基于GT-Power的機械增壓柴油機參數優化分析★

唐銳紅，袁文華

（邵陽學院，湖南 邵陽 422004）

引言

如何高效、準確地對發動機進行優化研究，是當代發動機設計研究過程中的重要課題，而數值仿真技術在其中發揮了越來越重要的作用[1]。隨著最近幾十年里計算機模擬技術的不斷發展進步，發動機數值仿真技術逐漸在內燃機研究領域發揮出關鍵作用，利用仿真技術進行分析計算的功效遠超實驗研究[2]。噴油時刻對柴油機運行狀況影響很大，因此若要保證柴油機有良好的性能，必須對噴油提前角的選擇進行研究[3]。而配氣相位對柴油機的動力性、經濟性以及排放等也有非常顯著的影響[4]。柴油機在換氣過程中，若能夠做到排氣徹底，進氣充分，則可以提高充氣效率，增大柴油機的動力輸出并改善其經濟性。

1 仿真模型的建立

1.1 柴油機基本參數

柴油機的基本參數對仿真計算結果的準確性有非常大的影響，本文的研究對象為某型單缸柴油機，具體型式為單缸風冷四沖程柴油機，本文所研究單缸柴油機的基本參數如表1所示。

1.2 仿真模型建立

GT-Power軟件采用模塊化的建模方式，先建立柴油機的各個零部件模塊，再依據柴油機的結構布置將各個模塊連接起來，組成整個柴油機的仿真模型。在建模時，先根據自己的需要將模塊添加到工程圖中，然后根據柴油機的實際參數對各個模塊進行參數設置即可[5]。本文在單缸柴油機模型的基礎上建立了機械增壓單缸柴油機模型，需要增加的模塊包括機械增壓器（壓氣機模塊）、傳動軸和傳動齒輪，機械增壓單缸柴油機模型如圖1所示。

2 噴油提前角對柴油機性能的影響

通過仿真計算得到不同噴油提前角下柴油機功率隨轉速的變化規律如圖2所示，從圖中可以看出，不同噴油時刻下，柴油機的功率都隨轉速升高而增大。而從下頁圖3可以看出，扭矩隨轉速的變化規律與功率不同，柴油機的扭矩隨著轉速的升高先增大再有所減小。分析各個噴油時刻下的扭矩變化規律可知，應在低轉速時采用較小的噴油提前角，而在高轉速時采用較大的噴油提前角，這樣能夠提高柴油機的輸出功率和扭矩，使柴油機具有更好的動力性。

從圖4可以看出，噴油提前角對柴油機經濟性的影響較大，不同噴油提前角下柴油機效率和油耗率隨轉速變化的規律不同。柴油機轉速低于1 000 r/min時，在上止點前5°CA時刻噴油柴油機的效率最高，油耗率最低；柴油機轉速在1 000~2 300 r/min之間時，在上止點前10°CA時刻噴油柴油機的效率最高，油耗率最低；而柴油機轉速高于2 300 r/min時，在上止點前15°CA時刻噴油柴油機效率最高，油耗率最低。

3 進氣相位對柴油機性能的影響

從圖5可以看出，進氣閥開啟角度對功率的影響較小，柴油機在低轉速下運行時有較為充分的充氣時間，因此輸出功率基本不受進氣閥開啟角度的影響。當柴油機轉速高于3 000 r/min時，進氣相位開始對柴油機輸出功率產生影響，在高轉速下進氣閥過早開啟會明顯降低柴油機的功率輸出。

而從圖6可以看出，不同進氣閥開啟角度下柴油機的輸出扭矩都隨著轉速的升高而先增大后減小。在不同轉速下進氣相位對扭矩的影響不同，低轉速下進氣閥早開啟有利于增大柴油機的輸出扭矩，而高轉速下相反，進氣閥早開啟會降低柴油機的輸出扭矩。因此在柴油機實際運行中，應該根據柴油機的工作轉速和運行工況適當調整其進氣提前角，從而改善柴油機的動力性能，提高其輸出功率和輸出扭矩。

圖7 所示為柴油機油耗率的計算結果，從圖中可以看出，柴油機在低轉速或者高轉速下運行時的經濟性都較差，尤其低轉速運行時柴油機的經濟性會急劇下降，而在3 500 r/min左右運行時經濟性最好。此外，不同轉速下進氣閥開啟角度對柴油機經濟性的影響不同，低轉速下進氣閥早開啟有利于提高柴油機的效率，降低油耗，柴油機的經濟性較好，而高轉速下進氣閥晚開啟時柴油機的經濟性較好。

4 排氣相位對柴油機性能的影響

從下頁圖8中可以看出，在不同排氣閥開啟時刻下，柴油機的輸出功率都隨著轉速的升高而增大。當柴油機在低轉速下運行時，排氣閥開啟時刻對功率的影響較小，而在高轉速下排氣閥開啟時刻對功率的影響較大。柴油機在高轉速下運行時，排氣閥晚開啟也就意味著排氣閥關閉較晚，氣門重疊角增大，從而導致廢氣回流較多，影響充氣效率，從而使得柴油機做功減少，功率降低。

從下頁圖9中可以看出，柴油機扭矩隨著轉速的升高先增大后減小，且柴油機在高轉速下運行時，排氣閥開啟時刻對扭矩的影響較大。柴油機高轉速下運行時，排氣閥開啟越早，柴油機扭矩越大；而柴油機低轉速下運行時則是排氣閥晚開時輸出扭矩較大。此外從圖中可以看出，排氣閥開啟時刻對柴油機高轉速時的運行狀態及性能影響更大。排氣閥開啟越早，柴油機高轉速下的輸出功率越大，扭矩輸出狀況越好，所以排氣閥早開啟可以改善柴油機高轉速下的動力性能，提高其高轉速下的動力輸出能力。

從圖10可以看出，排氣閥開啟時刻對柴油機經濟性有較大影響，尤其是柴油機在中、高轉速下運行時，排氣閥早開啟有利于降低油耗，提高柴油機的經濟性。此外從圖中可以看出，柴油機的經濟性是隨著轉速的升高而先升高再降低的，柴油機經濟性在某一轉速下達到最佳。排氣閥早開啟有利于提升柴油機高轉速下的經濟性，而在低轉速下運行時則是排氣閥晚開啟較為有利。

5 結論

本文通過建立機械增壓式單缸柴油機性能仿真計算模型，進行機械增壓柴油機的參數優化分析，針對噴油時刻及進排氣相位對柴油機動力性、經濟性和排放性能的影響規律進行分析研究。

1）在低轉速下采用較小的噴油提前角，而在高轉速下采用較大的噴油提前角，對發動機的動力性和經濟性較為有利，同時對污染物排放的影響較小；

2）相比于噴油提前角，進排氣相位對發動機動力性及經濟性的影響較小，而對排放特性的影響較大。當柴油機在高轉速下運行時，進氣閥較晚開啟及排氣閥早開有利于提高柴油機的效率，改善燃油經濟性，但同時會降低柴油機的動力輸出。