環境溫度對柴油機性能影響規律及調整方法

仲杰，李先南，張文正，陳瑋，孫鋆

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引言

柴油機環境變化時，空氣密度和進氣溫度發生變化，影響進入氣缸的新鮮空氣量與增壓壓力，使柴油機的爆壓與排溫發生變化。環境溫度降低時，柴油機壓比和爆壓上升、排溫下降，反之則壓比和爆壓下降、排溫上升[1-2]，當機械負荷或熱負荷超限時還會影響柴油機的安全運行。隨著柴油機電控技術的發展，燃油系統的靈活可調為柴油機適應各種溫度環境提供了方便[3-6]。

噴油正時能夠影響柴油機的爆壓與熱負荷。噴油正時提前，燃燒前移，排溫下降，但上止點附近燃燒的燃油增多，爆壓上升；噴油正時推后，燃燒后移，爆壓下降，但后燃導致排溫上升[7-10]，缸套傳熱增加。因此，在制定噴油正時調整策略時需綜合考慮噴油正時對爆壓和排溫的影響，必要時進行功率修正。

本文中以某電控柴油機為研究對象，采用GT-Power仿真軟件計算不同環境溫度對柴油機性能的影響，并通過開展噴油正時調整與功率修正實現柴油機在環境溫度為5～45 ℃時額定負荷的爆壓與排溫均滿足設計要求。

1 建模

為了研究不同環境溫度對柴油機性能的影響規律，利用GT-Power軟件搭建了某電控柴油機的一維仿真模型，并根據試驗數據對模型進行了標定，結果如圖1、2所示。

由圖1、2可知，缸內壓力與放熱率的試驗與仿真結果吻合較好，仿真模型精度達到95%以上，能夠滿足工程仿真預測的需求。

圖1 100%負荷缸壓標定結果 圖2 100%負荷放熱率標定結果

2 不同環境溫度仿真計算

基于標定的仿真模型，通過改變環境進氣溫度，得到柴油機額定負荷時各參數隨環境溫度變化的曲線，如圖3所示。

a)增壓壓力和爆壓 b)渦前排溫和缸蓋排溫 c)油耗和過量空氣系數圖3 環境溫度對性能的影響

由圖3可知：隨著環境溫度上升，空氣密度降低，柴油機進氣量會下降，導致柴油機增壓壓力下降，爆壓下降，同時由于進氣流量下降，過量空氣系數會減小，燃燒惡化，油耗上升；環境溫度下降時趨勢則相反。環境溫度每下降5 ℃，該柴油機額定負荷增壓壓力上升約7 kPa，爆壓上升約0.23 MPa，當環境溫度低于20 ℃，爆壓超出限值；環境溫度每上升5 ℃，渦前排溫上升8 ℃左右，缸蓋排溫上升9 ℃左右，過量空氣系數下降0.05，油耗上升0.8 g/(kW·h)，當環境溫度高于38 ℃，渦前排溫與缸蓋排溫超出限值。

為保證柴油機可靠運行，對因環境溫度改變帶來的爆壓與排溫超限問題，采用噴油正時調整與功率修正的方法解決。

3 不同噴油正時仿真計算

調整噴油正時可以改變燃燒始點，從而改變整個燃燒過程。通常噴油正時提前，爆壓上升、燃燒提前、排溫下降；噴油正時推遲，爆壓下降、燃燒推后、排溫上升。圖4為不同噴油正時對柴油機額定負荷性能的影響規律。

由圖4可知，噴油正時對柴油機爆壓、排溫及油耗影響明顯，噴油正時每推遲1°，柴油機爆壓下降0.5～0.6 MPa，排溫上升3 ℃左右，油耗上升1.7 g/(kW·h)。由此可見，對于爆壓超限的情況可采用推遲噴油正時的方法，對排溫超限的情況可采用噴油正時提前的方法。

a)爆壓與排溫 b)油耗圖4 不同噴油正時對柴油機性能的影響

根據不同環境溫度下仿真計算結果，環境溫度為5 ℃時，爆壓超出限值0.8 MPa，但渦前排溫低于限值50 ℃；環境溫度為45 ℃時，爆壓低于限值1 MPa，但渦前排溫超出限值12 ℃；結合噴油正時對爆壓與排溫的影響規律，則低溫時調整推遲噴油正時排溫的風險較小，但高溫時提前噴油正時存在爆壓超限的風險。為使各環境溫度下的爆壓與渦前排溫均不超出限值，首先應考慮使用高爆壓。

4 不同環境溫度等爆壓計算

基于模型開展等爆壓計算，通過調整噴油正時得到對應環境溫度25 ℃爆壓時不同環境溫度下的柴油機性能，并與等正時情況進行對比，結果如圖5所示。

圖5 等正時與等爆壓下的柴油機性能對比

由圖5a)、5b)可知，以環境溫度25 ℃爆壓為目標，對其他環境溫度下的柴油機噴油正時進行調整，低溫時噴油正時推遲，高溫時噴油正時提前；噴油正時調整后，不同環境溫度下的爆壓基本與環境溫度25 ℃時一致，達到了控制爆壓的目的。

由圖5c)、5d)可知，由于噴油正時改變，渦前排溫與缸蓋排溫也相應改變。低溫環境下，噴油正時雖有所推遲，但渦前排溫與缸蓋排溫仍低于限值；高溫環境下，噴油正時提前，渦前排溫與缸蓋排溫有所改善，但受爆壓限制，噴油正時不能無限提前，當環境溫度超過40 ℃，渦前排溫與缸蓋排溫仍高于設計限值。

由圖5e)可知，噴油正時調整后，不同環境溫度下的油耗變化趨于平穩，高溫下噴油正時提前有助于降低油耗。

表1 噴油正時隨環境溫度修正表

根據計算結果，形成不同環境溫度噴油正時修正量如表1所示，柴油機在運行過程中應根據環境溫度進行噴油正時的自動調整。

5 功率修正計算

由圖5可知，當環境溫度超過40 ℃后，渦前排溫與缸蓋排溫仍高于設計限值，此時必須進行功率修正。環境溫度為40～45 ℃時不同負荷下柴油機的排溫仿真結果如圖6所示。

a)渦前排溫 b)缸蓋排溫圖6 不同負荷下渦前排溫和缸蓋排溫

由圖6可知,隨著環境溫度上升，各種負荷下的渦前排溫與缸蓋排溫均上升；同一環境溫度下，負荷越低，渦前排溫與缸蓋排溫越低。以渦前排溫與缸蓋排溫限值為控制目標，環境溫度超過40 ℃后，環境溫度每上升1 ℃，功率需下降約1%，當環境溫度為45 ℃時，最大功率為95%額定功率。由此得到隨環境溫度功率修正公式為：

式中：P為環境溫度為T時的柴油機額定功率；P0為柴油機標況下的額定功率；T為環境溫度。

6 結論

1)環境溫度對柴油機性能影響明顯，環境溫度降低，爆壓上升，排溫下降；環境溫度上升，爆壓下降，排溫上升；當環境溫度變化超過一定數值時，柴油機機械負荷與熱負荷會超出設計限值。

2)調整噴油正時能夠有效改變柴油機爆壓與排溫，低溫時噴油正時推遲，爆壓下降，且排溫風險不大；高溫時噴油正時提前，排溫下降，但爆壓上升，噴油正時修正量會受爆壓限制；以等爆壓為目標，可以得到不同環境溫度時對應的噴油正時修正值。

3)在極熱條件下，如果噴油正時調整后柴油機熱負荷仍超過設計限值，需進行功率修正。