缸蓋排氣道結構優化對柴油機性能的影響

李麗麗　趙鵬　賈錫臣

摘要：為增大柴油機缸蓋排氣道的流量因數、提高柴油機性能，優化某6缸柴油機缸蓋排氣道結構，試驗研究缸蓋排氣道優化前、后排氣流量因數和柴油機性能。試驗結果表明：優化后的缸蓋排氣道平均流量因數提高6.7%；缸蓋排氣道優化前、后，柴油機進、排氣平均壓力脈沖均隨轉矩和轉速的增加而增大；缸蓋排氣道優化后柴油機的平均進氣壓力大于原缸蓋排氣道，平均排氣壓力小于原缸蓋排氣道；裝配優化后缸蓋排氣道的柴油機燃燒持續期縮短且燃燒中心更接近上止點，NOx排放降低11%～17%，燃油消耗率降低約1 g/（kW·h）。優化后的缸蓋排氣道有助于改善柴油機充氣效率，提高工質的燃燒質量，降低油耗。

關鍵詞：排氣壓力；泵氣損失；進氣流量；缸蓋排氣道；結構優化

中圖分類號：TK423文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0007-06

引用格式：李麗麗，趙鵬，賈錫臣.缸蓋排氣道結構優化對柴油機性能的影響［J］.內燃機與動力裝置，2023，40（5）：7-12.

LI Lili， ZHAO Peng， JIA Xichen. Effect of the cylinder head exhaust duct structure optimization on diesel engine performance［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：7-12.

0 引言

增壓柴油機進排氣壓力脈沖決定柴油機掃氣效率，進而影響柴油機的充氣效率及燃燒特性[1-2] 。排氣壓力脈沖主要來自自由排氣階段和強制排氣階段[3-5]，根據排氣壓力變化規律，合理利用脈沖能量與增壓器的有效配合，提升進氣流量，降低泵氣損失，進而提高發動機熱效率、降低排放[6-9]。

進排氣壓力脈沖的動態特性受缸蓋進排氣道、進排氣管、增壓器等互相影響和制約，影響因素復雜，各部件相互間配合直接影響柴油機的充氣效率和泵氣損失[10-12]。缸蓋排氣道設計時，希望通過降低渦流比獲取更大的排氣流量因數，但在實際設計過程中，因發動機缸徑、行程、燃燒室、轉速、供油系統等差異，設計方向不盡相同[13-14]。本文中不考慮其它零部件因素帶來的影響，根據排氣壓力波的變化特性，優化改進缸蓋排氣道流通截面積等結構，研究缸蓋排氣道結構對降低排氣能量損失、提升發動機性能的影響，為后續的發動機優化改進提供參考。

1 缸蓋排氣道結構優化

原缸蓋排氣道結構如圖1所示。由圖1可知：原缸蓋排氣道螺栓孔與推桿孔位置均偏向排氣道側，導致排氣道在圖1中藍圈位置處的空氣流通面積瞬間減小，影響排氣道流量因數，本文中針對此位置進行改進優化。

優化前、后的排氣道結構簡圖如圖2所示，其中虛線處為原方案。

由圖2可知：1）對短排氣道的4處結構進行了優化。 壓低位置1、4處的上型線，使流通面積變化緩慢，并消除倒角造成的型線異形；抬升位置2處的拐角，減少流動分離；減小位置3處的喉口，保證喉口處被加工到。2）對長排氣道主要進行1項優化。調整位置5處的型線，避免流通面積變化過快。

對原排氣道和優化后的缸蓋排氣道的流量因數進行測試。缸蓋排氣道優化前、后不同氣門升程下流量因數試驗結果如圖3所示。由圖3可知：優化后，缸蓋排氣道的流量因數比原排氣道平均提高了6.7%。

2 試驗裝置與方法

為評價缸蓋排氣道優化后的發動機性能，開展外特性及不同轉速、不同負荷下試驗。

2.1 試驗樣機參數及布置

試驗用樣機為某直列6缸渦輪增壓中冷柴油機，柴油機各缸發火順序為1—5—3—6—2—4，柴油機的主要技術參數如表1所示。

試驗樣機及采集設備布置如圖4所示。測試設備主要包括燃燒分析儀、電荷放大器、瞬態壓力傳感器、爆壓傳感器等。渦輪增壓器為雙入口渦輪，柴油機第1、2、3 缸共用1根排氣總管，第4、5、6缸共用另1根排氣總管，在第1缸的進氣歧管和排氣歧管上分別安裝壓力傳感器，壓力傳感器通過電荷放大器與燃燒分析儀連接，實時監測并記錄壓力脈沖信號；爆壓傳感器打孔安裝在第1缸缸蓋位置，通過電荷放大器與燃燒分析儀連接，實時監測缸內壓力及相關燃燒參數，并實時記錄臺架的性能參數。

2.2 試驗工況及方法

為全面分析發動機在整個轉速區間內的性能變化，采集發動機外特性以及代表轉速的高、中、低負荷區域的數據，對比發動機各工況區域的性能變化，更好地評估優化后缸蓋排氣道的性能。

保持試驗樣機其他結構及發動機控制參數不變，分別使用裝配原缸蓋排氣道和優化后缸蓋排氣道發動機，按照上述工況分別采集燃燒分析數據及臺架測試數據，期間發動機控制參數保持不變，防止多因素影響。

3 試驗結果與分析

3.1 進、排氣壓力

不同工況下進、排氣壓力脈沖主要采用平均壓力評價[15]， 平均壓力

式中：n為壓力在曲軸轉角為0°～ 720°的1個循環中采樣點的總數；i為采樣點編號，i= …，n；pi為一個發動機循環內的采樣點i處的排氣壓力，kPa。

外特性各轉速下及轉速分別為1 200、1 400、1 700 r/min時不同負荷下的平均排氣壓力和進氣壓力分別如圖5、6所示。由圖5a）可知：外特性工況下，柴油機轉速為800 r/min時，優化后平均排氣壓力降低10 kPa；轉速為2 100 r/min時，優化后平均排氣壓力降低20 kPa。由圖5b）、c）、d）可知：轉矩相同，隨轉速增加，平均排氣壓力降幅由10 kPa增大至17 kPa；轉速越高、負荷越大，優化后缸蓋的排氣壓力降低幅度越大。這是因為排氣壓力降低，外特性工況渦前壓力隨之降低，優化后缸蓋排氣道的流通能力增大，排氣順暢，可以降低泵氣損失，改善柴油機的掃氣效率，使得進氣量增加。由圖6可知：在各運行工況中平均進氣壓力均有不同程度的提高。由圖6中b）、c）、d）可知，轉矩增加，平均進氣壓力均呈現增大趨勢。

3.2 瞬時放熱率

發動機轉速為1 200 r/min，不同轉矩下發動機瞬時放熱率如圖7所示。

由圖7可知：缸蓋排氣道優化后發動機的瞬時放熱率高于原排氣道，這是因為優化后缸蓋的排氣道進氣壓力提升較大，進氣流量增加，缸內氣體增加，活塞運行到同一位置時缸內壓縮氣體的溫度比原排氣道高，噴油后混合氣的著火點提前，由于氣量相比原排氣道充足，缸內氣體燃燒效率較高，減少壁面冷卻損失，提高有效熱效率。

3.3 臺架性能試驗

保持發動機控制參數不變，分別對裝配優化后的缸蓋排氣道與原排氣道的發動機進行萬有特性試驗，優化后缸蓋排氣道與原排氣道的燃油消耗率的差Δ（be）、NOx比排放的差Δ（eN）、渦前排壓與中冷后壓差的差Δ（p）、進氣質量流量的差Δ（qm）如圖8所示。

由圖8可知：裝配優化后缸蓋排氣道的柴油機在NOx排放偏低的情況下，渦前排壓與中冷后壓差的差較?。ū脷鈸p失?。?；高轉速時進氣質量流量增大約80 kg/h，低轉速時進氣質量流量增大約30 kg/h；燃油消耗率降低約1 g/（kW·h）。

根據摸底試驗數據，裝配原排氣道柴油機的NOx比排放約為9 g/（kW·h），裝配優化后缸蓋排氣道的柴油機比原排氣道柴油機的NOx比排放降低1.0～1.5 g/（kW·h），降低了11%～17%，降幅較大。

綜上，缸蓋排氣道優化后，柴油機的進氣質量流量增大，NOx排放降低，泵氣損失減小，燃油消耗率減小，提高了柴油機性能。

4 結論

1）缸蓋排氣道設計過程中應保證排氣道流通截面積緩慢過渡，防止突增突減；抬升氣道拐角、減少流動分離等措施，可增大排氣道流量因數，降低泵氣損失。

2）性能試驗結果數據表明，結構改進后，進氣流量增大，缸內壓縮氣體溫度升高，燃燒持續期縮短，散熱損失小，有效熱效率增加，同時NOx比排放降低11%～17%，缸蓋排氣道結構改進后對降低NOx排放有重要意義。

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Effect of the cylinder head exhaust duct structure optimization on

diesel engine performance

LI Lili， ZHAO Peng， JIA Xichen

Abstract：In order to enlarge the exhaust flow coefficient of cylinder head exhaust duct and improve diesel engine performance， a 6-cylinder diesel engine is selected as an example， the structure of cylinder head exhaust channel is optimized， and the engine performance before and after the optimization is studied experimentally. The results show that the average flow coefficient of the cylinder head exhaust duct increases by 6.7% after optimization. The mean value of inlet and exhaust pressure pulse both with original and new cylinder head exhaust duct of diesel engine increases with the increase of torque and speed. The average value of intake pressure of the new cylinder head exhaust duct is larger than that of the original one， and the average value of exhaust pressure is smaller. The combustion duration of the new cylinder head exhaust duct is shortened and its combustion center is closer to the top dead center. NOx emissions are reduced by 11% to 17%， and fuel consumption is reduced by about 1 g/（kW·h）. New cylinder head exhaust duct is more helpful to improve the diesel engine charging efficiency， improve the combustion quality of the working fluid， and then reduce fuel consumption.

Keywords：exhaust pressure;pumping loss;air intake flow;cylinder head exhaust duct;structural optimization（責任編輯：劉麗君）

收稿日期：2022-08-25

基金項目：山東省重點研發計劃項目（2020GXGC011004）

第一作者簡介：李麗麗（1981—），女，山東濰坊人，高級工程師，主要研究方向為柴油機性能開發，E-mail：lilili@weichai.com。