某16缸發(fā)動(dòng)機(jī)排溫不均勻性分析及優(yōu)化

張健健，王孝麗，劉臻，馬超，王丹妮

1.康躍科技(山東)有限公司，山東壽光 262718；2.機(jī)械工業(yè)內(nèi)燃機(jī)增壓系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東壽光 262718；3.濰坊學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院，山東濰坊 261061

0 引言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放的壓力越來(lái)越大，一方面需應(yīng)用后處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)減排，另一方面還應(yīng)通過(guò)控制原排減輕后處理系統(tǒng)的壓力，減小發(fā)動(dòng)機(jī)各缸運(yùn)行的不均勻差異是有效實(shí)施降低原排技術(shù)措施的重要條件[1-4]。

在8缸及以上多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)火順序往往存在多種可選方案，由此形成不同的進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略[5-8]，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能及各缸的均勻性產(chǎn)生影響。杜巍等[9]研究了排氣管結(jié)構(gòu)對(duì)多缸柴油機(jī)進(jìn)氣不均勻性的影響，分析了采用脈沖排氣管、等壓排氣管和模件式脈沖轉(zhuǎn)換排氣管時(shí)各缸進(jìn)氣量的不均勻性；李建秋等[10]研究了柴油機(jī)各缸工作不均勻程度對(duì)性能產(chǎn)生的影響；羅福強(qiáng)等[11]研究了柴油機(jī)各缸工作不均勻?qū)Ox排放的影響；韓吉鵬等[12]通過(guò)對(duì)排氣管優(yōu)化，解決油耗高和煙度大的問(wèn)題；黃粉蓮等[13]針對(duì)高壓共軌柴油機(jī)各缸輸出轉(zhuǎn)矩不均勻性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了多缸柴油機(jī)不均勻度信號(hào)處理方法和各缸均勻性控制算法；王小說(shuō)等[14]將各缸噴油量和噴油提前角作為控制變量，建立聯(lián)合仿真模型，驗(yàn)證閉環(huán)控制對(duì)改善各缸不均勻性的效果；賈德文等[15]采用GT-Power構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，分析了進(jìn)氣總管和進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣均勻性的影響。

本文中針對(duì)某16缸V型柴油機(jī)出現(xiàn)的各缸排溫不均勻性，通過(guò)一維熱力學(xué)仿真分析各缸排溫不均勻性的原因，提出排氣管路使用中間管和定壓管的解決方案，并對(duì)定壓管方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 模型建立及標(biāo)定

某16缸V型發(fā)動(dòng)機(jī)單排發(fā)火順序?yàn)?—6—2—5—8—3—7—4—1，其中第1～4缸連接第1個(gè)支脈沖排氣管，第5～8缸連接第2個(gè)支脈沖排氣管，每個(gè)支脈沖排氣管連接1個(gè)渦輪增壓器。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

對(duì)原機(jī)模型進(jìn)行一維熱力學(xué)建模，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸模型及進(jìn)、排氣管路模型按照發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)提供的實(shí)際參數(shù)設(shè)置；噴油規(guī)律按照實(shí)際噴油規(guī)律輸入；燃燒模型采用真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒規(guī)律擬合的雙韋伯函數(shù)模型，并在轉(zhuǎn)矩提升仿真過(guò)程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)延長(zhǎng)燃燒持續(xù)期；假定摩擦損失壓力與爆壓及活塞運(yùn)動(dòng)速度的平方呈線性關(guān)系，其系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況標(biāo)定，采用WoschniGT模型模擬傳熱特性；增壓器中渦輪機(jī)采用簡(jiǎn)單模型，壓氣機(jī)性能map數(shù)據(jù)為某增壓器企業(yè)的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖1 原機(jī)一維仿真模型

基于原機(jī)一維仿真模型計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖2可知：隨發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗、渦前排溫、中冷后進(jìn)氣溫度和空燃比仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)一致，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的最大相對(duì)誤差小于5%；中、高功率時(shí)，渦前排溫和空燃比的仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果基本相同，中冷后進(jìn)氣溫度在全工況范圍內(nèi)一致性較好，仿真模型建模合理，計(jì)算結(jié)果可信。

2 分析與優(yōu)化

2.1 排溫不均勻性原因分析

因發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的對(duì)稱性，以第1～4缸為例進(jìn)行各缸不均勻性分析，發(fā)動(dòng)機(jī)前4缸發(fā)火順序?yàn)?—2—3—4—1，其中第1、2缸曲軸轉(zhuǎn)角相隔180°，第2、3缸相隔270°，第3、4缸相隔180°，而第4缸和1缸的曲軸轉(zhuǎn)角僅相隔90°，各缸排氣質(zhì)量流量明顯不均勻。第1～4缸的排氣質(zhì)量流量曲線如圖3所示。由圖3可知：各缸排氣的瞬態(tài)質(zhì)量流量中，第4缸和第1缸之間存在明顯的排氣干涉，排氣重疊角約為250°；第1、2缸以及第3、4缸的排氣重疊角約為60°。

圖3 第1～4缸的排氣質(zhì)量流量變化曲線

選取第1缸和第4缸完整的排氣過(guò)程進(jìn)行分析，各缸瞬時(shí)排氣質(zhì)量流量及各缸排氣壓力如圖4所示。由圖4可知：曲軸轉(zhuǎn)角為240°～300°時(shí)，第1缸自由排氣過(guò)程中，第4缸處于強(qiáng)制排氣階段，第1缸排氣阻力受第4缸排氣的影響明顯，在曲軸轉(zhuǎn)角為220°～300°時(shí)，第1缸排氣壓力明顯升高。

圖4 第1～4缸排氣出口壓力及質(zhì)量流量曲線

由于排氣過(guò)程的相互干擾，導(dǎo)致了部分氣缸排氣不暢，不同工況下，各缸廢氣殘余系數(shù)如圖5所示。由圖5可知：第1缸廢氣殘余系數(shù)最高，為5.0%～8.3%；第2缸的廢氣殘余系數(shù)最低，為1.5%～4.2%。殘余廢氣增多會(huì)導(dǎo)致下一個(gè)工作循環(huán)中新鮮進(jìn)氣量減少，在各缸噴油量和噴油規(guī)律不變的前提下，會(huì)導(dǎo)致排氣溫度升高。

圖5 廢氣殘余系數(shù)

第1～8缸渦前排氣溫度如表2所示。由表2可知：第1、8缸的渦前排氣溫度較高，其中第8缸的渦前排氣溫度最高，為723.65 ℃；第2、7缸排氣溫度較低，其中第7缸排氣溫度最低，為664.95 ℃；各缸排氣溫度極差(最高排氣溫度與最低排氣溫度之差)約為58.70 ℃，排溫不均勻性較大。第1～4缸渦前排溫從高到低分別為第1、3、4、2缸，與殘余廢氣系數(shù)的對(duì)比結(jié)果一致。

表2 第1～8缸渦前排氣溫度 ℃

2.2 優(yōu)化方案

由上述分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)各缸發(fā)火順序間隔差異以及脈沖排氣管的配置，共同導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)部分氣缸排氣受到明顯的干擾，從而增大發(fā)動(dòng)機(jī)各缸排溫不均勻性。若通過(guò)更改發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序改善各缸不均勻性，需要重新設(shè)計(jì)曲軸、凸輪軸等關(guān)鍵部件，同時(shí)還需更改電控參數(shù)，難度大、周期長(zhǎng)、成本高。在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火順序不改變的前提下，如果能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)各缸排氣壓力的不均勻性，理論上可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)各缸工作的不一致性，減小各缸排溫不均勻性。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)各缸排溫不均勻性的機(jī)理，設(shè)計(jì)中間管和定壓管2種方案，其結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。由圖6可知：1)中間管方案是在原2個(gè)脈沖排氣管的中間加上一段連通管路，用于釋放第4、5缸的排氣，從而減小這2缸排氣對(duì)第1、8缸的影響；2)定壓排氣管方案采用相對(duì)較大空腔的排氣管，實(shí)現(xiàn)各缸排氣壓力的均勻性。

a)中間管 b)定壓排氣管 圖6 2種解決排溫不均勻性方案的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在一維熱力學(xué)模型中，僅改變排氣管路設(shè)置，進(jìn)行原機(jī)和2種方案的發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算，各缸排溫極差對(duì)比結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：原脈沖排氣管方案各缸排溫極差為16～44 ℃；中間管方案減少了各缸排氣的相互影響，各缸排溫極差為9～34 ℃，相比較原方案平均各缸排溫極差降低約28%；定壓排氣管方案減少了各缸排氣背壓不均勻性，各缸排溫極差為9～21 ℃，較原方案平均各缸排溫極差降低約40%。因此，定壓排氣管方案在降低各缸排溫不均勻性即改善各缸工作不一致性方面更優(yōu)。

圖7 不同方案下各缸排溫極差

2.3 定壓排氣管優(yōu)化方案

更換排氣管會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生一定影響，在提升各缸排溫均勻性的前提下，應(yīng)盡量少地降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能，因此需要對(duì)定壓排氣管方案進(jìn)一步優(yōu)化。定壓排氣管主要由排氣岐管和總管2部分組成，以這2部分管路的直徑為優(yōu)化對(duì)象進(jìn)行仿真計(jì)算，正交計(jì)算結(jié)果如圖8、9所示。

a) 110%負(fù)荷 b) 75%負(fù)荷 圖8 不同負(fù)荷下岐管管徑和總管管徑對(duì)比油耗的影響

a) 110%負(fù)荷 b) 75%負(fù)荷 圖9 不同負(fù)荷下岐管管徑和總管管徑對(duì)各缸排溫極差的影響

由圖8、9可知： 110%和75%負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗和排溫極差受排氣岐管及總管的管徑影響趨勢(shì)基本一致；增大總管管徑，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗和各缸排溫極差均逐漸減小；但隨著岐管管徑增大，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗有所降低，各缸排溫極差出現(xiàn)惡化趨勢(shì)，但比原機(jī)的排溫極差有較大改善。

圖10 排氣總管管徑對(duì)比油耗的影響

為了避免優(yōu)化排氣管帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的明顯惡化，保持定壓排氣管的岐管管徑不變，進(jìn)一步對(duì)總管管徑進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算不同工況下、不同排氣管管徑的發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗與原機(jī)比油耗的差，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：總管管徑從100 mm增大到180 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗差值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)總管管徑為130～150 mm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗相差最小，不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況下，優(yōu)化方案比原機(jī)的比油耗高約0.4～0.6 g/(kW·h)。

2.4 優(yōu)化前后性能對(duì)比

根據(jù)定壓排氣管優(yōu)化結(jié)果，確定定壓排氣管總管管徑為130 mm，將此排氣管優(yōu)化方案的發(fā)動(dòng)機(jī)性能與原機(jī)對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。

圖11 優(yōu)化前、后發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比

由圖11可知：不同負(fù)荷工況下，定壓排氣管優(yōu)化方案的平均渦前壓力有所升高，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量略有增加，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗在全負(fù)荷工況范圍內(nèi)與原機(jī)基本一致，各缸排溫極差明顯降低，不同負(fù)荷工況下，各缸排溫極差改善幅度十分明顯，其中超負(fù)荷點(diǎn)排溫極差降低了約40%，低負(fù)荷點(diǎn)排溫極差降低了約46%。

3 結(jié)論

1)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火順序和脈沖排氣管設(shè)計(jì)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)各缸排氣出現(xiàn)明顯干涉，進(jìn)而導(dǎo)致各缸工作一致性差異。

2)在發(fā)火順序不變的前提下，設(shè)計(jì)中間管方案、定壓排氣管方案并對(duì)定壓排氣管方案進(jìn)行優(yōu)化；中間管方案可以減少各缸排氣的相互影響，定壓排氣管方案可以改善各缸排氣背壓一致性，進(jìn)而改善各缸工作的不均勻性；對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用定壓排氣管方案在降低各缸排溫不均勻性方面具有更好的潛力。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗隨著定壓排氣管總管管徑的增加先減小后增大，而隨岐管管徑的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫一致性的差異增大。

4)通過(guò)優(yōu)化定壓排氣管，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與原機(jī)基本保持一致，發(fā)動(dòng)機(jī)各缸排溫極差降低40%以上，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)各缸排溫不均勻性。