣口連接10 m的管路，柴油機(jī)功率下降小于1 kW。

圖14 進(jìn)氣模擬管路與柴油機(jī)的連接關(guān)系

圖15 進(jìn)氣管路長度對進(jìn)口壓力的影響

調(diào)整進(jìn)氣模擬管路直徑，分析柴油機(jī)性能變化。進(jìn)氣管路直徑大于0.2 m時(shí)，柴油機(jī)進(jìn)氣口的壓力變化較小，進(jìn)氣流量變化也較小，缸內(nèi)混合物比例維持不變，功率也維持原狀。如進(jìn)氣模擬管路管徑從0.2 m變?yōu)? m，柴油機(jī)進(jìn)氣口的壓力增加量小于0.2 kPa，計(jì)算標(biāo)定工況點(diǎn)進(jìn)氣流量的損失僅為12 kg/h，不足以引起柴油機(jī)性能的變化。然而，進(jìn)氣模擬管路直徑小于0.2 m時(shí)，柴油機(jī)進(jìn)氣口的壓力發(fā)生急劇下降，管路直徑每減少0.1 m會產(chǎn)生大于1 kPa壓降(見圖16)，進(jìn)氣流量同時(shí)下降，缸內(nèi)燃燒惡化，柴油機(jī)動力性下降。管徑小于0.2 m時(shí)對柴油機(jī)動力性的影響遠(yuǎn)超過管徑大于0.2 m時(shí)，在最大扭矩轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣模擬管路單位直徑增加導(dǎo)致功率下降約2.5 kW(見圖17)。

圖16 進(jìn)氣管路管徑對進(jìn)口壓力的影響

圖17 進(jìn)氣管路管徑對功率輸出的影響

調(diào)整進(jìn)氣模擬管路表面粗糙度以表征不同材料或加工工藝，進(jìn)而分析柴油機(jī)功率變化情況。進(jìn)氣管路表面粗糙度大于0.1 mm時(shí)，柴油機(jī)進(jìn)氣口壓力呈拋物線下降；柴油機(jī)處于標(biāo)定工況，進(jìn)氣管路表面粗糙度由0.1 mm變?yōu)? mm時(shí)，進(jìn)氣管入口壓力下降約0.4 kPa。隨著表面粗糙度增加，進(jìn)氣管入口的壓力下降更加嚴(yán)重(見圖18)。進(jìn)一步分析知，進(jìn)氣管表面粗糙度從0.1 mm增大時(shí)，進(jìn)氣流量開始有一定的變化，進(jìn)氣量減小對缸內(nèi)燃燒過程有一定的影響，但影響程度不是很大。在柴油機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)，進(jìn)氣管路表面粗糙度由0.1 mm變?yōu)? mm，功率下降約0.5 kW。

圖18 進(jìn)氣管路表面粗糙度對進(jìn)口壓力的影響

3.3 排氣模擬管路特征變化對柴油機(jī)特性的影響

在原有模型中，僅引入環(huán)境模擬系統(tǒng)中排氣管路連接模型，分別調(diào)整排氣模擬管路長度、管徑和表面粗糙度，分析海拔4 500 m柴油機(jī)性能的變化情況。

隨著排氣模擬管路長度變化，柴油機(jī)排氣管出口壓力會因周期工作循環(huán)缸內(nèi)排氣壓力的影響，呈現(xiàn)出非單一趨勢變化，但排氣管出口壓力隨管路長度變化幅度整體小于1 kPa(見圖19)，對柴油機(jī)功率的影響也比較小，在管路長度整個(gè)變化范圍內(nèi)基本保持恒定。標(biāo)定工況點(diǎn)，柴油機(jī)排氣管路長度變化約10 m時(shí)，功率變化小于0.2 kW，可以忽略。

圖19 排氣管路長度對排氣出口壓力的影響

排氣管路保持長度10 m不變，僅調(diào)整排氣模擬管路直徑，分析柴油機(jī)性能的變化。

隨著排氣模擬管路直徑的增加，柴油機(jī)排氣出口壓力下降，外特性工況點(diǎn)轉(zhuǎn)速越高降幅越大，標(biāo)定工況點(diǎn)排氣出口壓力下降6.25 kPa，即排氣模擬管路直徑從0.1 m增加到1 m，會引起排氣出口模擬海拔下降約800 m(見圖20)。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，排氣模擬管路直徑在0.15 m內(nèi)變化時(shí)，排氣出口壓力變化劇烈，隨著管路直徑增加，出口壓力變化趨于平緩，其實(shí)是管徑為0.2～0.5 m時(shí)，最后為管徑大于0.5 m時(shí)。在1 800 r/min和2 000 r/min外特性工況，排氣模擬管路直徑小于0.15 m時(shí)，單位直徑變化會引起排氣出口壓力變化35 kPa(見圖21)；排氣模擬管路直徑對中高轉(zhuǎn)速(高于1 500 r/min)外特性工況點(diǎn)排氣出口壓力的影響大于中低轉(zhuǎn)速(低于1 500 r/min)工況。盡管中高轉(zhuǎn)速排氣模擬管路直徑變化對排氣出口壓力有影響，但柴油機(jī)整體性能與中低轉(zhuǎn)速工況相比，影響較小。

圖20 排氣管路直徑對排氣出口壓力的影響

圖21 排氣管路長度對排氣出口壓力的影響

排氣出口壓力變化影響參與缸內(nèi)燃燒的空氣消耗，進(jìn)氣流量影響同樣是中低轉(zhuǎn)速工況大于中高轉(zhuǎn)速工況，隨著排氣模擬管路直徑增加，進(jìn)氣量增加。進(jìn)氣量進(jìn)一步影響缸內(nèi)燃燒，最終影響柴油機(jī)動力輸出。排氣模擬管路直徑對中低轉(zhuǎn)速工況性能的影響大于中高轉(zhuǎn)速，在1 300 r/min和1 500 r/min轉(zhuǎn)速工況排氣管路直徑對柴油機(jī)功率平均影響程度是1 800～2 200 r/min轉(zhuǎn)速工況的5倍(見圖22)，如1 300 r/min時(shí)單位直徑功率變化為10 kW/m，而2 200 r/min時(shí)約為2 kW/m。在中高轉(zhuǎn)速外特性工況，排氣模擬管路直徑全范圍變化時(shí)柴油機(jī)功率下降平均約1 kW；中低轉(zhuǎn)速外特性運(yùn)行工況，排氣模擬管路直徑從1 m到0.1 m不等梯度遞變時(shí)，柴油機(jī)功率平均每次下降2 kW。

圖22 排氣管路直徑對功率輸出的影響

保持排氣管路長度10 m，直徑0.15 m，調(diào)整排氣模擬管路表面粗糙度，分析柴油機(jī)性能變化(見圖23)。排氣模擬管路表面粗糙度大于0.1 mm時(shí)，柴油機(jī)排氣出口壓力才有較為明顯的變化。以2 000 r/min外特性工況為例，管路表面粗糙度從0.1 mm變?yōu)? mm時(shí)，柴油機(jī)排氣口壓力變化為0.6 kPa，即使變?yōu)? mm，柴油機(jī)排氣口壓力變化也僅為1.3 kPa，不足以引起缸內(nèi)燃燒過程的變化，柴油機(jī)性能也基本不變。

圖23 排氣管路粗糙度對排氣出口壓力的影響

3.4 進(jìn)排氣模擬管路特征變化對柴油機(jī)特性的影響

同時(shí)引入環(huán)境模擬系統(tǒng)中進(jìn)氣和排氣連接管路，高原環(huán)境模擬海拔4 500 m、溫度25 ℃，對進(jìn)氣和排氣連接管路同步調(diào)整，分析柴油機(jī)性能變化。根據(jù)前述兩部分的分析，排氣管路主要考慮直徑變化，根據(jù)趨勢變化相似性原理，運(yùn)行工況選取標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況和1 300 r/min外特性工況進(jìn)行分析。

進(jìn)氣模擬管路長度和排氣模擬管路直徑關(guān)聯(lián)變化，進(jìn)氣模擬管路長度固定10 m或排氣模擬管路直徑固定0.2 m，另一參數(shù)變化，分析結(jié)果見圖24和圖25。在標(biāo)定工況，排氣模擬管路直徑變化大于20%時(shí)柴油機(jī)功率變化減緩，大于50%時(shí)柴油機(jī)功率變化趨于穩(wěn)定，而進(jìn)氣模擬管路長度在整個(gè)范圍變化時(shí)，柴油機(jī)功率小幅變化，總體變化小于0.5 kW(見圖24)；1 300 r/min外特性工況，二者對功率變化影響趨勢與2 200 r/min時(shí)是相同的。對比圖24和圖25發(fā)現(xiàn)，無論在中高轉(zhuǎn)速還是中低轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況，進(jìn)氣模擬管路長度對柴油機(jī)功率的影響較小，而排氣模擬管路直徑在中低轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況對柴油機(jī)功率影響則比較明顯，如1 300 r/min外特性工況排氣模擬管路直徑變化從20%減到10%時(shí)，柴油機(jī)功率下降近5 kW(見圖25)。

圖24 2 200 r/min時(shí)進(jìn)氣管長度與排氣管徑的影響

圖25 1 300 r/min時(shí)進(jìn)氣管長度與排氣管徑的影響

進(jìn)氣模擬管路和排氣模擬管路直徑關(guān)聯(lián)變化，進(jìn)氣模擬管路直徑固定0.1 m或排氣模擬管路直徑固定0.2 m，另一參數(shù)變化，分析結(jié)果見圖26和圖27。在標(biāo)定工況，進(jìn)排氣模擬管路直徑變化大于20%，柴油機(jī)功率都趨于穩(wěn)定；1 300 r/min外特性工況，變化趨勢相同(見圖27)。對比圖26和圖27發(fā)現(xiàn)，標(biāo)定工況進(jìn)氣模擬管路直徑變化小于20%(尤其小于15%)后，柴油機(jī)功率變化明顯，進(jìn)氣模擬管路直徑減小5%，柴油機(jī)功率下降近3 kW；1 300 r/min外特性工況時(shí)則是排氣模擬管路直徑影響較大，排氣模擬管路直徑變化小于20%后，柴油機(jī)功率變化明顯，排氣模擬管路直徑減小10%，柴油機(jī)功率下降近5 kW，而同樣比例的進(jìn)氣模擬管路直徑減小只有約1 kW的功率降幅。

圖26 2 200 r/min進(jìn)排氣管徑的影響

圖27 1 300 r/min進(jìn)排氣管徑的影響

進(jìn)排氣管長度都固定10 m不變，保持進(jìn)氣管路直徑0.15 m不變，進(jìn)排氣模擬管路表面粗糙度和排氣模擬管路直徑關(guān)聯(lián)變化，排氣模擬管路直徑固定0.2 m或表面粗糙度固定5 mm，另一參數(shù)變化，分析柴油機(jī)的性能變化，結(jié)果見圖28和圖29。在引入進(jìn)/排氣模擬管路表面粗糙度參數(shù)后，管路特征變化對柴油機(jī)性能影響加強(qiáng)，尤其是排氣管路直徑變化小于20%時(shí)。排氣模擬管路直徑變化小于20%時(shí)，排氣管路直徑對柴油機(jī)性能的影響大于表面粗糙度的影響，排氣管直徑變化大于20%后表面粗糙度(1 mm)的影響大于排氣模擬管直徑。對于表面粗糙度參數(shù)變化不大于20%和排氣模擬管路直徑變化大于20%的情況，高轉(zhuǎn)速工況表面粗糙度對柴油機(jī)性能影響大于排氣模擬管路直徑，低轉(zhuǎn)速工況排氣模擬管路直徑對柴油機(jī)性能影響大于表面粗糙度。如上述條件下，2 200 r/min轉(zhuǎn)速工況表面粗糙度參數(shù)對柴油機(jī)性能影響大于排氣模擬管路直徑，1 300 r/min轉(zhuǎn)速工況排氣模擬管路直徑對柴油機(jī)性能影響大于表面粗糙度參數(shù)(見圖28和圖29)。

圖28 2 200 r/min排氣管徑和表面粗糙度的影響

圖29 1 300 r/min排氣管徑和表面粗糙度的影響

4 結(jié)論

a)高原環(huán)境條件下，壓力對柴油機(jī)性能的影響大于溫度，隨著環(huán)境壓力下降，柴油機(jī)功率下降，由于柴油機(jī)控制條件限制，壓力下降與功率下降呈非線性關(guān)系，尤其是高轉(zhuǎn)速工況；海拔5 000 m標(biāo)定工況功率下降6.3%；隨著環(huán)境溫度下降，柴油機(jī)性能轉(zhuǎn)好，尤其是1 800 r/min以下轉(zhuǎn)速工況；

b)環(huán)境模擬系統(tǒng)進(jìn)排氣壓力不平衡對柴油機(jī)性能有較大的影響，進(jìn)氣壓力高于排氣壓力，促進(jìn)柴油機(jī)性能改善，在最大扭矩轉(zhuǎn)速工況影響最大，平均單位壓力變化會導(dǎo)致功率增加約10 kW；排氣壓力高于進(jìn)氣壓力時(shí)，中高轉(zhuǎn)速工況柴油機(jī)性能仍能維持，中低轉(zhuǎn)速則直接惡化；

c)進(jìn)氣管路特征參數(shù)包括管路長度、管路直徑、管路表面粗糙度，都對柴油機(jī)性能有影響，影響程度依次為直徑、長度、表面粗糙度，進(jìn)氣模擬管路直徑小于0.2 m時(shí)對柴油機(jī)性能影響會加劇，因此在實(shí)際應(yīng)用中建議選型至少大于0.2 m的進(jìn)氣模擬管路；

d)排氣管路特征參數(shù)包括管路長度、管路直徑、管路表面粗糙度，但僅有管路直徑對柴油機(jī)性能有大的影響，管路長度和表面粗糙度的影響可忽略；排氣模擬管路直徑小于0.2 m時(shí)對柴油機(jī)性能影響較大，尤其低于最大扭矩轉(zhuǎn)速工況時(shí)性能惡化嚴(yán)重，1 300 r/min轉(zhuǎn)速工況功率平均降幅10 kW/m；

e)進(jìn)一步分析進(jìn)排氣管路多特征變化對柴油機(jī)性能的影響程度，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)性能受影響程度在轉(zhuǎn)速和管路特征方面存在臨界值，臨界值前后不同參數(shù)的影響程度不同。