某8缸柴油機排溫性能改善研究

0 引言

某大型8缸船用柴油機，為了減少增壓器轉動慣量，提高響應性，解決運行加速遲緩、低速效率低等問題，采用兩個增壓器并聯增壓系統設計方案。考慮排氣管布置難度，雙增壓設計采用4缸一段排氣管，分別連接兩個增壓器的布置，試驗時發現第7缸排溫較高，單缸排溫偏差超過設計要求，單缸排溫偏差較高預示著各缸工作不均衡，勢必會造成降低整機性能指標、影響可靠性，所以必須將單缸排溫偏差控制在一定范圍之內，本文主要就該問題進行原因分析和方案驗證。

1 試驗用柴油機介紹

1.1 柴油機技術規格

試驗用8缸雙增壓船用柴油機的主要技術參數見表1。

1.2 進排氣系統布置

進排氣系統示意圖見圖1，不同于傳統的穩壓排氣管布置形式見圖2，也不同于原始復雜的脈沖排氣管布置形式見圖3，但該柴油機所用的雙增壓雙排氣管布置形式兼顧了穩壓排氣管的簡單及脈沖排氣管瞬態響應、低速低負荷效率高的特點。

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1.3 原機試驗結果

根據船機的使用特點，主要通過推進特性試驗來驗證柴油機的性能，試驗工況點如表2所示。

各負荷工況點的單缸排溫對比見圖4，從圖中可以看出隨著負荷的升高單缸排氣偏差呈現增大趨勢，根據設計要求及零件一致性特點，對50%負荷及以上工況點的單缸排溫偏差進行考核控制(排溫偏差≤±50℃)，從目前的試驗數據上看，原機的單缸排溫偏差數據不能滿足設計要求，各負荷點均出現第7缸排溫較高現象，100%負荷第7缸排溫與平均排溫偏差110℃遠不滿足排溫偏差設計要求，需要分析原因并進行設計改進。

2 原因分析

為了弄清楚單缸排溫偏差高的原因，先后進行了壓縮余隙、噴油器、噴油泵、噴油時刻、配氣相位差異的排查，發現這些因素未有差異，在此不進行一一累述，這也充分說明此次單缸排溫偏差問題是原始設計問題，更具體點就是因為缸內新鮮空氣和殘余廢氣的差異導致的。為此我們進行了仿真分析和結構分析，進一步分析了導致單缸排溫偏差高的原因。

2.1 仿真分析

進排氣系統的布置見圖1，柴油機的發火順序為1-4-7-6-8-5-2-3。

(2)兩化融合有效激發高級生產要素作用，驅動重點行業全要素生產率階躍提升 兩化融合可有效激發技術創新活力，不斷夯實支撐兩化融合發展的新型基礎設施建設，促進行業技術發展各項重點的全面落實。同時，隨著兩化融合的持續深入，企業對勞動力、土地、資本等一般性生產要素的依賴程度逐漸降低，而技術、管理，尤其是數據等高級生產要素的作用被不斷激發，兩化融合水平與行業全要素生產率顯著相關，且呈現階躍式提升。

3.1.4高紡錘形樹高2.5～3米，干高50～60厘米，主干上直接著生30～40個結果枝組，小主枝粗度遠小于主干，開張角度100～130度，結果枝長60～80厘米。

這是因為延長擋板，減小了引射板末端排氣總管截面面積，加速了8缸排氣總管的排氣流速，減小了8缸排氣對7缸掃氣的干擾，降低了7缸排溫，同時由于減小總管截面積也增加了8缸的排氣阻力，所以呈現出8缸排溫上升現象。

2.2 結構分析

利用GT-power軟件建立8缸機熱力學模型見圖5。

對于排氣側，雙增壓排氣管布置根據發火順序分別為1-7-8-2和4-6-5-3，這樣在同一根排氣管內兩氣缸的排氣間隔為180°CA，而排氣包角為260°CA，所以勢必存在90°CA的重疊，也必然引起排氣干擾的問題，而根據排氣管的設計的導流結構及氣流運動方向，氣流流向上方的氣缸排氣將影響到氣流下方的氣缸排氣，根據這一判斷，7缸會影響1缸，8缸影響7缸，6缸影響4缸，考慮到氣流傳遞的影響， 由于7缸和8缸相鄰最近，所以8缸對7缸的排氣干擾可能是第7缸排溫高的一個重要原因。

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3 設計改進

在兩組患者入院之后,均采取監測血壓、心電圖監護以及吸氧等基礎護理。同時將尿激酶1.5萬U與生理鹽水100ml均勻混合,并給予患者靜脈滴注,并保證滴注在30min之內完成。對于對照組在入院當天給予300mg的氯吡格雷,采取口服治療,第二天減量至75mg;而研究組則采用氯吡格雷聯合阿司匹林進行治療,即在對照組治療的基礎上給予300mg的阿司匹林,次日則可減量至氯吡格雷75mg,阿司匹林100mg。

3.1 進氣管改進

為驗證進氣干擾影響，增加7缸進氣壓力，考慮在第7缸進氣管與第8缸進氣管之間增加節流，原機進氣管截面積S0，取節流后面積S0′=50% S0和S0′=70% S0兩種方案，見以下圖12、圖13示意。

3.2 排氣管改進

對于單缸排溫的影響，從圖16中可以看出，改動第7缸進氣管，50%、70%截面積進氣管對排溫影響較小，只是在高負荷略微降低了第7缸排溫，且對縮口面積不敏感；改動第7缸排氣管，50%、70%截面積排氣管均會在各負荷點大幅度降低第7缸排溫，同時會使第8缸排溫有所上升，對其他缸排溫影響較小。分析100%負荷，其中70%截面排氣管第7缸排溫較改進前降低60℃，第8缸排溫升高20℃，與平均溫度比最大溫差為第7缸降低到50℃；50%截面排氣管第7缸排溫較改進前降低110℃，第8缸排溫升高30℃，與平均溫度比最大溫差降低到40℃以內，且未出現在第7缸，成功將排溫偏差降到設計要求。

4 試驗驗證

為了驗證第3部分的進排氣管的改進方案，采取單一改進變量更換第7缸進氣管、排氣管，再次按照表2推進特性進行如下表3順序試驗。

試驗結果對比見圖16不同負荷各缸排溫對比，圖17-19整機性能指標對比。

基于第2部分的原因分析，如何從進排氣管路上減少第7缸的進排氣干擾，更具體而言就是提升第7缸進氣壓力、降低第7缸排氣背壓將是我們設計改進的重點。

試驗結果顯示，局部改動進、排氣管對各負荷點的整機燃油消耗率、渦前排溫、爆發壓力影響較小。

為驗證排氣干擾影響，考慮加速8缸排氣流速，同時減少8缸對7缸排氣干擾。針對第7缸排氣管在不改變引射角α，延長引射板，為了不加大第7缸排氣節流損失，保持排氣歧管出口截面S2不變，采取減少引射板末端排氣總管截面面積S4加速8缸排氣流速的方法，改進后的截面面積S4′=50% S3和S4′=70% S3兩種方案。見以下圖14、圖15示意。

仿真計算結果見圖6-11。從圖6、7中可以看出仿真結果與試驗結果具有很強的復合性，主要還是第7缸排溫過高。進一步分析了各缸循環進氣量(見圖8)、殘余廢氣比例(見圖9)，發現殘余廢氣比例趨勢與單缸排溫的趨勢非常相似，各缸循環進氣量呈現與單缸排溫相反的趨勢，進而證明引起第7缸排溫過高的主要原因是缸內殘余廢氣過高和新鮮進氣量少。為了改進設計需要更深入分析，進而分析了掃氣過程中進氣管路與缸內壓力差以及缸內壓力與排氣管壓力差，結果顯示第7缸的進氣壓差和排氣壓差都偏低，這也是導致第7缸排溫偏高的根本原因。

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綜上，導致雙增壓7缸排溫較高、排溫偏差大的主要原因在于排氣干擾，進氣管路幾乎無影響，且進氣管對縮口面積不敏感；局部改動單缸進排氣管截面，對整機性能影響較小；對于排氣管50%截面積和70%截面積的收縮均能有效降低單缸排溫及排溫偏差，且沒有改變整機性能，且截面收縮越大，越有利于該缸的排氣，同時截面收縮會增加上游氣缸排氣阻力導致上游氣缸排溫升高，要綜合考慮選取最佳。以該機型為例，50%截面效果較優。

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5 結束語

綜上所述，可以得出以下結論：①對于8缸雙增壓雙排氣管布置形式可以有利簡化布置，但同時存在進、排氣干擾的問題， 最終導致單缸排溫偏差較大，超過設計限值。

②通過計算分析和試驗驗證，進氣干擾對單缸排溫影響較小，導致排溫偏差的主要原因是排氣干擾。

③通過局部優化排氣管的流通截面積，調整高排溫對應氣缸的排氣背壓，可以有效解決排溫偏差問題。

④排氣管路的局部調整不會對整機性能產生較大影響，可以更加均衡柴油機各缸的機械負荷和熱負荷。

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