壓縮余隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

楊海龍，辛欣，楊永春，劉斌，劉陽(yáng)，劉波

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)制造受生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等因素的影響，制造公差導(dǎo)致批量生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)在性能上存在較為明顯的差異。若發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)一致性差，會(huì)造成燃油經(jīng)濟(jì)性低、可靠性能差、排放性能下降等問題[1-2]。

在性能和排放均滿足開發(fā)要求的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)公差導(dǎo)致壓縮余隙在一定范圍內(nèi)波動(dòng)[3]。壓縮余隙越大，壓縮比越小，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率越低[4]。本文以某款柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，通過理論分析、仿真設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證等方法，研究壓縮余隙波動(dòng)對(duì)性能一致性的影響，確定壓縮余隙的最優(yōu)設(shè)計(jì)公差。

1 壓縮比對(duì)換氣和燃燒的影響

內(nèi)燃機(jī)壓縮比

(1)

式中：Vc為最小燃燒室容積，L；Vy為壓縮余隙變化導(dǎo)致的燃燒室容積變化，L；Vs為氣缸總?cè)莘e，L。

在燃燒過程中，壓縮比影響壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度，關(guān)系為：

tc=taεn-1

(2)

pc=paεn

(3)

式中：ta、tc分別為進(jìn)氣終了和壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)工質(zhì)的溫度，℃；pa、pc分別為進(jìn)氣終了和壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力，kPa；n為氣缸內(nèi)工質(zhì)的多變指數(shù)。

1.1 壓縮比對(duì)換氣過程的影響

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程是指從排氣門的開啟時(shí)刻到進(jìn)氣門的關(guān)閉時(shí)刻。換氣過程應(yīng)排凈本循環(huán)燃燒產(chǎn)生的廢氣，吸入下一循環(huán)的新鮮空氣。發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮余隙增加，壓縮比減小，殘余廢氣的相對(duì)量增加，充氣效率降低，過量空氣系數(shù)下降，新鮮進(jìn)氣量減少，換氣質(zhì)量下降，柴油機(jī)燃燒不完全，顆粒物增大，甚至冒黑煙[5-8]。

1.2 壓縮比對(duì)燃燒過程的影響

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)，壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)簡(jiǎn)化為混合加熱循環(huán)或等壓加熱循環(huán)[9]。基于等壓加熱循環(huán)理論可知，壓縮余隙變大，Vy正向變大，導(dǎo)致燃燒室容積變大，由式(1)～(3)可知，ε減小，會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，排放惡化，導(dǎo)致壓縮終了氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度降低，著火延遲期延長(zhǎng)，燃燒品質(zhì)差，工作粗暴[10-12]，影響柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和啟動(dòng)性。壓縮余隙減小，導(dǎo)致燃燒室容積減小，ε增大，壓縮終了缸內(nèi)壓力及溫度上升，提高熱效率和平均有效壓力。

2 壓縮余隙偏差對(duì)排放影響

2.1 影響壓縮余隙的關(guān)鍵參數(shù)

基于小位移旋量理論及Monte Carlo算法仿真建立幾何公差-壓縮比分析模型[13-14]，對(duì)壓縮余隙進(jìn)行尺寸鏈公差計(jì)算[15]，得出該機(jī)型壓縮余隙公差為1.2±0.12 mm，壓縮余隙為1.08～1.32 mm，對(duì)應(yīng)壓縮比為18±0.48。試驗(yàn)樣機(jī)實(shí)測(cè)壓縮余隙為1.20 mm，對(duì)應(yīng)壓縮比18。

對(duì)該機(jī)型的壓縮余隙及影響壓縮余隙的關(guān)鍵零部件尺寸進(jìn)行生產(chǎn)普查，確定樣本標(biāo)準(zhǔn)差σ，為滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)最小樣本數(shù)要求，樣本數(shù)定為125臺(tái)，壓縮余隙、連桿大小頭孔中心距、機(jī)體頂面高度、缸套凸出量、活塞壓縮高的樣本標(biāo)準(zhǔn)差(記為σ1、σ2、σ3、σ4、σ5)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

按照儀器檢測(cè)參數(shù)(1.2)內(nèi)容對(duì)分析參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，依據(jù)實(shí)驗(yàn)方法(1.3)對(duì)3個(gè)高純錫產(chǎn)品樣品進(jìn)行檢測(cè)；同時(shí)采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)進(jìn)行檢測(cè)。兩種方法的分析結(jié)果比對(duì)情況如表3所示。表中數(shù)值w為輝光放電質(zhì)譜法(GD-MS)平行測(cè)定情況下所采集的8到12組數(shù)據(jù)的平均值，RSD為對(duì)應(yīng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 壓縮余隙及關(guān)鍵零部件樣本標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 mm

由表1可知，各關(guān)鍵零部件的σ較低,低于制造業(yè)基本要求標(biāo)準(zhǔn)3.39。

2.2 仿真與試驗(yàn)

某款6缸、直列、增壓中冷重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表2所示。采用CONVERGE軟件建立燃燒模型[16-17]，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)校正，模型中缸蓋渦流比設(shè)置為1.1，壓縮余隙為1.2 mm，噴油器噴霧錐角為149°，噴孔直徑為0.169 mm。在保持其它參數(shù)不變的前提下，調(diào)整壓縮余隙為0.2～2.0 mm，步長(zhǎng)為0.3 mm，壓縮余隙與壓縮比對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表2 某重型柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表3 壓縮余隙與壓縮比對(duì)應(yīng)關(guān)系

選取額定工況、最低油耗工況進(jìn)行分析，額定工況轉(zhuǎn)速為1900 r/min，轉(zhuǎn)矩為1480 N·m；最低油耗工況轉(zhuǎn)速為1200 r/min，轉(zhuǎn)矩為1200 N·m。在2種工況壓縮余隙分別為0.2、0.5、0.8、1.2、1.4、1.7、2.0 mm下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放、483煙度和燃油消耗率進(jìn)行仿真計(jì)算，并計(jì)算偏差率

式中：Qi為不同壓縮余隙下各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果，Q′為壓縮余隙1.2 mm各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果，為中值。

仿真試驗(yàn)下2種工況不同壓縮余隙相關(guān)參數(shù)偏差率如圖1所示。

a)NOx排放 b)483煙度 c)燃油消耗率

由圖1a)可知：壓縮余隙為0.8～1.4 mm，NOx排放偏差率在2種工況下均隨著壓縮余隙增加而升高，最大偏差率在±10%以內(nèi)，滿足NOx排放偏差率小于±10%的一致性要求；

由圖1b)可知：壓縮余隙為0.8～1.4 mm，483煙度偏差率在額定工況隨壓縮余隙增加而降低，但變化率較??；在最低油耗工況隨壓縮余隙增加而升高，偏差率在±10%以內(nèi)，滿足483煙度值偏差率小于±25%的一致性要求。

由圖1c)可知：壓縮余隙為0.8～1.4 mm，燃油消耗率偏差率在2種工況下均在±1.5%以內(nèi)，滿足燃油消耗率偏差率小于±2%的一致性要求。

經(jīng)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，建議壓縮余隙控制在0.8～1.4 mm。

2.3 臺(tái)架試驗(yàn)

采用同款柴油機(jī)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)磨合試驗(yàn)后確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下的各項(xiàng)邊界條件參數(shù)均符合技術(shù)要求，具體對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 邊界條件參數(shù)技術(shù)要求和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

臺(tái)架試驗(yàn)所用儀器、設(shè)備主要包括：1)HORIBA7500DEGR氣體排放儀，0～10%量程的測(cè)量精度為±0.2%，10%～100%量程的測(cè)量精度為±2%；2)AVL483顆粒排放儀，測(cè)量精度為0.01%；3)FCD1301發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)；4)AVL73油耗儀，測(cè)量精度為≤0.12%；5)JD445測(cè)功機(jī)，測(cè)量精度為±2%。

試驗(yàn)過程中，更換不同厚度的缸蓋墊片模擬不同的壓縮余隙，調(diào)整壓縮余隙為0.7、0.9、1.2、1.3、1.6 mm，對(duì)應(yīng)的壓縮比分別為16.0、16.8、18.0、18.4和19.6，測(cè)量額定工況及最低油耗工況在不同壓縮余隙下的NOx排放、483煙度和燃油消耗率，計(jì)算相關(guān)參數(shù)偏差率，如圖2所示。

由圖2a)可知：壓縮余隙為0.7～1.6 mm時(shí)，NOx排放偏差率在2種工況不同壓縮比下均在±5%以內(nèi)，滿足NOx排放偏差率小于±10%的一致性要求。

由圖2b)可知：壓縮余隙為0.7～1.6 mm時(shí)，483煙度偏差率在2種工況不同壓縮比下均大于中值，額定工況最大偏差率為+16%，最低油耗工況最大偏差率為+43%，超出483煙度偏差率小于±25%的一致性要求，建議壓縮余隙控制在0.96～1.26 mm。

由圖2c)可知：壓縮余隙為0.7～1.6 mm時(shí)，燃油消耗率偏差率在2個(gè)工況表現(xiàn)出的規(guī)律不一致，最低油耗工況燃油消耗率最大偏差率+1.7%；額定工況壓縮余隙為0.7～1.2 mm時(shí)，燃油消耗率低于中值，2種工況在不同壓縮比下均滿足燃油消耗率偏差率小于±2%的一致性要求。

a)NOx b)483煙度值 c)燃油消耗率

經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，建議壓縮余隙控制在0.96～1.26 mm。

3 結(jié)論

1)通過額定工況和最低油耗工況下不同壓縮余隙對(duì)NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響，結(jié)合仿真試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)可有效判斷壓縮余隙的設(shè)計(jì)范圍。

2)由于當(dāng)前燃燒仿真計(jì)算精度較低，應(yīng)以試驗(yàn)結(jié)果為主，仿真結(jié)果作為參考，建議壓縮余隙控制在0.96～1.26 mm范圍內(nèi)。

3)壓縮余隙公差設(shè)計(jì)不僅要考慮設(shè)計(jì)成本、加工工藝，還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)性能一致性及排放要求。