陳芬放 王雪松 韓飛

摘要：本文介紹了運用性能分析軟件來實現(xiàn)對柴油機工作過程計算分析的方法，在此基礎上，依據(jù)柴油機的工作原理和特點提出了柴油機性能優(yōu)化的若干措施，為柴油機工作過程的仿真計算和性能優(yōu)化提供參考。

關鍵詞：柴油機；仿真計算；性能；優(yōu)化

前言

柴油機自1892年發(fā)明至今，已經(jīng)歷了100多年的改進歷程，雖然其工作原理和基本結構沒有發(fā)生太大的改變，但是其技術性能已經(jīng)取得了突飛猛進的發(fā)展。隨著對動力裝置“高功率密度、高效率、高可靠性、低目標特性”的“三高一低”的要求的提出，柴油機的發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)。在新產品開發(fā)的同時，對現(xiàn)有機型的性能優(yōu)化也是柴油機發(fā)展的一個重要方向。在以前，對柴油機性能的測試只能采取實驗的手段，雖多采用單缸機，但仍耗費巨大的人力物力。隨著計算機技術的發(fā)展，對內燃機工作過程進行仿真模擬的軟件應運而生。目前，常用的模擬軟件有AVL-BOOST、FIRE、SCRYU、FLUENT、FIDAP、GT-Power等。不同的仿真模擬軟件建立模型所需的組分不同，仿真和優(yōu)化的側重也各有特色。例如AVL-BOOST有著強大的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能分析功能，尤其適合排氣系統(tǒng)、配氣相位、噴油提前角的仿真。而FIRE軟件則在冷卻水套、缸內噴霧燃燒、HCCI燃燒的模擬計算中占有優(yōu)勢。

1.仿真模型的建立及標定

1.1 建立模型

不同軟件建立模型所需的組件不同。其中，AVL –BOOST軟件整機計算模型主要由氣缸、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、增壓器和中冷器組成。建立模型時前應仔細分析柴油機的實機結構和原件布置形式，在軟件的建模區(qū)放入相應的元件，用管道進行連接，布置測量點，然后輸入結構和性能參數(shù)。這些參數(shù)直接影響數(shù)值模擬的精度，因此必須保證其準確性。對于對仿真結果影響較大的參數(shù)，可采用試驗數(shù)據(jù)。

1.2 試計算并調整參數(shù)

選擇仿真中各過程所依據(jù)的理論或模型，對某一轉速和工況下的柴油機的工作過程進行仿真計算，得到一系列性能指標和圖表。仿真完成后，將計算結果與試驗值進行比較，確定各性能指標的誤差。若仿真計算結果的誤差過大，則須用試驗數(shù)據(jù)對模型進行校準， 以保證模型的可靠性。

2.性能參數(shù)優(yōu)化

在整機模型可靠的基礎上， 保持轉速、負荷、進氣溫度等邊界條件不變，選用不同的排氣系統(tǒng)方案、配氣相位、噴油提前角等， 通過計算分析這些參數(shù)的變化對發(fā)動機性能的影響， 從而為尋找最優(yōu)方案提供依據(jù)。

2.1排氣增壓系統(tǒng)

排氣增壓系統(tǒng)利用燃料在柴油機中燃燒后排氣的能量對進氣加壓，增加進氣密度，從而在保持氣缸工作容積不變的條件下，有更多的新鮮空氣進入氣缸，因而可以增加循環(huán)供油量，提高內燃機各項性能指標。目前采用的增壓排氣系統(tǒng)主要有定壓增壓、MPC 增壓、簡單脈沖轉換器和MIXPC 增壓等。不同的排氣增壓系統(tǒng)對排氣能量的利用、排氣時的掃氣質量、柴油機的加速性能有著不同程度的影響。優(yōu)化時，分別按多種增壓排氣方式對柴油機工作特性進行分析計算，并根據(jù)各排氣增壓系統(tǒng)在柴油機上布置的便利性，擇優(yōu)選取。

2.2 配氣相位

由于受配氣機構及其運動規(guī)律的限制，氣門不可能瞬時完全打開，且氣門在剛打開時，氣道流通界面小，氣體流量小。為了使柴油機在進氣時有更大的新鮮充量，排氣時廢氣排出順暢，降低排氣消耗的推出功，氣缸蓋上的進、排氣門都是提前開啟的。而在進氣、排氣沖程結束后，為了利用氣體流動的慣性，實現(xiàn)過后排氣，進、排氣門的關閉也有一定的延遲。進、排氣門提前開啟、滯后關閉所對應的曲軸轉角分別稱為進氣提前角、進氣遲后角、排氣提前角、排氣遲后角。因此，在進排氣上止點前后，有一個進、排氣門同時開啟的狀態(tài)，相應的曲軸轉角稱為氣門疊開角。增大氣門疊開角一方面可以增加進氣充量，冷卻燃燒室內的高溫部件，另一方面會造成氣門與活塞運動的干涉。進行配氣相位優(yōu)化時，首先根據(jù)類似機型的有關數(shù)據(jù)資料， 初步定出一個配氣相位， 再在這個初始的配氣相位上依次逐步調整進氣關閉角、排氣提前角與進排氣重疊角等， 通過一系列的計算調整， 求得最佳配氣相位值。

2.3 壓縮比

柴油機的另一個主要性能參數(shù)是壓縮比， 它表明缸內空氣被活塞壓縮的程度。改變壓縮比會使燃燒壓力、燃燒溫度、排氣溫度、有效熱效率、熱負荷同時發(fā)生變化，因此對柴油機的壓縮比進行優(yōu)化能有效改善柴油機性能。優(yōu)化時，可以嘗試不同的壓縮比，通過計算獲得柴油機在這些壓縮比下的工作過程，并進行分析對比，來選擇能使柴油機性能達到最佳的壓縮比，實際選用時還要兼顧柴油機在設計中對缸內最大爆發(fā)壓力、排溫、壓力升高比和機械負荷的要求。在滿足上訴要求的前提下，可以選擇較高的壓縮比來改善柴油機動力性、經(jīng)濟性等綜合性能。

2.4 噴油提前角

噴油提前角是對柴油機的性能有重要影響的參數(shù)。在壓縮沖程，氣缸內的溫度和壓力隨曲軸轉角而增大，如果噴油早，即燃燒進入氣缸是的空氣溫度和壓力較低，使滯燃期長；如果噴油遲，雖初始溫度和壓力升高，但作用的時間縮短，可能著火前活塞已經(jīng)開始下行，空氣溫度和壓力降低，也使滯燃期增加，因此存在一個使滯燃期最短的噴油提前角。滯燃期受柴油機轉速、增壓壓力、增壓溫度等因素的影響。噴油提前角對柴油機功率、經(jīng)濟性、排放、排氣溫度、熱效率等性能指標均有影響，優(yōu)化時應兼顧各個指標。

3.結論和展望

（1）本文根據(jù)目前流行的對內燃機工作過程仿真軟件的應用，給出了仿真軟件使用的一般方法，并結合柴油機的工作原理，提出了若干柴油機性能優(yōu)化的可行措施，對柴油機性能的優(yōu)化有一定的指導意義。

（2）柴油機性能優(yōu)化是一個復雜的過程，任何一個參數(shù)的變化，必然會同時影響多個性能指標，有的會使多個性能指標同時提升，有的會產生矛盾的結果。因此在優(yōu)化的過程中，應該統(tǒng)籌兼顧，有所取舍，力求獲得最優(yōu)方案。

（3）隨著環(huán)境問題越來越受到重視，傳統(tǒng)的通過實機測試來檢測柴油機性能指標的方式顯然已經(jīng)不符合節(jié)能減排的要求。計算機仿真軟件的應用不但解決了這一問題，還達到了內燃機優(yōu)化過程中性能預測的目的。

（4） 隨著計算機技術的飛速發(fā)展和內燃機在開發(fā)過程受到越來越多條件的限制，今后將會有一大批界面更加友好、計算更加快速、準確的仿真軟件應用于內燃機的設計和優(yōu)化中。

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作者簡介：陳芬放（1992-），漢族，浙江臨安人，哈爾濱工程大學動力與能源工程學院輪機工程專業(yè)，本科生。