額定工況下柴油機使用性能優化計算建議的提出

衛志平

摘 要：壓縮比、配氣相位、進排氣均為柴油機性能重要的性能指標，這些性能指標的優化與否，關系到柴油機的正常使用。文章將在了解額定工況下柴油機使用性能優化計算內容的基礎上，進而深入研討優化計算的方法。

關鍵詞：柴油機；額定工況；使用性能；優化計算

1 額定工況下柴油機使用性能優化計算的內容

1.1 柴油機壓縮比

柴油機壓縮比，為柴油機氣缸總容積與燃燒室容積的比值。雖然該比值大小與柴油機轉速沒有關系，但對柴油機的經濟性、機械負荷、起動性能有直接的影響，譬如柴油機壓縮比增大后，其運行的爆發壓力將驟增，使得柴油機需要承受更大的機械負荷。由此可見，對柴油機壓縮機的計算，需分別站在柴油機經濟性、機械負荷、起動性能的視角，研討壓縮比優化計算的方法。

1.2 柴油機配氣相位

柴油機的配氣相位，用于表示進氣閥、排氣閥在開啟和延續時的時間，包括進氣提前角、出氣提前角、進氣滯后角、出氣滯后角。其中進氣提前角與進氣阻力相關，起到掃除燃燒室殘余廢氣的作用；出氣提前角的大小，對廢氣排出阻力有直接影響，太大則會增加廢氣排出的能量損耗，太小則會增加氣缸內工質膨脹功率損失量；進氣滯后角控制活塞在到達下止點時進氣閥的開度，對于進氣流慣性的利用充分與否，有一定的影響；出氣滯后角與進氣提前角形成氣閥重疊關系，關系到廢氣排出慣性的徹底性。由此可以看出，柴油機進出氣的效率水平，受到配氣相位的影響，需通過對配氣相位的優化計算，為柴油機性能優化提供依據。

1.3 柴油機進排氣

柴油機進排氣管道阻力的控制，與進排氣系統設計的合理性與否具有直接關系，后者可通過充量系數的增大，改善柴油機的進排氣，最終改善柴油機的動力性。對柴油機進排氣的優化計算，需分別考慮管道的摩擦阻力、管道流通面積大小、管道形狀、管道內氣體流動方向變化等，借助BOOST軟件進行仿真計算，確定額定工況下柴油機性能參數的變化規律，作為進排氣系統優化設計的依據。

2 額定工況下柴油機使用性能優化計算的方法

2.1 柴油機壓縮比優化計算

2.2 柴油機配氣相位優化計算

柴油機的配氣相位，與柴油機的進出氣有關，進而決定柴油機功率損耗和油耗的高低。對柴油機配氣相位的優化計算，應根據實機的情況，在確保凸輪軸型線穩定的情況下，轉動進氣和出氣的凸輪軸，然后偏移調整凸輪軸的相位。作者建議參照凸輪軸偏移前后的對比示意圖，借助仿真計算模型，摸索出柴油機性能配氣相位的變化規律，最后進行性能的優化。首先是柴油機進出氣凸輪偏移量的計算，繪制凸輪偏移量與柴油機爆發壓力、容積效率、泵氣損失之間的影響趨勢圖，然后在-4°CA-+4°CA的變化范圍內，分析出偏移量在向正方向增大時進氣提前角、進氣滯后角、出氣提前角、出氣滯后角之間的關系，最終確定進出氣阻力控制的方法。其次是繪制凸輪偏移量與扭矩、功率、油損耗率之間的影響趨勢圖，同樣在-4°CA-+4°CA的變化范圍內，分析容積效率變化和泵氣平均損失壓力降低對柴油機性能參數變化的影響，最后確定柴油機動力性能的優化方法。再次是分析凸輪偏移量與柴油機缸內最高溫度、NOx排放量之間的影響趨勢關系，確定對進氣量降低具有直接影響的充量系數。通過以上的影響趨勢分析計算，最終確定進氣提前角優化后的角度為66°CA、進氣滯后角優化后角度為54°CA、出氣提前角優化后角度58°CA、出氣滯后角優化后角度56°CA。

2.3 柴油機進排氣優化計算

柴油機壓氣機后中冷器的進氣管路擴大之后，壓氣機出口位置氣體的動能，可轉換成為壓力能，對進氣壓力的提高，具有較好的幫助。在確定柴油機的進氣總管直徑偏移值之后，分別通過總管直徑的仿真計算，找出進氣總管偏移值對柴油機性能影響的變化規律。一方面是分析柴油機總管管徑偏移值與扭矩、功率、油耗之間的關系，分析結果顯示，進氣總管直徑增加后，進氣的阻力將降低，當直徑偏移量達到+20mm時，柴油機的動力性將達到最優化狀態；另一方面是分析柴油機總管管徑偏移值與充氣系數、NOx排放量、排氣溫度之間的關系，確定總管管徑偏移值在+20mm時，柴油機排放性能得到一定程度的改善，但變化情況并不明顯。除此之外，柴油機的排氣歧管直徑的大小，與柴油機性能亦有一定關聯，期間借助仿真計算的方法，可掌握歧管直徑的變化趨勢，并作為整機優化改造的依據，譬如柴油機歧管直徑增大后，柴油機的扭矩和功率呈先增后減的趨勢，與油耗成反比關系，也就是說，在進行仿真計算后，對柴油機排氣歧管進行適當調整，可形成對柴油機油耗的友好控制。經計算，確定柴油機歧管達到65mm時，柴油機的扭矩和功率取最大值，而油耗率則處于最小狀態，主要的原因是柴油機排氣歧管增加后，排氣時的阻力越來越小，在65mm標準值時，柴油機的換氣程度得到了改善，其動力自然得以提升。至于充氣效率、NOx排出量、排氣溫度等，與排氣歧管直徑變化的關系分析，應考慮脈沖增壓對充氣效率的影響，經仿真計算，確定排氣歧管直徑的最小值不能低于55mm。最后確定柴油機排氣歧管直徑的改進設計范圍為55-65mm。

3 結束語

綜上所述，柴油機使用性能與其壓縮比、配氣相位、進出氣系統有關，可將這三者作為柴油機使用性能優化計算的主要內容，這三方面的計算內容，均需要在柴油機額定工況的條件下，考慮柴油機功能實現的同時，其功耗的大小如何。文章通過研究，基本明確了額定工況下柴油機使用性能優化計算內容和方法，但鑒于不同型號柴油機性能要求的差異性，因此以上方法在實際中的應用，還應該考慮到不同型號柴油機的性能要求，予以靈活的應用。

參考文獻

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