缸蓋渦流比對柴油機性能的影響

楊海龍,辛欣,耿磊,趙旭

1.內燃機可靠性國家重點實驗室,山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司,山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機生產(chǎn)過程中,制造公差使批量生產(chǎn)的柴油機的性能和排放具有一定的差異性,也會給整車配套帶來巨大問題[1-3],因此明確柴油機的制造精度對性能一致性的影響,對進一步提升柴油機的品質十分重要[4-5]。當前國內內燃機廠家對影響柴油機性能和排放的各關鍵參數(shù)基本為定性判斷,各關鍵零部件及參數(shù)的設計邊界及設計公差基本來自加工、工藝、生產(chǎn)控制能力,導致公差設計不合理,其中包括缸蓋渦流比[6-7]。缸蓋渦流比主要通過改變柴油機的充氣效率來影響柴油機的燃燒,從而對排放產(chǎn)生影響[8]。即使發(fā)動機性能和排放均滿足開發(fā)要求,由于設計公差和生產(chǎn)一致性的差異,也會導致批量生產(chǎn)的缸蓋渦流比在一定范圍內波動。

本文中以某柴油機為研究對象,通過仿真和試驗驗證方法,研究渦流比對排放和燃油消耗率的影響,確定渦流比的最優(yōu)設計。

1 影響因素分析

1.1 氣道的主要結構及進氣機理

柴油機的進氣道結構主要有切向氣道、螺旋氣道、帶導氣屏的進氣道3種[9],3種進氣道結構如圖1[10]所示。目前柴油機廣泛采用螺旋氣道結構,其進氣示意圖如圖2所示。由圖2可知:進氣沖程開始時,空氣從螺旋氣道的進口流入并流經(jīng)氣道的最小截面處,經(jīng)過該截面后,氣體被分為2部分:一部分氣體沿著氣道蝸殼產(chǎn)生旋轉的螺旋氣流,繞氣門中心旋轉,在氣道螺旋坡角β2的導向下,經(jīng)渦流室、氣門座和氣門環(huán)帶間的流通面,流入氣缸;另一部分氣體在氣門導管凸臺及氣道底坡角β1的聯(lián)合作用下,經(jīng)氣門導管凸臺下部后直接穿過渦流室,沿著與氣缸壁面近似相切的方向流向氣缸。以上2部分氣流流入氣缸后,逐步形成繞氣缸軸線旋轉,并趨于穩(wěn)定的旋轉氣流[11-13]。

a)帶導氣屏氣道 b)切向氣道 c)螺旋氣道

螺旋進氣道部分結構參數(shù)示意如圖3所示,其中,β3為主螺旋坡角,β4為副螺旋坡角,H為渦流室高度,e為偏心距,α為氣門錐角[14]。

圖2 典型螺旋氣道進氣示意圖 圖3 進氣道主要結構參數(shù)示意圖

1.2 缸蓋氣道制造偏差影響因素

缸蓋生產(chǎn)過程中,加工工藝及精度直接影響缸蓋氣道的結構和形狀,從而影響氣道的渦流比和流量系數(shù),如鑄造時氣道砂芯的漂移以及機加工中的誤差等原因,往往使氣道的位置發(fā)生偏心、傾斜和脹大現(xiàn)象。偏離設計要求的氣道渦流比和流量系數(shù),導致發(fā)動機燃燒惡化,對柴油機的動力性、經(jīng)濟性以及排放造成不利影響[15-16]。

2 性能仿真分析

2.1 缸蓋渦流比生產(chǎn)統(tǒng)計

某柴油機缸蓋渦流比設計要求為1.2～1.6,基于統(tǒng)計學原理,從產(chǎn)品中隨機抽取125個缸蓋樣本進行渦流比測試,分析生產(chǎn)過程控制能力。由統(tǒng)計結果可知,125個缸蓋的渦流比為0.72～1.65,過程控制能力僅為0.66,低于控制能力為1.33的設計要求。

基于此生產(chǎn)現(xiàn)狀,研究渦流比波動對柴油機性能的影響,確認當前缸蓋渦流比生產(chǎn)一致性偏差是否滿足性能要求,明確渦流比的最優(yōu)設計范圍。

2.2 性能仿真

基于某直列6缸增壓中冷重型柴油機,選取轉速為1 900 r/min、轉矩為1 480 N·m作為仿真計算工況,計算不同渦流比下的發(fā)動機的NOx排放、AVL483測量的煙度(以下簡稱483煙度)和燃油消耗率,其中渦流比為0.8～1.8,步長為0.1。柴油機主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機的主要技術參數(shù)

使用Converge三維軟件進行建模,保持其它參數(shù)不變,只改變模型中的渦流比,計算不同渦流比下的NOx、483煙度和燃油消耗率,結果如圖4、5所示。

圖4 渦流比波動對排放的影響 圖5 渦流比波動對燃油消耗率的影響

由圖4可知:渦流比為0.8～1.7時,隨著渦流比增大,NOx比排放增大,NOx比排放與渦流比幾乎呈線性關系;渦流比大于1.7時,NOx比排放有所降低;渦流比為0.8～1.1時,483煙度比排放下降明顯,對渦流比的變化較敏感;渦流比大于1.2時,483煙度比排放緩慢增大。

由圖5可知:渦流比增大,燃油消耗率先減小后增大;渦流比約為1.5時,燃油消耗率最小,為181.4 g/(kW·h)。主要原因為渦流比增大,燃油與空氣充分混合,缸內燃燒愈發(fā)充分,導致NOx的生成量增大,483煙度的生成量減少,相同工況下的燃油消耗率降低;但隨著渦流比繼續(xù)增大,進氣阻力增大,流量系數(shù)降低,483煙度和燃油消耗率呈上升趨勢。

綜合考慮渦流比對NOx、483煙度和燃油消耗率的影響,建議控制量產(chǎn)缸蓋的渦流比為1.1～1.4。

3 性能試驗研究

基于該柴油機,對裝配不同渦流比缸蓋的發(fā)動機進行臺架試驗,研究渦流比波動對NOx、483煙度和燃油消耗率的影響規(guī)律,進而明確此柴油機用缸蓋渦流比的最優(yōu)設計公差。

3.1 試驗對象與設備

1)柴油機。按照柴油機圖紙及有關技術文件規(guī)定制造,裝配合格。

2)缸蓋。通過缸蓋氣道修磨方式,分別制作渦流比為0.65、0.83、1.00、1.15、1.25、1.33、1.50的缸蓋,并檢測合格。

3)試驗用測試設備、儀器、儀表分別為:7500DEGR氣體排放儀、483煙度計、FCD1301柴油機測控系統(tǒng)、AVL735油耗儀、JD445測功機,均校驗合格。

3.2 試驗項目與結果

首先,按照磨合規(guī)范進行柴油機磨合試驗,確認柴油機各項參數(shù)符合技術要求;在柴油機試驗臺架上,依次更換不同渦流比的缸蓋進行萬有特性試驗,并確認數(shù)據(jù)有效性,對試驗數(shù)據(jù)進行分析。設置柴油機缸蓋的基準渦流比為1.0,偏離比為不同渦流比與基準渦流比下的NOx、483煙度比排放的差與基準渦流比下的NOx、483煙度比排放的比。

渦流比波動對標定點柴油機性能影響如圖6、7所示。

圖6 渦流比波動對排放的影響 圖7 渦流比波動對燃油消耗率的影響

由圖6、7可知:渦流比為0.65～1.50時,對NOx比排放的影響較小,偏離比在±5%以內,滿足設計要求(不超過±10%);但渦流比為0.65～1.50時對483煙度比排放的影響較大,最大正偏離為+26%,最小負偏離為-46%,超出性能一致性要求(不超過±25%);渦流比為0.65～1.50時,燃油消耗率偏差不超過±2 g/(kW·h),滿足設計要求;渦流比為1.0～1.3時,對NOx、483煙度和燃油消耗率的敏感性影響較小,建議渦流比為1.0～1.3。

4 結論

對某柴油機缸蓋渦流比進行了生產(chǎn)調查,明確了生產(chǎn)一致性現(xiàn)狀;仿真分析渦流比波動對柴油機性能的影響規(guī)律,以仿真結果為基準,進行臺架試驗,研究了不同渦流比對NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響。

1)仿真計算分析表明,綜合考慮渦流比波動對NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響,建議渦流比控制為1.1～1.4。

2)經(jīng)臺架試驗驗證,綜合考慮渦流比波動對NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響,建議渦流比控制為1.0～1.3。

3)由于燃燒仿真計算精度較低,建議以試驗結果為主, 此發(fā)動機渦流比控制為1.1～1.3。

4)柴油機開發(fā)過程中,設計渦流比時不僅應考慮設計成本、加工工藝,還應考慮性能、排放一致性,確保發(fā)動機可靠性、性能和排放均滿足要求。