機械增壓柴油機配氣相位耦合優化分析

0 引言

面對日趨嚴峻的能源形勢和日益嚴格的排放法規，發動機開發遇到了前所未有的挑戰，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

。配氣相位就是進、排氣門的開啟及關閉時刻，通常是用相對于上止點、下止點曲軸位置的曲軸轉角環形圖來表示。柴油機進排氣門的開啟、關閉時刻對氣缸的充氣效率和換氣質量有著很大的影響，能夠影響燃燒室內的過量空氣系數，改變燃料燃燒質量，從而影響柴油機的動力性、經濟性以及排放等。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

。

進、排氣閥的開啟和關閉時刻都對發動機的性能有一定的影響，并且進氣相位還是排氣相位對發動機的影響都不是單調變化的，因此對于進氣相位和排氣相位來說，必然存在一個最優值，從而使得發動機的性能達到最優。從目前的研究結果來看，發動機在不同轉速工況下，進排氣相位對發動機性能的影響規律并不一致，甚至發動機在低轉速工況下和高轉速工況下得到的結果完全相反

。從最優控制策略的角度來說，如果發動機的進排氣相位是可變并且可控的，那么就有必要在發動機不同轉速工況下分別去討論，從而得到不同轉速工況下的最佳進氣相位和排氣相位。此外，由于進氣相位和排氣相位都對發動機的性能有明顯的影響作用，所以在討論最優解時需要同時考慮進氣閥和排氣閥，進行進氣相位和排氣相位的耦合分析

。

2 分析方法及計算模型

2.1 計算方法

本文主要針對柴油機的工作過程及發動機性能進行一維計算模擬，在計算過程中利用一些廣泛應用的經驗公式對柴油機的燃料燃燒及缸內傳質傳熱等物理過程進行描述和預測，從而實現對柴油機工作過程的模擬

。對于燃燒過程的模擬計算，通常采用使用最為廣泛的Weibe燃燒模型，此模型將缸內整個燃燒過程分為預混合燃燒、主燃燒和尾燃三個階段，每個階段的燃燒都用韋伯函數進行描述

。韋伯燃燒模型

如下：

對于傳熱計算，GT-Power提供了Woschni、flow、Hohenberg、hgprofile等多種傳熱計算模型以供選擇，本文選擇軟件中的WoschniGT公式

進行氣缸傳熱的計算：

對家鄉的愛還表現在積極關注現實社會、了解民情、體貼民意、推動社會發展、國家進步，不消極厭世、無所作為、冷眼旁觀、消極應對。其中一個方面表現為敢于追求社會的公平正義敢于為民請命。南通民間流傳著許多為民請命的故事，一些人物甚至不惜與基層官吏對抗。在南通全境流傳著曹瘦臉了的傳說。在天災頻仍，收成虧欠的情況下，通州境內余西鹽場的鹽民顆粒無收，基層官吏仍然不減稅收，賦稅照催如故。曹秀升解到情況后非常生氣，就將余西鹽場連同另外當地十個征稅的鹽總當作被告，進行上告，基層不理會，又告到揚州運鹽都司。最后官府懼怕事情鬧大，就免了遭災地區的鹽稅。

2.2 仿真模型建立

鈉長石化：主要發育在脈內，可分為三個階段：第一階段鈉長石呈他形葉片狀半自形板條狀，沿造巖礦物粒間交代或在礦物內呈穿孔狀；第二階段鈉長石呈他形狀、呈團塊狀交代產出；第三階段鈉長石呈他形粒狀，呈脈狀交代產出。

圖6和圖7所示為發動機在3000r/min轉速下的輸出扭矩和效率耦合分析計算結果，從圖中可以看出，發動機的最優性能區在320°CA(IVO)、100～110°CA(EVO)附近。相比2000r/min，3000r/min工況下的最優區域進一步向左邊移動，結合之前的分析結果可以得出結論：發動機在低轉速工況下，排氣閥較晚開啟有利于發動機的動力性及經濟性，而當發動機轉速升高時，提前排氣閥的開啟時刻能夠使得發動機的動力性及經濟性保持最佳的狀態。此外發動機性能隨進排氣閥開啟時刻的變化規律和2000r/min工況基本保持一致，呈現非單調的變化規律。通過計算結果可知，與最低的扭矩和效率點對比，經過進排氣相位耦合優化之后，發動機3000r/min工況下最優點的扭矩提升了24.8%，效率提升了24.7%。

如圖2所示為1000r/min轉速工況下的扭矩分析結果，圖中的顏色變化代表輸出扭矩的變化，顏色由藍到紅代表輸出扭矩逐漸增高，右邊的圖例標識出了不同顏色對應的扭矩區間，可以看到最高輸出扭矩達到22N·m左右。從圖2中可以看出，進氣閥和排氣閥開啟相位在變化時，發動機的動力性能(扭矩輸出)都會受到較為顯著的影響，通過比較圖中橫向的顏色變化和縱向的顏色變化，可以發現由上到下的顏色變化更為顯著，由藍色變為了紅色，相較而言橫向的顏色變化幅度并不大，只是由橙色變為逐漸加深的紅色，這說明相較于排氣閥，進氣閥的開啟相位對發動機動力性有更為顯著的影響作用。進氣閥在260°CA(上止點前100°CA)左右開啟時，發動機的輸出扭矩較大，并且在260°CA～340°CA的區間內變化時只是稍有減小，并沒有顯著的降低，但是在進一步延后到360°CA(上止點)開啟的過程中，發動機的輸出扭矩出現了驟降，這說明發動機的進氣閥需要有一定的開啟提前角，如果開啟過晚(接近上止點)會對發動機的動力輸出造成嚴重的不良影響。此外排氣閥對發動機的扭矩輸出也有一定的影響作用，但是與進氣閥不同的是，當排氣閥開啟時刻不斷推遲，發動機的輸出扭矩呈現先升高后降低的變化趨勢，這說明排氣閥并不是越早或越晚開啟越好，而是存在一個最佳的開啟相位。從計算結果可知，排氣閥在120°CA～140°CA時開啟，而進氣閥在280°CA左右開啟時，發動機能夠得到最高的輸出扭矩。

3 結果分析與討論

本文通過建立機械增壓式單缸柴油機性能仿真計算模型，進行機械增壓單缸小型柴油機的配氣相位進行耦合優化分析，針對進排氣相位對柴油機動力性和經濟性的影響規律進行分析研究。經過計算分析，本文得到的結論入如下：

2.2.2 說明書雖未明確標明材質屬于非鐵磁性和弱鐵磁性材質植入物，但對行MRI檢查規定磁場強度要求或時間要求的，劃歸為MRI限制類。

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。

除了動力性之外，本節還對發動機的經濟性進行了分析，如圖3所示為發動機1000r/min轉速工況下效率計算結果，計算結果顯示效率的變化趨勢和扭矩基本一致，當進氣閥開啟過晚時，發動機的效率會出現迅速降低，而排氣閥對發動機效率的影響規律則同樣是非單調的。從計算結果可知，發動機在排氣閥120°CA～140°CA時開啟，進氣閥280°CA左右開啟時，有效效率達到了最高(32%)，并且當進氣閥開啟時刻在340°之前時，發動機的效率基本都能夠保持在30%以上。經過進排氣相位的耦合優化分析，在1000r/min轉速工況下，相較于最低的輸出扭矩和效率，最優點的輸出扭矩和效率分別能夠提升54.1%和54.4%，因此本文所做工作對于發動機配氣相位的優化有重要的指導意義和實際價值。

圖4和圖5所示為發動機在2000r/min轉速下的輸出扭矩和效率耦合分析計算結果，從圖中可以看出，在2000r/min工況下，柴油機的輸出扭矩和效率依然保持較為一致的變化規律。排氣閥開啟相位對發動機動力性及經濟性的影響規律為：隨著排氣閥開啟時刻的推遲，發動機的動力性和經濟性都呈現先提高后降低的變化規律(輸出扭矩先增大后減小，效率先升高后降低)。排氣閥的影響規律和1000r/min工況下一致，而進氣閥的影響規律有所變化：在2000r/min轉速工況下，進氣閥對發動機性能的影響規律同樣呈現非單調性，隨著進氣閥開啟時刻的推遲，發動機的性能先提高后降低(輸出扭矩先增大后減小，效率先升高后降低)，在進氣閥開啟時刻接近上止點時，發動機的性能還是會出現急劇降低。在2000r/min工況下，發動機的最佳性能點位于320°CA(IVO)、110°CA(EVO)附近區域，相比1000r/min工況下，發動機的最佳性能點向左上方移動，即進氣閥最佳開啟時刻推遲，而排氣閥最佳開啟時刻提前。經過計算可知，與最低的扭矩和效率點對比，經過進排氣相位耦合優化之后，發動機2000r/min工況下最優點的扭矩提升了29.1%，效率提升了29.2%。

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

。在GT-Power中，機械增壓器即為渦輪增壓器的壓氣機部分，工作原理和參數設置與渦輪增壓器相同，但是壓氣機模塊不和渦輪相連接，而是需要通過傳動軸及齒輪和曲軸箱相連接。在單缸柴油機模型的基礎上可以建立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。

4 結論

本文將在1000r/min、2000r/min和3000r/min三個轉速工況下進行耦合優化分析，這三個轉速分別為柴油機低轉速工況、中等轉速工況和高轉速工況的代表轉速，所以通過這三個工況的分析基本可以代表發動機的全速域結果。分析的進氣閥開啟時刻(IVO)從100°BTDC到0°BTDC，排氣閥開啟時刻(EVO)從100°BBDC到0°BBDC，通過寬廣的分析范圍，可以得到較為充分的分析結論。扭矩和效率是發動機的兩個最重要指標，分別代表發動機的動力性能和經濟性，因此本節選擇扭矩和有效效率進行計算，從而針對發動機的動力性和經濟性進行分析。通過本文的分析討論，可以為柴油機應用可變氣門機構，在不同轉速工況下調節進氣相位和排氣相位，從而最大限度地提升發動機的性能提供理論基礎和技術指導。

(1)在1000r/min工況下，排氣閥在120°CA～140°CA時開啟，而進氣閥在280°CA左右開啟時，發動機能夠得到最高的輸出扭矩，相較于最低的輸出扭矩和效率，最優點的輸出扭矩和效率分別能夠提升54.1%和54.4%，

1.3.1 比較聯合組與對照組患者治療效果。顯效:患者在治療后舒張壓降低≥10mm Hg并降至正常范圍,或者降低≥20mm Hg;有效:患者在治療后舒張壓降低<10mm Hg以內但血壓處于正常值,或者降低10至20mm Hg;無效:患者在治療后血壓降幅未達以上標準。治療總有效率為顯效率、有效率之和。

(2)在2000r/min工況下，發動機的最佳性能點位于320°CA(IVO)、110°CA(EVO)附近區域，相比1000r/min工況下，發動機的最佳性能點向左上方移動，最優點的扭矩提升了29.1%，效率提升了29.2%。

(3)發動機3000r/min工況下的最優性能區在320°CA(IVO)、100～110°CA(EVO)附近，與最低的扭矩和效率點對比，最優點的扭矩提升了24.8%，效率提升了24.7%。

[1]童寶宏,李震,桂長林.計算機仿真技術及其在內燃機研究中的應用[J].合肥工業大學學報(自然科學版), 2003(06):1146-1151.

[2]Wang Shuang, Karthickeyan V, Sivakumar E, Lakshmikandan M. Experimental investigation on pumpkin seed oil methyl ester blend in diesel engine with various injection pressure, injection timing and compression ratio[J]. Fuel,2020,264(C).

[3]魏國東. 配氣機構優化對發動機性能影響的研究[D]. 天津：天津大學，2010.

[4]鐘睿. 基于GT-Power的CNG摩托車發動機性能優化研究[D]. 重慶交通大學,2010.

[5]馬鎮鎮. 基于GT-Power的天然氣發動機數值模擬與研究[D].山東理工大學,2016.

[6]胡松, 王賀春, 孫永瑞, 等. 增壓柴油機零維預測燃燒模型建模方法[J]. 內燃機學報, 2016,34(04):311-318.

[7]劉福水,康寧,徐洋,黎一鍇.增壓柴油機氣道流量系數評價與穩流特性研究[J].農業機械學報,2017,48(06):341-348.

[8]駱清國,魯俊,趙耀,桂勇.基于GT-SUITE的柴油機一維傳熱仿真分析[J].兵器裝備工程學報,2019,40(06):206-210.

[9]王海燕, 張旭升, 胡以懷. 基于零維燃燒模型的二沖程船用柴油機性能預測[J]. 內燃機學報, 2016,34(06):549-555.