現代柴油機性能預測

2011-05-04 03:38:04李樹生李林科王令金董占春

鐵道機車車輛 2011年1期

關鍵詞：發動機

李樹生，李林科，王令金，董占春，李丹

（濟南柴油機股份有限公司，山東濟南250306）

CAE已經大量應用于現代柴油機設計，采用這種先進的設計分析技術，可以加快新產品研發進度，減少試驗件的投制和各種對比方案試驗的工作量，進而減少樣機開發的成本。

對新研制的船用柴油機的概念設計，利用CAE技術和設計分析經驗進行了整機性能計算，預測了發動機整機性能，確定了配氣定時、增壓匹配方案。

1 計算模型

計算模型中包括增壓器、中冷器、進氣腔、進排氣管和氣缸（圖1所示）。該模型中管25，26和單向閥R1形成進氣旁通閥，可以模擬在低負荷時打開進氣旁通閥時發動機的性能。模型中考慮管道內的一維氣體動力特性，通過對發動機工作循環和氣體交換過程分析，可以對新設計柴油機的經濟性和動力性指標進行準確的預測。

圖1 整機計算模型

2 確定進氣系統和排氣系統幾何尺寸

2.1 進氣系統幾何尺寸

進氣系統和排氣系統的幾何尺寸的確定是本著發動機壓力損失最小和較短瞬態響應原則確定的，為減少整個進氣系統的壓力損失，建議進氣管中所有的彎管應該光滑，避免銳邊和彎曲半徑過小。連接到壓氣機的管路和增壓器的法蘭大小有關，應保證空氣流量速度低于限值。通過對比計算確定：壓氣機進口管子直徑φ229 mm；壓氣機和中冷器之間的管最小直徑φ175mm；中冷器和進氣腔之間的管最小直徑φ250mm；進氣腔容積大約400L；進氣門座內徑φ79mm。

2.2 排氣系統幾何尺寸

通常排氣系統的容積稍微小于進氣系統的容積。為了達到可接受的瞬態反應效果，排氣系統應該保持較小容積，而且應采用一個脈沖轉換器系統。另一方面必須有足夠的容積來減少氣缸之間的相互作用，減少壓力損失。通過計算推薦的排氣支管直徑為180mm是一個很好的折中方案。考慮到整個系列化機型的通用性，排氣系統采用MPC。連接到渦輪機的管路和增壓器的法蘭大小有關，應保證空氣流量速度低于限值。

通過對比計算確定：排氣總管的內徑φ180mm；渦輪進口直徑φ153mm；排氣閥座內徑φ79mm。

3 氣門正時

氣門正時影響發動機容積效率、高壓循環的指示效率以及發動機的泵氣損失。因此，這是提高發動機性能的最重要因素之一。

3.1 排氣門開啟時刻

排氣門開啟時刻（EVO）對燃油消耗率產生主要影響。延遲排氣門開啟時刻可以加大膨脹沖程，因此提高高壓循環效率。但是，如果選擇的排氣門開啟時刻太延遲，縮短已燃燒氣缸內氣體的交換時間，這將增加發動機的泵氣功。關于排氣門開啟時刻優化的問題，應在高壓循環和氣體交換之間取一個平衡。

排氣門開啟時刻的優化對比方案在圖3中給出，各種排氣門開啟時刻方案對發動機性能參數的影響見圖2。結果顯示排氣門開啟時刻選擇135°是折衷方案，可以保證氣門與活塞間間隙，也可以使整個轉速范圍內各工況燃油經濟性、排氣溫度滿足要求，另外對容積效率的影響也很小。

3.2 進氣門關閉時刻

進氣門關閉時刻（IVC）對容積效率影響很大，延遲IVC可以使發動機有足夠的時間吸入新鮮空氣，從而提高容積效率。但如果IVC正時太延遲的話，通過發動機的空氣流量反而減少，因為已經吸入的空氣又隨著活塞的向上運動回到進氣道。進氣門早關可以降低燃燒開始時的交換氣體溫度，從而降低爆發溫度減少氮氧化物的排量。為了滿足NOx排放標準，采用了進氣門早關的Miller循環，同時為了保證在發動機的整個運行范圍內有足夠的過量空氣系數，選用更高壓比的增壓器來補償減少的容積效率。

圖2 排氣門開啟時刻對發動機性能的影響

圖3 排氣門開啟時刻的的優化對比方案

圖4 進氣門關閉時刻的的優化對比方案

圖5 進氣門關閉時刻對發動機性能的影響

圖4列出了進氣門關閉時刻的各種對比方案，在各負荷下IVC對發動機性能的影響在圖5中給出。選擇在上止點后538°進氣門關閉的Miller循環，較常規的進氣門早關，將適當降低容積效率，燃油消耗率保持基本不變，稍微會升高渦輪前排氣溫度，但會明顯降低NOx排放。此氣門正時方案意味著更高增壓器壓比，以保證所需要的過量空氣系數，這需要一個更小的渦輪。

3.3 氣閥重疊

氣門重疊（VO）影響通過發動機的空氣流量和泵損失。增加氣門重疊可以減少換氣過程上止點的壓縮殘余氣體量，減少發動機的泵氣功損失。增加氣門重疊將增加排氣掃氣系數，降低排氣溫度和燃燒室零部件的熱負荷。如果選擇的氣門重疊過大，反而對空氣流量產生副作用，因為當排氣門和進氣門都打開時，前一個氣缸的排氣脈沖波會對排氣產生干擾。另外氣門重疊選擇受氣門和活塞間允許的最小間隙的限制。因此，需要尋找氣體交換和燃燒質量兼容的設計方案。對于氣門重疊的優化方案在圖7中給出，氣門重疊方案對發動機性能的影響見圖6。結果顯示，氣門重疊期為72°對于氣體交換、排氣溫度和氣閥—活塞的間隙限制是最好的折中方案。

圖6 氣門重疊的優化方案

4 進氣旁通系統

高增壓發動機按船用螺旋漿推進特性曲線運行時，經常會遭受在部分負荷（25%～50%負荷）空氣流量不足的情況，這將導致排氣溫度高、冒黑煙以及壓氣機喘震。為了解決低負荷時的問題，采用了發動機進氣旁通系統，在中冷器后進氣管路中引一股空冷氣，通過一個旁通閥控制其直接進入渦輪前面的排氣管中。旁通控制閥只有在負荷低于50%時才打開，在高負荷時關閉。引入的這股冷空氣將增加渦輪的流量，使增壓器向高效區移動，增加了壓氣機壓比。這樣實際進入氣缸內的空氣流量增加，改善了氣缸內燃燒狀況，降低了排氣溫度。不帶和帶進氣旁通閥對發動機性能的影響見圖8和圖9。