配氣定時對柴油機性能優化的仿真分析

徐忠康，李明海，王娟

（116028 遼寧省 大連市 大連交通大學 機車車輛工程學院）

0 引言

人們對環境保護的日益重視，以及高鐵的快速發展，都對機車柴油機提出了更加嚴苛的要求。在節能減排的優化中，配氣定時對柴油機的運轉有著關鍵性的影響，影響著缸內的燃油是否能有充足的氧氣進行燃燒，而且這將影響柴油機的有效功率（Brake Power）、平均有效壓力（BMEP）、燃油消耗率（BSFC）、碳煙（SOOT）的排放量和氮氧化物（NOX）的排放量。為了優化該機型的部分性能，使用建模仿真手段對該機型進行模擬仿真[1-8]，有助于快速計算出各優化方案對柴油機性能的影響，進而尋找出綜合情況最優的方案，然后再進行實機驗證，可以縮短周期，節約經費，加快優化研究進程。

1 模型的建立與驗證

1.1 模型建立

采用由美國GAMMA 公司開發的發動機仿真軟件GT-Power，建立16V280 型柴油機的仿真模型，如圖1 所示。該型柴油機的參數如表1 所示。

圖1 16V280 型柴油機的仿真模型Fig.1 Simulation model of 16V280 diesel engine

表1 16V280 型柴油機參數Tab.1 Parameters of 16V280 diesel engine

1.2 模型驗證

在標定轉速下對負荷率為25%，50%，75%，100%的工況進行仿真值與實驗值[9]的比較，得到有效功率、燃油消耗率、平均有效壓力的對比圖，如圖2 所示。

圖2 仿真值與實驗值對比圖Fig.2 Comparison of simulation value and experimental value

從上面的實驗值與計算值的對比圖可以看出，該仿真模型能夠在允許的誤差范圍內仿真出整機工作時的數據，因此該模型的建立是準確、可靠的，能夠在此模型的基礎上進行配氣定時優化的研究。

2 方案確立與仿真結果

在尋找最優方案過程中，考慮的變量、因素越多優化后結果準確性越高、可靠性越好，但同時也增加尋找難度與工作量。因未對該機型進行大的改動，依舊采用原機的進排氣門升程曲線。為減少計算量，對配氣定時進行±8 °CA 范圍內的局部優化，以部分改善該機型的油耗和排放[10-11]。原機型進氣凸輪定時角為442.5 °CA,排氣凸輪定時角為268 °CA，氣門重疊角為120 °CA。原機的進排氣門升程曲線如圖3 所示。

圖3 進排氣門升程曲線Fig.3 Intake and exhaust valve lift curve

2.1 進，排氣凸輪定時角優化方案

排氣門提前開啟可以減少排氣阻力，使排氣更加干凈；進氣門延遲關閉，可以延長進氣時間，增加進氣量。氣門重疊角適當時，可以在氣缸內達到很好的掃氣效果，以減少氣缸內的殘余廢氣，達到降低排放的目的。所以，對進排氣凸輪定時角進行優化方案設計[12-14]，以達到改變氣門重疊角的目的，以便尋找較優的氣門重疊角。

進氣凸輪定時角優化方案如表2 所示，排氣凸輪定時角優化方案如表3 所示。

表2 進氣凸輪定時角優化方案Tab.2 Timing angle optimization scheme of inlet cam

表3 排氣凸輪定時角優化方案Tab.3 Timing angle optimization scheme of exhaust cam

2.2 DOE 優化及后處理

使用DOE 對上述的進排氣凸輪定時進行組合計算，組合后得到的優化方案包括81 個不同的進、排氣凸輪定時的組合方案，而每個方案又包括25%，50%，75%，100%共4 個負荷工況，共計324 個優化方案。計算完成后進行數據處理與結果分析。

不同組合對有效功率的影響結果如圖4所示，不同組合對燃油消耗率的影響結果如圖5 所示。

從結果可以分析出，在所有優化方案中進氣凸輪定時角越小、排氣凸輪定時角越大時，有優化效果越好的趨勢，但是無法準確判斷出綜合情況最優的方案。于是將計算完成后的方案，使用有效功率、燃油消耗率、氮氧化物排放量和碳煙排放量作為尋優條件，分別對每個工況下的81個方案進行尋優，找出每個工況下每個條件最優的5 個方案，再通過對已尋優完成的方案，進行最后的綜合分析。方案尋優結果如圖6 所示。

圖5 不同組合對燃油消耗率的影響Fig.5 Effects of different combinations on specific fuel consumption

圖6 方案尋優結果Fig.6 Optimization results of the scheme

由上述尋優結果，在每個工況下的重復性分布通過分析可得，組合優化方案中的方案73 在4種負荷工況下優化覆蓋率2-4-4-4 最高，優化的工況范圍最廣，所以綜合來看方案73 是最優的方案。方案73 的優化組合為，進氣門凸輪定時434.5 ° CA，排氣門凸輪定時角276 ° CA，氣門重疊角136 ° CA。這一優化組合結果符合上面云圖分析出的趨勢。對比方案73 與原機型方案41，結果如圖7 所示。該方案雖然在有效功率方面改善不明顯，但對燃油消耗率，氮氧化物的排放量和碳煙的排放量有了一定程度的改善。

3 結論

（1）優化計算結果表明，方案73 的效果最好，使得燃油消耗率平均降低了1%，在25%負荷時降低了2.1%；氮氧化物的排放量平均降低了3%，在100%負荷時降低了4.1%，在75%負荷時降低了4.2%；碳煙的排放量平均降低了34%，在50%負荷時降低了40%。

（2）在進排氣凸輪安裝時，可以通過旋轉、調整凸輪軸的安裝角度，即可以達到本文中最終的優化方案設計效果，極大節省了實機優化的時間與成本。

（3）由于設備和計算時間的限制，只分析了9 個進、排氣定時角組合的影響，不完全也不充分，只是在有限的條件下得到了最優的改進方案，有條件的話可以進行更細致的優化，以得到更好的優化方案。