某機型柴油機性能優(yōu)化

周生彬 呂亞斌 劉蒙 李曉鵬 魏喜龍

摘要： 本論文主要從以下幾個方面對柴油機的性能進行了優(yōu)化，以降低能耗減少排放：①在研究燃油系統(tǒng)時，主要考察了供油提前角對性能的影響;②在研究壓縮比時，主要考察了壓縮比對性能的影響;③在研究配氣系統(tǒng)時，主要考察了進、排氣門開啟角度對性能的影響。

Abstract： This paper mainly optimizes the performance of the diesel engine from the following aspects to reduce the energy consumption： ①When studying the fuel system， the influence of the oil supply advance angle is mainly investigated on the performance;

②When studying the compression ratio， the influence of the compression ratio is mainly investigated. ③When studying the gas distribution system， the influence of the inlet and exhaust door opening angle on the performance is mainly investigated.

關(guān)鍵詞： 柴油機;工作過程;性能優(yōu)化

Key words： diesel engine;working process;performance optimization

中圖分類號：TK422 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0014-04

0 ?引言

本文對某型號柴油機工作過程進行實驗分析。通過優(yōu)化以提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟型，降低燃油消耗率。主要分析了以下幾個方面：①進、排氣門開啟角度對性能的影響;②壓縮比對性能的影響;③供油提前角對性能的影響。

1 ?噴油提前角對柴油機性能的影響

噴油提前角的合理選擇是降低柴油機有害排放物常用的措施之一。噴油提前角決定燃油噴入氣缸的時刻，不同的噴油提前角造成噴油時的空氣壓力、溫度、流動狀態(tài)及活塞位置的不同，并通過影響燃油的滯燃期來影響燃料燃燒的時刻及燃燒時的放熱規(guī)律，從而影響到整個燃燒過程，最終關(guān)系到柴油機的動力性能和經(jīng)濟性能。本節(jié)對最大扭矩工況和最大功率工況下，不同的噴油提前角對柴油機動力性和經(jīng)濟性的影響進行研究[1]。

在最大扭矩工況（轉(zhuǎn)速為1500r/min）和最大功率工況（轉(zhuǎn)速為3500r/min）下，噴油提前角對油耗、功率和扭矩的影響，分別如圖1、圖2所示。從圖1和圖2中均可以看出：隨著噴油提前角的增加，功率和扭矩先增大后減小，油耗先降低后升高，只不過最大功率變工況的變化沒有最大扭矩工況的變化明顯。造成這些影響的主要原因是噴油提前，滯燃期延長，參與預(yù)混合燃燒的燃油增多，所以柴油機的動力性、經(jīng)濟性升高。但是如果噴油提前角過大，預(yù)混合燃燒所占的比例過多，由于燃燒始點過早，活塞上行所消耗的有用功將大大增加，也就是說有一部分有用功被抵消掉了，因此發(fā)動機功率、扭矩下降，油耗上升。盡管最大功率工況與最大扭矩工況噴油提前角對發(fā)動機性能影響的原因相同，但是最大功率工況與最大扭矩工況相比，最佳噴油提前角要提前，原因是如果保持預(yù)混合燃燒的時間以秒計不變，那么，隨著轉(zhuǎn)速的提高，噴油提前角應(yīng)該增加，以保證發(fā)動機的動力性。因此，為了對柴油機的性能進行優(yōu)化，在最大扭矩工況燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的噴油提前角14°、15°、16°。在最大功率工況取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的噴油提前角19°、20°、21°。

2 ?壓縮比對柴油機性能的影響

在最大扭矩工況（轉(zhuǎn)速為1500r/min）和最大功率工況（轉(zhuǎn)速3500r/min）下，壓縮比對油耗、功率和扭矩的影響，分別如圖3和圖4所示。從圖3和圖4可以看出隨著壓縮比的增加，功率和扭矩均先增加后減小，油耗均先降低后升高，只不過最大功率變工況的變化沒有最大扭矩工況的變化明顯。造成這種影響的主要原因是隨著發(fā)動機的壓縮比的增加，壓縮時所產(chǎn)生的氣缸壓力與溫度相對較高，混合氣中的油分子就能氣化的更完全，顆粒能更細密，使得燃燒在瞬間內(nèi)完成，能量釋放的更集中，因此發(fā)動機的功率和扭矩增加，油耗下降。但如果壓縮比過大，溫度過高，有一部分燃料來不及與空氣混合就直接碳化，導(dǎo)發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性都會惡化。為了對柴油機的性能進行優(yōu)化，取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的壓縮比，又因渦輪增壓柴油機壓縮比不能大于24，所以最大扭矩工況和最大功率工況均取最佳壓縮比22、23、24。

3 ?配氣相位對柴油機的性能影響

配氣機構(gòu)是發(fā)動機的重要部件之一，它的作用是按照發(fā)動機每一個氣缸內(nèi)所進行的工作循環(huán)和點火順序要求，定時開啟、關(guān)閉進、排氣門，保證正確的配氣相位，完成換氣過程，并在壓縮行程和做功行程保證氣缸的密封性。在這個過程中充足的新鮮空氣進入氣缸，而廢氣則及時從氣缸排出，氣門的提前開啟和延遲關(guān)閉，能使氣缸在進氣時最多的吸入足量新鮮空氣，在排氣時將廢氣盡可能排干凈，可以提高內(nèi)燃機的動力性和經(jīng)濟性。換氣過程就是將燃燒產(chǎn)物排出氣缸和把新鮮空氣充入氣缸的過程，內(nèi)燃機的性能很大程度上依賴其換氣過程，換氣過程的好壞將直接影響內(nèi)燃機的動力性和經(jīng)濟性，它的主要任務(wù)就是要盡量將缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物排除干凈，盡可能多的充入新鮮空氣，配氣相位的變化直接影響著內(nèi)燃機的換氣過程，因此為提高內(nèi)燃機的動力性經(jīng)濟性等指標(biāo)，需要研究減少進排氣流動阻力損失和提高充量系數(shù)的措施及方法。合理的配氣相位對于提高內(nèi)燃機功率、降低油耗具有重要影響[2～3]。

3.1 進氣提前角對柴油機性能的影響

①最大扭矩工況下（轉(zhuǎn)速為1500r/min），進氣提前角對油耗、功率和扭矩的影響，如圖5所示。從圖中可以看出：隨著進氣提前角的增加，功率和扭矩先增加后降低，油耗先降低后增加。造成這種影響的主要原因是隨著進氣提前角的增加，進氣行程開始時，進氣的流動阻力小，進入缸內(nèi)的新鮮充量多，有利于提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，但進氣提前角過大，進氣門打開時，缸內(nèi)的壓力較大，導(dǎo)致一部分廢氣倒流入進氣管內(nèi)，并隨進氣過程一起進入氣缸，增加缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)，惡化了柴油機性能。為了對柴油機的性能進行優(yōu)化，取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的進氣提前角，又因柴油機進氣提前角一般為0°～40°。在此取最佳進氣提前角16°、18°、20°。

②最大功率工況下（轉(zhuǎn)速3500r/min），進氣提前角對油耗、功率和扭矩的影響，如圖6所示。隨著進氣提前角的增加，功率和扭矩增加，油耗降低。造成這種影響的原因是隨著轉(zhuǎn)速的增加，每循環(huán)所占的時間減小，為了保證以秒計的進氣時間不變，隨著轉(zhuǎn)速的增加應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加進氣提前角。為了對柴油機的性能進行優(yōu)化，取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的進氣提前角，又因柴油機進氣提前角為0°～40°。因此取最佳進氣提前角36°、38°、40°。

3.2 排氣提前角度對柴油機性能的影響

在最大扭矩工況下（轉(zhuǎn)速為1500r/min）和最大功率工況下（轉(zhuǎn)速3500r/min），排氣提前角對油耗、功率和扭矩的影響如圖7、圖8所示。隨著排氣提前角的增加，功率和扭矩均先增加后減小，油耗均先降低后升高，造成這種影響的原因是：排氣提前角越大，排氣門開啟越早，自由排氣排出的廢氣的能量就越多，缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)就越小，因此有利于提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性;但此排氣提前角過大，排氣時缸內(nèi)的壓力較高，本來可以用來做功的氣體卻被排出了缸外，因此柴油機的動力性和經(jīng)濟性下降。但是，隨著轉(zhuǎn)速的增加，每循環(huán)所占的時間減小，為了保證排氣質(zhì)量以秒計的排氣時間不變，隨著轉(zhuǎn)速的增加應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加排氣提前角。為了對柴油機的性能進行優(yōu)化，因此，在最大扭矩工況下取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的排氣提前角，又因柴油機進氣提前角為30°～60°。因此取最佳排氣提前角54°、56°、58°。最大功率工況取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的排氣提前角，又因柴油機排氣提前角為30°～60°。因此取最佳排氣提前角48°、50°、52°。

4 ?柴油機性能的綜合優(yōu)化

①最大扭矩工況下（轉(zhuǎn)速為1500r/min），研究最佳噴油提前角、壓縮比和進、排氣提前角對柴油機燃油消耗率、扭矩和功率的影響，如圖9-圖11所示。選取燃油消耗率最低，扭矩和功率最大時對應(yīng)的噴油提前角、壓縮比和進、排氣提前角，從圖中可以看出最佳的點為（14，22，20，54）。

②最大功率工況下（轉(zhuǎn)速為3500r/min），研究最佳噴油提前角、壓縮比和進、排氣提前角對柴油機燃油消耗率、扭矩和功率的影響，如圖12-圖14所示。選取燃油消耗率最低，扭矩和功率最大時對應(yīng)的噴油提前角、壓縮比和進、排氣提前角，從圖中可以看出最佳的點為（19，24，40，50）。

從噴油提前角、壓縮比和配氣相位三方面對燃油消耗率、扭矩和功率就行了優(yōu)化。得到在最大扭矩工況和最大功率工況下的最優(yōu)解，如表1及表2所示。

優(yōu)化后得到在最大扭矩工況下，燃油消耗率最低，扭矩和功率最大的噴油提前角是14°、壓縮比是22、進氣提前角是20°和排氣提前角是54°。優(yōu)化后的燃油消耗降低了5.1%，扭矩和功率均增加了5.4%。而在最大功率工況下，燃油消耗率最低，扭矩和功率最大的噴油提前角是19°、壓縮比是24、進氣提前角是40°和排氣提前角是50°。優(yōu)化后的燃油消耗降低了17.8%，扭矩和功率均增加了21.7%。

參考文獻：

[1]胡大志，姚喜貴，鄭偉.直噴式柴油機燃油系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化[J].農(nóng)機化研究，2006（9）.

[2]韋超毅，周叢拒.配氣相位對柴油機動力性能的影響[J].森林工，2005（1）.

[3]蘇巖，李理光，肖敏，等.可變配氣相位對發(fā)動機性能的影響[J].汽車技術(shù)，2000（10）.