機(jī)械增壓柴油機(jī)配氣相位耦合優(yōu)化分析

0 引言

面對(duì)日趨嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，如何高效、準(zhǔn)確地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化研究，是當(dāng)代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究過(guò)程中的重要課題，而數(shù)值仿真技術(shù)在其中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用

。配氣相位就是進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)啟及關(guān)閉時(shí)刻，通常是用相對(duì)于上止點(diǎn)、下止點(diǎn)曲軸位置的曲軸轉(zhuǎn)角環(huán)形圖來(lái)表示。柴油機(jī)進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)刻對(duì)氣缸的充氣效率和換氣質(zhì)量有著很大的影響，能夠影響燃燒室內(nèi)的過(guò)量空氣系數(shù)，改變?nèi)剂先紵|(zhì)量，從而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放等。柴油機(jī)在換氣過(guò)程中，若能夠做到排氣徹底，進(jìn)氣充分，則可以提高充氣效率，增大柴油機(jī)的動(dòng)力輸出并改善其經(jīng)濟(jì)性

。

進(jìn)、排氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有一定的影響，并且進(jìn)氣相位還是排氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響都不是單調(diào)變化的，因此對(duì)于進(jìn)氣相位和排氣相位來(lái)說(shuō)，必然存在一個(gè)最優(yōu)值，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)。從目前的研究結(jié)果來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)排氣相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律并不一致，甚至發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下和高轉(zhuǎn)速工況下得到的結(jié)果完全相反

。從最優(yōu)控制策略的角度來(lái)說(shuō)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣相位是可變并且可控的，那么就有必要在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況下分別去討論，從而得到不同轉(zhuǎn)速工況下的最佳進(jìn)氣相位和排氣相位。此外，由于進(jìn)氣相位和排氣相位都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有明顯的影響作用，所以在討論最優(yōu)解時(shí)需要同時(shí)考慮進(jìn)氣閥和排氣閥，進(jìn)行進(jìn)氣相位和排氣相位的耦合分析

。

2 分析方法及計(jì)算模型

2.1 計(jì)算方法

本文主要針對(duì)柴油機(jī)的工作過(guò)程及發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行一維計(jì)算模擬，在計(jì)算過(guò)程中利用一些廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)柴油機(jī)的燃料燃燒及缸內(nèi)傳質(zhì)傳熱等物理過(guò)程進(jìn)行描述和預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程的模擬

。對(duì)于燃燒過(guò)程的模擬計(jì)算，通常采用使用最為廣泛的Weibe燃燒模型，此模型將缸內(nèi)整個(gè)燃燒過(guò)程分為預(yù)混合燃燒、主燃燒和尾燃三個(gè)階段，每個(gè)階段的燃燒都用韋伯函數(shù)進(jìn)行描述

。韋伯燃燒模型

如下：

對(duì)于傳熱計(jì)算，GT-Power提供了Woschni、flow、Hohenberg、hgprofile等多種傳熱計(jì)算模型以供選擇，本文選擇軟件中的WoschniGT公式

進(jìn)行氣缸傳熱的計(jì)算：

對(duì)家鄉(xiāng)的愛(ài)還表現(xiàn)在積極關(guān)注現(xiàn)實(shí)社會(huì)、了解民情、體貼民意、推動(dòng)社會(huì)發(fā)展、國(guó)家進(jìn)步，不消極厭世、無(wú)所作為、冷眼旁觀、消極應(yīng)對(duì)。其中一個(gè)方面表現(xiàn)為敢于追求社會(huì)的公平正義敢于為民請(qǐng)命。南通民間流傳著許多為民請(qǐng)命的故事，一些人物甚至不惜與基層官吏對(duì)抗。在南通全境流傳著曹瘦臉了的傳說(shuō)。在天災(zāi)頻仍，收成虧欠的情況下，通州境內(nèi)余西鹽場(chǎng)的鹽民顆粒無(wú)收，基層官吏仍然不減稅收，賦稅照催如故。曹秀升解到情況后非常生氣，就將余西鹽場(chǎng)連同另外當(dāng)?shù)厥畟€(gè)征稅的鹽總當(dāng)作被告，進(jìn)行上告，基層不理會(huì)，又告到揚(yáng)州運(yùn)鹽都司。最后官府懼怕事情鬧大，就免了遭災(zāi)地區(qū)的鹽稅。

2.2 仿真模型建立

鈉長(zhǎng)石化：主要發(fā)育在脈內(nèi)，可分為三個(gè)階段：第一階段鈉長(zhǎng)石呈他形葉片狀半自形板條狀，沿造巖礦物粒間交代或在礦物內(nèi)呈穿孔狀；第二階段鈉長(zhǎng)石呈他形狀、呈團(tuán)塊狀交代產(chǎn)出；第三階段鈉長(zhǎng)石呈他形粒狀，呈脈狀交代產(chǎn)出。

圖6和圖7所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在3000r/min轉(zhuǎn)速下的輸出扭矩和效率耦合分析計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)性能區(qū)在320°CA(IVO)、100～110°CA(EVO)附近。相比2000r/min，3000r/min工況下的最優(yōu)區(qū)域進(jìn)一步向左邊移動(dòng)，結(jié)合之前的分析結(jié)果可以得出結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下，排氣閥較晚開(kāi)啟有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，提前排氣閥的開(kāi)啟時(shí)刻能夠使得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性保持最佳的狀態(tài)。此外發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨進(jìn)排氣閥開(kāi)啟時(shí)刻的變化規(guī)律和2000r/min工況基本保持一致，呈現(xiàn)非單調(diào)的變化規(guī)律。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，與最低的扭矩和效率點(diǎn)對(duì)比，經(jīng)過(guò)進(jìn)排氣相位耦合優(yōu)化之后，發(fā)動(dòng)機(jī)3000r/min工況下最優(yōu)點(diǎn)的扭矩提升了24.8%，效率提升了24.7%。

如圖2所示為1000r/min轉(zhuǎn)速工況下的扭矩分析結(jié)果，圖中的顏色變化代表輸出扭矩的變化，顏色由藍(lán)到紅代表輸出扭矩逐漸增高，右邊的圖例標(biāo)識(shí)出了不同顏色對(duì)應(yīng)的扭矩區(qū)間，可以看到最高輸出扭矩達(dá)到22N·m左右。從圖2中可以看出，進(jìn)氣閥和排氣閥開(kāi)啟相位在變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能(扭矩輸出)都會(huì)受到較為顯著的影響，通過(guò)比較圖中橫向的顏色變化和縱向的顏色變化，可以發(fā)現(xiàn)由上到下的顏色變化更為顯著，由藍(lán)色變?yōu)榱思t色，相較而言橫向的顏色變化幅度并不大，只是由橙色變?yōu)橹饾u加深的紅色，這說(shuō)明相較于排氣閥，進(jìn)氣閥的開(kāi)啟相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有更為顯著的影響作用。進(jìn)氣閥在260°CA(上止點(diǎn)前100°CA)左右開(kāi)啟時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩較大，并且在260°CA～340°CA的區(qū)間內(nèi)變化時(shí)只是稍有減小，并沒(méi)有顯著的降低，但是在進(jìn)一步延后到360°CA(上止點(diǎn))開(kāi)啟的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩出現(xiàn)了驟降，這說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣閥需要有一定的開(kāi)啟提前角，如果開(kāi)啟過(guò)晚(接近上止點(diǎn))會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出造成嚴(yán)重的不良影響。此外排氣閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出也有一定的影響作用，但是與進(jìn)氣閥不同的是，當(dāng)排氣閥開(kāi)啟時(shí)刻不斷推遲，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，這說(shuō)明排氣閥并不是越早或越晚開(kāi)啟越好，而是存在一個(gè)最佳的開(kāi)啟相位。從計(jì)算結(jié)果可知，排氣閥在120°CA～140°CA時(shí)開(kāi)啟，而進(jìn)氣閥在280°CA左右開(kāi)啟時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠得到最高的輸出扭矩。

3 結(jié)果分析與討論

本文通過(guò)建立機(jī)械增壓式單缸柴油機(jī)性能仿真計(jì)算模型，進(jìn)行機(jī)械增壓?jiǎn)胃仔⌒筒裼蜋C(jī)的配氣相位進(jìn)行耦合優(yōu)化分析，針對(duì)進(jìn)排氣相位對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，本文得到的結(jié)論入如下：

2.2.2 說(shuō)明書(shū)雖未明確標(biāo)明材質(zhì)屬于非鐵磁性和弱鐵磁性材質(zhì)植入物，但對(duì)行MRI檢查規(guī)定磁場(chǎng)強(qiáng)度要求或時(shí)間要求的，劃歸為MRI限制類(lèi)。

本文的研究對(duì)象為某型單缸柴油機(jī)，具體型式為單缸風(fēng)冷四沖程柴油機(jī)，本文所研究單缸柴油機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

除了動(dòng)力性之外，本節(jié)還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，如圖3所示為發(fā)動(dòng)機(jī)1000r/min轉(zhuǎn)速工況下效率計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果顯示效率的變化趨勢(shì)和扭矩基本一致，當(dāng)進(jìn)氣閥開(kāi)啟過(guò)晚時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率會(huì)出現(xiàn)迅速降低，而排氣閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的影響規(guī)律則同樣是非單調(diào)的。從計(jì)算結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣閥120°CA～140°CA時(shí)開(kāi)啟，進(jìn)氣閥280°CA左右開(kāi)啟時(shí)，有效效率達(dá)到了最高(32%)，并且當(dāng)進(jìn)氣閥開(kāi)啟時(shí)刻在340°之前時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率基本都能夠保持在30%以上。經(jīng)過(guò)進(jìn)排氣相位的耦合優(yōu)化分析，在1000r/min轉(zhuǎn)速工況下，相較于最低的輸出扭矩和效率，最優(yōu)點(diǎn)的輸出扭矩和效率分別能夠提升54.1%和54.4%，因此本文所做工作對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位的優(yōu)化有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)際價(jià)值。

圖4和圖5所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在2000r/min轉(zhuǎn)速下的輸出扭矩和效率耦合分析計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，在2000r/min工況下，柴油機(jī)的輸出扭矩和效率依然保持較為一致的變化規(guī)律。排氣閥開(kāi)啟相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律為：隨著排氣閥開(kāi)啟時(shí)刻的推遲，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都呈現(xiàn)先提高后降低的變化規(guī)律(輸出扭矩先增大后減小，效率先升高后降低)。排氣閥的影響規(guī)律和1000r/min工況下一致，而進(jìn)氣閥的影響規(guī)律有所變化：在2000r/min轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)氣閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律同樣呈現(xiàn)非單調(diào)性，隨著進(jìn)氣閥開(kāi)啟時(shí)刻的推遲，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能先提高后降低(輸出扭矩先增大后減小，效率先升高后降低)，在進(jìn)氣閥開(kāi)啟時(shí)刻接近上止點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能還是會(huì)出現(xiàn)急劇降低。在2000r/min工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能點(diǎn)位于320°CA(IVO)、110°CA(EVO)附近區(qū)域，相比1000r/min工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能點(diǎn)向左上方移動(dòng)，即進(jìn)氣閥最佳開(kāi)啟時(shí)刻推遲，而排氣閥最佳開(kāi)啟時(shí)刻提前。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，與最低的扭矩和效率點(diǎn)對(duì)比，經(jīng)過(guò)進(jìn)排氣相位耦合優(yōu)化之后，發(fā)動(dòng)機(jī)2000r/min工況下最優(yōu)點(diǎn)的扭矩提升了29.1%，效率提升了29.2%。

GT-Power軟件采用模塊化的建模方式，先建立柴油機(jī)的各個(gè)零部件模塊，再依據(jù)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)布置將各個(gè)模塊連接起來(lái)，組成整個(gè)柴油機(jī)的仿真模型。在建模時(shí)，先根據(jù)自己的需要將模塊添加到工程圖中，然后根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際參數(shù)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可

。在GT-Power中，機(jī)械增壓器即為渦輪增壓器的壓氣機(jī)部分，工作原理和參數(shù)設(shè)置與渦輪增壓器相同，但是壓氣機(jī)模塊不和渦輪相連接，而是需要通過(guò)傳動(dòng)軸及齒輪和曲軸箱相連接。在單缸柴油機(jī)模型的基礎(chǔ)上可以建立機(jī)械增壓?jiǎn)胃撞裼蜋C(jī)模型，需要增加的模塊包括機(jī)械增壓器(壓氣機(jī)模塊)、傳動(dòng)軸和傳動(dòng)齒輪，機(jī)械增壓?jiǎn)胃撞裼蜋C(jī)模型如圖1所示。

4 結(jié)論

本文將在1000r/min、2000r/min和3000r/min三個(gè)轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行耦合優(yōu)化分析，這三個(gè)轉(zhuǎn)速分別為柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工況、中等轉(zhuǎn)速工況和高轉(zhuǎn)速工況的代表轉(zhuǎn)速，所以通過(guò)這三個(gè)工況的分析基本可以代表發(fā)動(dòng)機(jī)的全速域結(jié)果。分析的進(jìn)氣閥開(kāi)啟時(shí)刻(IVO)從100°BTDC到0°BTDC，排氣閥開(kāi)啟時(shí)刻(EVO)從100°BBDC到0°BBDC，通過(guò)寬廣的分析范圍，可以得到較為充分的分析結(jié)論。扭矩和效率是發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)最重要指標(biāo)，分別代表發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性，因此本節(jié)選擇扭矩和有效效率進(jìn)行計(jì)算，從而針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。通過(guò)本文的分析討論，可以為柴油機(jī)應(yīng)用可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)，在不同轉(zhuǎn)速工況下調(diào)節(jié)進(jìn)氣相位和排氣相位，從而最大限度地提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

(1)在1000r/min工況下，排氣閥在120°CA～140°CA時(shí)開(kāi)啟，而進(jìn)氣閥在280°CA左右開(kāi)啟時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠得到最高的輸出扭矩，相較于最低的輸出扭矩和效率，最優(yōu)點(diǎn)的輸出扭矩和效率分別能夠提升54.1%和54.4%，

1.3.1 比較聯(lián)合組與對(duì)照組患者治療效果。顯效:患者在治療后舒張壓降低≥10mm Hg并降至正常范圍,或者降低≥20mm Hg;有效:患者在治療后舒張壓降低<10mm Hg以?xún)?nèi)但血壓處于正常值,或者降低10至20mm Hg;無(wú)效:患者在治療后血壓降幅未達(dá)以上標(biāo)準(zhǔn)。治療總有效率為顯效率、有效率之和。

(2)在2000r/min工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能點(diǎn)位于320°CA(IVO)、110°CA(EVO)附近區(qū)域，相比1000r/min工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能點(diǎn)向左上方移動(dòng)，最優(yōu)點(diǎn)的扭矩提升了29.1%，效率提升了29.2%。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)3000r/min工況下的最優(yōu)性能區(qū)在320°CA(IVO)、100～110°CA(EVO)附近，與最低的扭矩和效率點(diǎn)對(duì)比，最優(yōu)點(diǎn)的扭矩提升了24.8%，效率提升了24.7%。

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