柴油機的性能優化方案探究

陳芬放 王雪松 韓飛

摘要：本文介紹了運用性能分析軟件來實現對柴油機工作過程計算分析的方法，在此基礎上，依據柴油機的工作原理和特點提出了柴油機性能優化的若干措施，為柴油機工作過程的仿真計算和性能優化提供參考。

關鍵詞：柴油機；仿真計算；性能；優化

前言

柴油機自1892年發明至今，已經歷了100多年的改進歷程，雖然其工作原理和基本結構沒有發生太大的改變，但是其技術性能已經取得了突飛猛進的發展。隨著對動力裝置“高功率密度、高效率、高可靠性、低目標特性”的“三高一低”的要求的提出，柴油機的發展面臨新的挑戰。在新產品開發的同時，對現有機型的性能優化也是柴油機發展的一個重要方向。在以前，對柴油機性能的測試只能采取實驗的手段，雖多采用單缸機，但仍耗費巨大的人力物力。隨著計算機技術的發展，對內燃機工作過程進行仿真模擬的軟件應運而生。目前，常用的模擬軟件有AVL-BOOST、FIRE、SCRYU、FLUENT、FIDAP、GT-Power等。不同的仿真模擬軟件建立模型所需的組分不同，仿真和優化的側重也各有特色。例如AVL-BOOST有著強大的發動機穩態和瞬態性能分析功能，尤其適合排氣系統、配氣相位、噴油提前角的仿真。而FIRE軟件則在冷卻水套、缸內噴霧燃燒、HCCI燃燒的模擬計算中占有優勢。

1.仿真模型的建立及標定

1.1 建立模型

不同軟件建立模型所需的組件不同。其中，AVL –BOOST軟件整機計算模型主要由氣缸、進氣系統、排氣系統、增壓器和中冷器組成。建立模型時前應仔細分析柴油機的實機結構和原件布置形式，在軟件的建模區放入相應的元件，用管道進行連接，布置測量點，然后輸入結構和性能參數。這些參數直接影響數值模擬的精度，因此必須保證其準確性。對于對仿真結果影響較大的參數，可采用試驗數據。

1.2 試計算并調整參數

選擇仿真中各過程所依據的理論或模型，對某一轉速和工況下的柴油機的工作過程進行仿真計算，得到一系列性能指標和圖表。仿真完成后，將計算結果與試驗值進行比較，確定各性能指標的誤差。若仿真計算結果的誤差過大，則須用試驗數據對模型進行校準， 以保證模型的可靠性。

2.性能參數優化

在整機模型可靠的基礎上， 保持轉速、負荷、進氣溫度等邊界條件不變，選用不同的排氣系統方案、配氣相位、噴油提前角等， 通過計算分析這些參數的變化對發動機性能的影響， 從而為尋找最優方案提供依據。

2.1排氣增壓系統

排氣增壓系統利用燃料在柴油機中燃燒后排氣的能量對進氣加壓，增加進氣密度，從而在保持氣缸工作容積不變的條件下，有更多的新鮮空氣進入氣缸，因而可以增加循環供油量，提高內燃機各項性能指標。目前采用的增壓排氣系統主要有定壓增壓、MPC 增壓、簡單脈沖轉換器和MIXPC 增壓等。不同的排氣增壓系統對排氣能量的利用、排氣時的掃氣質量、柴油機的加速性能有著不同程度的影響。優化時，分別按多種增壓排氣方式對柴油機工作特性進行分析計算，并根據各排氣增壓系統在柴油機上布置的便利性，擇優選取。

2.2 配氣相位

由于受配氣機構及其運動規律的限制，氣門不可能瞬時完全打開，且氣門在剛打開時，氣道流通界面小，氣體流量小。為了使柴油機在進氣時有更大的新鮮充量，排氣時廢氣排出順暢，降低排氣消耗的推出功，氣缸蓋上的進、排氣門都是提前開啟的。而在進氣、排氣沖程結束后，為了利用氣體流動的慣性，實現過后排氣，進、排氣門的關閉也有一定的延遲。進、排氣門提前開啟、滯后關閉所對應的曲軸轉角分別稱為進氣提前角、進氣遲后角、排氣提前角、排氣遲后角。因此，在進排氣上止點前后，有一個進、排氣門同時開啟的狀態，相應的曲軸轉角稱為氣門疊開角。增大氣門疊開角一方面可以增加進氣充量，冷卻燃燒室內的高溫部件，另一方面會造成氣門與活塞運動的干涉。進行配氣相位優化時，首先根據類似機型的有關數據資料， 初步定出一個配氣相位， 再在這個初始的配氣相位上依次逐步調整進氣關閉角、排氣提前角與進排氣重疊角等， 通過一系列的計算調整， 求得最佳配氣相位值。

2.3 壓縮比

柴油機的另一個主要性能參數是壓縮比， 它表明缸內空氣被活塞壓縮的程度。改變壓縮比會使燃燒壓力、燃燒溫度、排氣溫度、有效熱效率、熱負荷同時發生變化，因此對柴油機的壓縮比進行優化能有效改善柴油機性能。優化時，可以嘗試不同的壓縮比，通過計算獲得柴油機在這些壓縮比下的工作過程，并進行分析對比，來選擇能使柴油機性能達到最佳的壓縮比，實際選用時還要兼顧柴油機在設計中對缸內最大爆發壓力、排溫、壓力升高比和機械負荷的要求。在滿足上訴要求的前提下，可以選擇較高的壓縮比來改善柴油機動力性、經濟性等綜合性能。

2.4 噴油提前角

噴油提前角是對柴油機的性能有重要影響的參數。在壓縮沖程，氣缸內的溫度和壓力隨曲軸轉角而增大，如果噴油早，即燃燒進入氣缸是的空氣溫度和壓力較低，使滯燃期長；如果噴油遲，雖初始溫度和壓力升高，但作用的時間縮短，可能著火前活塞已經開始下行，空氣溫度和壓力降低，也使滯燃期增加，因此存在一個使滯燃期最短的噴油提前角。滯燃期受柴油機轉速、增壓壓力、增壓溫度等因素的影響。噴油提前角對柴油機功率、經濟性、排放、排氣溫度、熱效率等性能指標均有影響，優化時應兼顧各個指標。

3.結論和展望

（1）本文根據目前流行的對內燃機工作過程仿真軟件的應用，給出了仿真軟件使用的一般方法，并結合柴油機的工作原理，提出了若干柴油機性能優化的可行措施，對柴油機性能的優化有一定的指導意義。

（2）柴油機性能優化是一個復雜的過程，任何一個參數的變化，必然會同時影響多個性能指標，有的會使多個性能指標同時提升，有的會產生矛盾的結果。因此在優化的過程中，應該統籌兼顧，有所取舍，力求獲得最優方案。

（3）隨著環境問題越來越受到重視，傳統的通過實機測試來檢測柴油機性能指標的方式顯然已經不符合節能減排的要求。計算機仿真軟件的應用不但解決了這一問題，還達到了內燃機優化過程中性能預測的目的。

（4） 隨著計算機技術的飛速發展和內燃機在開發過程受到越來越多條件的限制，今后將會有一大批界面更加友好、計算更加快速、準確的仿真軟件應用于內燃機的設計和優化中。

參考文獻：

[1]AVL BOOST User s Guide， 2004.

[2]周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]高偉. 增壓柴油機性能模擬與優化計算[J].節能技術，2009，27 （2）

[4]任自中. 中速柴油機性能改進的優化設計[J].內燃機工程，2003，24 （5）

[5]劉騫. 基于AVL-BOOST仿真優化及柴油機性能預測[J].鐵道機車車輛，2011，31

[6]白敏麗. 6106 柴油機性能研究及優化[J].工程熱物理學報，2008，29 （2）

[7]田翀. 應用Isight集成BOOST對發動機的性能進行優化[J]. 2007年APC聯合學術年會論文

作者簡介：陳芬放（1992-），漢族，浙江臨安人，哈爾濱工程大學動力與能源工程學院輪機工程專業，本科生。