林彬

摘要：進(jìn)排氣壓力對(duì)泵氣損失、充氣質(zhì)量等各方面都會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響，為了對(duì)柴油機(jī)進(jìn)排氣壓力的波動(dòng)情況有一個(gè)全面的了解，本文以柴油機(jī)作為主要的研究對(duì)象，對(duì)各工況下排氣管的壓力進(jìn)行簡要分析。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；進(jìn)排氣壓力波動(dòng)；試驗(yàn)

前言

作為內(nèi)燃機(jī)之一的柴油機(jī)是將柴油噴射到汽缸內(nèi)與空氣混合，燃燒得到熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，即依靠燃料燃燒時(shí)的燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞作直線運(yùn)動(dòng)，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)使曲軸旋轉(zhuǎn)，從而輸出機(jī)械功。柴油機(jī)功率大、經(jīng)濟(jì)性能好但是噪音大，隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，相應(yīng)的對(duì)環(huán)境質(zhì)量提出了更高的要求，隨著節(jié)能減排相關(guān)法規(guī)制度的日益完善，各類發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣問題受到了人們的普遍關(guān)注，當(dāng)然，柴油機(jī)也不例外。研究柴油機(jī)進(jìn)、排氣壓力的目的是利用進(jìn)、排氣管內(nèi)動(dòng)力效應(yīng)改善內(nèi)燃機(jī)的換氣過程，提高內(nèi)燃機(jī)的充氣效率，從而提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。只有弄清柴油進(jìn)排氣管中壓力的變化規(guī)律，才能采用有效措施對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程進(jìn)行調(diào)整，以此提升發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。

一、高壓共軌四缸柴油機(jī)概況

柴油燃油系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展時(shí)期，從以往的機(jī)械式變成現(xiàn)在的電子式，經(jīng)歷了幾次變革，即位置式、時(shí)間式及共軌系統(tǒng)。而高壓共軌系統(tǒng)的出現(xiàn)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)存在的不足，實(shí)現(xiàn)了壓力及噴射的分離，有效控制油量，從而可以進(jìn)行多次噴射[1]。

對(duì)于四缸柴油機(jī)來說，因?yàn)闅飧椎呐艢馄绻芎芏?，都連接在一個(gè)排氣管上，如果各氣缸間隔進(jìn)行排氣，在排氣管中會(huì)產(chǎn)生壓力，使這種壓力傳輸、反射。通過對(duì)壓力波動(dòng)情況的分析，以此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改善，可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。然而，各氣缸間歇性排氣時(shí)，排氣歧管中氣體瞬態(tài)壓力波動(dòng)直接影響到廢氣的能量利用率和排氣背壓，從而影響缸內(nèi)的廢氣排出，出現(xiàn)缸內(nèi)燃燒變差，經(jīng)濟(jì)特性下降，增壓器渦輪效率降低等現(xiàn)象。同時(shí)，各氣缸在進(jìn)排氣的過程中，進(jìn)排氣壓力波動(dòng)的差異也會(huì)使得各缸內(nèi)工作流程的差異，對(duì)整機(jī)參數(shù)的有效控制是非常不利的，更難以將整機(jī)的最佳性能發(fā)揮出來。并且，排氣壓力變化規(guī)律會(huì)影響泵氣損失程度及廢氣能量的利用率[2]。

隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸提升，對(duì)柴油機(jī)的質(zhì)量及性能要求也逐漸提高。目前國內(nèi)使用的柴油機(jī)類型非常多，共軌、單體泵等等，與國外相比，雖然還存在一定的差異，但仍有很好的發(fā)展前景[3]。

二、高壓共軌四缸柴油機(jī)進(jìn)排氣壓力波動(dòng)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

對(duì)各工況下進(jìn)排氣壓力波動(dòng)情況主要使用的是壓力波平均值、壓力波均方根以及強(qiáng)度評(píng)價(jià)。柴油機(jī)輸出功率的增加是依賴于增壓或者是超高增壓的方式來完成的，這樣增加了發(fā)動(dòng)機(jī)功率，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的體積變小，從而使安裝在車輛上的發(fā)動(dòng)機(jī)更為緊湊。其中，渦輪增壓對(duì)柴油機(jī)是非常有利的，主要是因?yàn)闇u輪機(jī)調(diào)整了工作流程，使進(jìn)排氣工作更加高效。此外，在有些工況下，還能有效降低廢氣噪聲污染，所以渦輪增壓是目前柴油機(jī)最佳的動(dòng)力源[4]。在具體試驗(yàn)時(shí)，主要使用的柴油機(jī)類型是缸徑四缸高壓共軌柴油機(jī)。對(duì)各工況條件下，柴油機(jī)進(jìn)排氣管的瞬態(tài)壓力進(jìn)行測量，測量時(shí)間要控制好，最好是隔0.1度對(duì)電力信號(hào)進(jìn)行采集，模擬海拔高度，轉(zhuǎn)速分別是2200r/min、4000r/min……。各轉(zhuǎn)速有對(duì)應(yīng)的最大負(fù)荷值，其中，最大的負(fù)荷值為75%。

三、高壓共軌四缸柴油機(jī)進(jìn)排氣壓力波動(dòng)測試結(jié)果分析

1、排氣管瞬態(tài)壓力

經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)及有關(guān)資料得出，隨著負(fù)荷的不斷增加，壓力波曲線也會(huì)隨之提高，在轉(zhuǎn)速相同，負(fù)荷不同的情況下，壓力波曲線轉(zhuǎn)角變化趨勢是一樣的，與波峰相對(duì)的取轉(zhuǎn)角位置也是幾乎不變的，這是由于柴油機(jī)負(fù)荷變化情況主要是由噴油量進(jìn)行調(diào)節(jié)，而進(jìn)到氣缸中的空氣量基本不會(huì)受到負(fù)荷變化的影響。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷變大，噴油量也會(huì)隨之增多，過量空氣系數(shù)也會(huì)隨之減小，其熱量也會(huì)增加，缸內(nèi)燃燒溫度也會(huì)逐漸上升。所以，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，氣缸就會(huì)排除大量的廢氣能量，波峰值也會(huì)隨之提高[5]。

在柴油機(jī)進(jìn)排氣循環(huán)過程中，4個(gè)氣缸在排氣的過程中所產(chǎn)生的波峰值也存在一些差異，這是因?yàn)楦鳉飧拙鄩毫Σ▊鞲衅骶嚯x的差異導(dǎo)致的。

在轉(zhuǎn)速不同的情況下，排氣時(shí)排氣管入口壓力會(huì)隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化而變變化。在轉(zhuǎn)速增加時(shí)，排氣壓力相對(duì)的曲軸轉(zhuǎn)角會(huì)隨著往后移動(dòng)，波峰值也會(huì)提升。這是因?yàn)樵谂艢夤苤械膲毫Σㄊ怯寐曀賮韨鞑サ?，排氣長度不發(fā)生變化時(shí)，若轉(zhuǎn)速增加，曲軸角度也會(huì)隨之增加，所以，才會(huì)存在當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，壓力波峰會(huì)向后移的情況。

2、進(jìn)氣管瞬態(tài)壓力

在上述所提到的各轉(zhuǎn)速、各負(fù)荷情況下，進(jìn)氣時(shí)，進(jìn)氣管隨壓力曲軸轉(zhuǎn)角變化趨勢：在負(fù)荷增加時(shí)，近期壓力波峰值會(huì)隨之上升；在轉(zhuǎn)速不一樣的情況下，進(jìn)氣壓力波峰值基本不會(huì)隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化而變化，轉(zhuǎn)角位置也大致不變。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，進(jìn)氣壓力也會(huì)隨著上升，在圖中所示的兩種工況下，進(jìn)氣壓力值會(huì)隨著減小，如果是外特性，3200r/min、4000r/min進(jìn)氣平均壓力會(huì)有所不同，4000r/min進(jìn)氣平均壓力會(huì)比2200r/min進(jìn)氣平均壓力要小。并且，在負(fù)荷增加時(shí)，進(jìn)氣壓力波均方根也會(huì)隨之增加，但從進(jìn)氣波動(dòng)的整體情況看，并未出現(xiàn)多大的波動(dòng)[6]。

在各轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣壓力波動(dòng)情況存在明顯的差異，轉(zhuǎn)速變化、進(jìn)氣波動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)隨之改變，這和進(jìn)排氣系統(tǒng)整體構(gòu)成、位置等有著密切的聯(lián)系。

四、結(jié)論

（1）如果轉(zhuǎn)速相同，負(fù)荷不同，進(jìn)排氣壓力的變化規(guī)律大致是相同的，與波峰值相對(duì)的曲軸轉(zhuǎn)角位置也大致是一致的，與負(fù)荷大小并無多大關(guān)系，在距進(jìn)氣門約270°的位置；在負(fù)荷增加時(shí)，壓力波峰也會(huì)明顯提升；而在外特性條件下，轉(zhuǎn)速增加時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角會(huì)向后移動(dòng)，波峰值也會(huì)提升。

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速一樣，負(fù)荷不同的情況下，排氣壓力的波平均值、壓力波強(qiáng)度等都會(huì)隨負(fù)荷的加大而逐漸加大。

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速一樣，而負(fù)荷不同的情況下，波峰值會(huì)隨著上升，進(jìn)氣壓力波動(dòng)曲線基本不會(huì)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化而變化，轉(zhuǎn)角位置也大致相同；在進(jìn)氣壓力波動(dòng)規(guī)律大致一樣，負(fù)荷變大時(shí)，進(jìn)氣壓力值也會(huì)隨之增大，但波動(dòng)強(qiáng)度并無多大區(qū)別，變化很小。

進(jìn)排氣壓力的瞬態(tài)特性對(duì)泵氣損失、充氣效率以及渦輪增壓器廢氣能量利用有重要影響。由于高壓共軌式燃油噴射系統(tǒng)具有可以對(duì)噴油定時(shí)、噴油持續(xù)期、噴油壓力、噴油規(guī)律進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)的采用可以使柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性能都會(huì)有進(jìn)一步的提高。這就需要我們加大對(duì)高壓共軌系統(tǒng)的研究力度，使我國的柴油機(jī)水平跨上一個(gè)新的臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)

[1]周裕干，丁明，田偉.農(nóng)用車和輕型機(jī)動(dòng)車及其小缸徑多缸柴油機(jī)的現(xiàn)狀和動(dòng)向[J].山東內(nèi)燃機(jī)，2015，9（02）：215-218.

[2]杜巍，單文詣，劉福水.排氣管結(jié)構(gòu)對(duì)多缸增壓柴油機(jī)進(jìn)氣不均勻性的影響[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，12（02）：580-584.

[3]劉慧杰，畢玉華，申立中，等.兩缸增壓中冷柴油機(jī)排氣壓力波動(dòng)與影響因素研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2017，3（6）：130-135.

[4]姚春德，傅曉光，紀(jì)兆琳.進(jìn)排氣系統(tǒng)的阻力對(duì)車用柴油機(jī)性能影響的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2016，30（05）：125-129.

[5]韓固勇，鄧建，周駿.泵氣平均有效壓力與排氣壓力波關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，9（05）：161-165.

[6]丁志國，趙威建，等.兩缸增壓中冷柴油機(jī)排氣壓力波動(dòng)與影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2018，9（05）：251-259.

（作者單位：海軍工程大學(xué)）