缸蓋渦流比對(duì)柴油機(jī)性能的影響

楊海龍,辛欣,耿磊,趙旭

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,山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中,制造公差使批量生產(chǎn)的柴油機(jī)的性能和排放具有一定的差異性,也會(huì)給整車配套帶來(lái)巨大問(wèn)題[1-3],因此明確柴油機(jī)的制造精度對(duì)性能一致性的影響,對(duì)進(jìn)一步提升柴油機(jī)的品質(zhì)十分重要[4-5]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)廠家對(duì)影響柴油機(jī)性能和排放的各關(guān)鍵參數(shù)基本為定性判斷,各關(guān)鍵零部件及參數(shù)的設(shè)計(jì)邊界及設(shè)計(jì)公差基本來(lái)自加工、工藝、生產(chǎn)控制能力,導(dǎo)致公差設(shè)計(jì)不合理,其中包括缸蓋渦流比[6-7]。缸蓋渦流比主要通過(guò)改變柴油機(jī)的充氣效率來(lái)影響柴油機(jī)的燃燒,從而對(duì)排放產(chǎn)生影響[8]。即使發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放均滿足開發(fā)要求,由于設(shè)計(jì)公差和生產(chǎn)一致性的差異,也會(huì)導(dǎo)致批量生產(chǎn)的缸蓋渦流比在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

本文中以某柴油機(jī)為研究對(duì)象,通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證方法,研究渦流比對(duì)排放和燃油消耗率的影響,確定渦流比的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

1 影響因素分析

1.1 氣道的主要結(jié)構(gòu)及進(jìn)氣機(jī)理

柴油機(jī)的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)主要有切向氣道、螺旋氣道、帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣道3種[9],3種進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)如圖1[10]所示。目前柴油機(jī)廣泛采用螺旋氣道結(jié)構(gòu),其進(jìn)氣示意圖如圖2所示。由圖2可知:進(jìn)氣沖程開始時(shí),空氣從螺旋氣道的進(jìn)口流入并流經(jīng)氣道的最小截面處,經(jīng)過(guò)該截面后,氣體被分為2部分:一部分氣體沿著氣道蝸殼產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的螺旋氣流,繞氣門中心旋轉(zhuǎn),在氣道螺旋坡角β2的導(dǎo)向下,經(jīng)渦流室、氣門座和氣門環(huán)帶間的流通面,流入氣缸;另一部分氣體在氣門導(dǎo)管凸臺(tái)及氣道底坡角β1的聯(lián)合作用下,經(jīng)氣門導(dǎo)管凸臺(tái)下部后直接穿過(guò)渦流室,沿著與氣缸壁面近似相切的方向流向氣缸。以上2部分氣流流入氣缸后,逐步形成繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn),并趨于穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)氣流[11-13]。

a)帶導(dǎo)氣屏氣道 b)切向氣道 c)螺旋氣道

螺旋進(jìn)氣道部分結(jié)構(gòu)參數(shù)示意如圖3所示,其中,β3為主螺旋坡角,β4為副螺旋坡角,H為渦流室高度,e為偏心距,α為氣門錐角[14]。

圖2 典型螺旋氣道進(jìn)氣示意圖 圖3 進(jìn)氣道主要結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

1.2 缸蓋氣道制造偏差影響因素

缸蓋生產(chǎn)過(guò)程中,加工工藝及精度直接影響缸蓋氣道的結(jié)構(gòu)和形狀,從而影響氣道的渦流比和流量系數(shù),如鑄造時(shí)氣道砂芯的漂移以及機(jī)加工中的誤差等原因,往往使氣道的位置發(fā)生偏心、傾斜和脹大現(xiàn)象。偏離設(shè)計(jì)要求的氣道渦流比和流量系數(shù),導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化,對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放造成不利影響[15-16]。

2 性能仿真分析

2.1 缸蓋渦流比生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)

某柴油機(jī)缸蓋渦流比設(shè)計(jì)要求為1.2～1.6,基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,從產(chǎn)品中隨機(jī)抽取125個(gè)缸蓋樣本進(jìn)行渦流比測(cè)試,分析生產(chǎn)過(guò)程控制能力。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,125個(gè)缸蓋的渦流比為0.72～1.65,過(guò)程控制能力僅為0.66,低于控制能力為1.33的設(shè)計(jì)要求。

基于此生產(chǎn)現(xiàn)狀,研究渦流比波動(dòng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響,確認(rèn)當(dāng)前缸蓋渦流比生產(chǎn)一致性偏差是否滿足性能要求,明確渦流比的最優(yōu)設(shè)計(jì)范圍。

2.2 性能仿真

基于某直列6缸增壓中冷重型柴油機(jī),選取轉(zhuǎn)速為1 900 r/min、轉(zhuǎn)矩為1 480 N·m作為仿真計(jì)算工況,計(jì)算不同渦流比下的發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放、AVL483測(cè)量的煙度(以下簡(jiǎn)稱483煙度)和燃油消耗率,其中渦流比為0.8～1.8,步長(zhǎng)為0.1。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

使用Converge三維軟件進(jìn)行建模,保持其它參數(shù)不變,只改變模型中的渦流比,計(jì)算不同渦流比下的NOx、483煙度和燃油消耗率,結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 渦流比波動(dòng)對(duì)排放的影響 圖5 渦流比波動(dòng)對(duì)燃油消耗率的影響

由圖4可知:渦流比為0.8～1.7時(shí),隨著渦流比增大,NOx比排放增大,NOx比排放與渦流比幾乎呈線性關(guān)系;渦流比大于1.7時(shí),NOx比排放有所降低;渦流比為0.8～1.1時(shí),483煙度比排放下降明顯,對(duì)渦流比的變化較敏感;渦流比大于1.2時(shí),483煙度比排放緩慢增大。

由圖5可知:渦流比增大,燃油消耗率先減小后增大;渦流比約為1.5時(shí),燃油消耗率最小,為181.4 g/(kW·h)。主要原因?yàn)闇u流比增大,燃油與空氣充分混合,缸內(nèi)燃燒愈發(fā)充分,導(dǎo)致NOx的生成量增大,483煙度的生成量減少,相同工況下的燃油消耗率降低;但隨著渦流比繼續(xù)增大,進(jìn)氣阻力增大,流量系數(shù)降低,483煙度和燃油消耗率呈上升趨勢(shì)。

綜合考慮渦流比對(duì)NOx、483煙度和燃油消耗率的影響,建議控制量產(chǎn)缸蓋的渦流比為1.1～1.4。

3 性能試驗(yàn)研究

基于該柴油機(jī),對(duì)裝配不同渦流比缸蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),研究渦流比波動(dòng)對(duì)NOx、483煙度和燃油消耗率的影響規(guī)律,進(jìn)而明確此柴油機(jī)用缸蓋渦流比的最優(yōu)設(shè)計(jì)公差。

3.1 試驗(yàn)對(duì)象與設(shè)備

1)柴油機(jī)。按照柴油機(jī)圖紙及有關(guān)技術(shù)文件規(guī)定制造,裝配合格。

2)缸蓋。通過(guò)缸蓋氣道修磨方式,分別制作渦流比為0.65、0.83、1.00、1.15、1.25、1.33、1.50的缸蓋,并檢測(cè)合格。

3)試驗(yàn)用測(cè)試設(shè)備、儀器、儀表分別為:7500DEGR氣體排放儀、483煙度計(jì)、FCD1301柴油機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、AVL735油耗儀、JD445測(cè)功機(jī),均校驗(yàn)合格。

3.2 試驗(yàn)項(xiàng)目與結(jié)果

首先,按照磨合規(guī)范進(jìn)行柴油機(jī)磨合試驗(yàn),確認(rèn)柴油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)符合技術(shù)要求;在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上,依次更換不同渦流比的缸蓋進(jìn)行萬(wàn)有特性試驗(yàn),并確認(rèn)數(shù)據(jù)有效性,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。設(shè)置柴油機(jī)缸蓋的基準(zhǔn)渦流比為1.0,偏離比為不同渦流比與基準(zhǔn)渦流比下的NOx、483煙度比排放的差與基準(zhǔn)渦流比下的NOx、483煙度比排放的比。

渦流比波動(dòng)對(duì)標(biāo)定點(diǎn)柴油機(jī)性能影響如圖6、7所示。

圖6 渦流比波動(dòng)對(duì)排放的影響 圖7 渦流比波動(dòng)對(duì)燃油消耗率的影響

由圖6、7可知:渦流比為0.65～1.50時(shí),對(duì)NOx比排放的影響較小,偏離比在±5%以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求(不超過(guò)±10%);但渦流比為0.65～1.50時(shí)對(duì)483煙度比排放的影響較大,最大正偏離為+26%,最小負(fù)偏離為-46%,超出性能一致性要求(不超過(guò)±25%);渦流比為0.65～1.50時(shí),燃油消耗率偏差不超過(guò)±2 g/(kW·h),滿足設(shè)計(jì)要求;渦流比為1.0～1.3時(shí),對(duì)NOx、483煙度和燃油消耗率的敏感性影響較小,建議渦流比為1.0～1.3。

4 結(jié)論

對(duì)某柴油機(jī)缸蓋渦流比進(jìn)行了生產(chǎn)調(diào)查,明確了生產(chǎn)一致性現(xiàn)狀;仿真分析渦流比波動(dòng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響規(guī)律,以仿真結(jié)果為基準(zhǔn),進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),研究了不同渦流比對(duì)NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響。

1)仿真計(jì)算分析表明,綜合考慮渦流比波動(dòng)對(duì)NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響,建議渦流比控制為1.1～1.4。

2)經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證,綜合考慮渦流比波動(dòng)對(duì)NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響,建議渦流比控制為1.0～1.3。

3)由于燃燒仿真計(jì)算精度較低,建議以試驗(yàn)結(jié)果為主, 此發(fā)動(dòng)機(jī)渦流比控制為1.1～1.3。

4)柴油機(jī)開發(fā)過(guò)程中,設(shè)計(jì)渦流比時(shí)不僅應(yīng)考慮設(shè)計(jì)成本、加工工藝,還應(yīng)考慮性能、排放一致性,確保發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、性能和排放均滿足要求。