陳晉兵 張志軍 劉長振 王尚學(xué) 王云飛 白軍愛 陳曉飛

（中國北方發(fā)動機(jī)研究所 天津 300400）

引言

隨著環(huán)境法規(guī)的提高與綠色節(jié)能要求，對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動力性及排放提出了更嚴(yán)格的要求。采用增壓系統(tǒng)、尾氣后處理、高壓共軌燃油系統(tǒng)等措施提高柴油機(jī)綜合性能。同時為提供柴油機(jī)功率體積密度，輕量化、集成化一體設(shè)計方法應(yīng)用，要求柴油機(jī)本體及外圍管路系統(tǒng)更加緊湊。這些技術(shù)的應(yīng)用均會引起柴油機(jī)排氣系統(tǒng)背壓升高，影響柴油機(jī)整機(jī)性能[1-4]。

排氣系統(tǒng)背壓升高造成換氣過程泵氣功增加使得整機(jī)機(jī)械能降低，同時造成燃燒室內(nèi)殘余廢氣增加，導(dǎo)致燃燒不充分，經(jīng)濟(jì)性、動力性變差[5]，特別是小缸徑高速柴油機(jī)影響更為突出。大量研究表明在對排氣系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化同時，采用合理配氣相位能夠有效提高配氣系統(tǒng)工作能力進(jìn)而提高柴油機(jī)性能指標(biāo)。

小缸徑高速柴油機(jī)配氣相位直接影響著柴油機(jī)的換氣及燃燒性能，最佳的配氣相位應(yīng)滿足進(jìn)氣充分、排氣徹底等要求[6]，同時可以有效降低柴油機(jī)泵氣損失，達(dá)到提高功率、降低油耗及排放的目的。

1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本文研究對象為一臺小缸徑高速1.4 L 渦輪增壓中冷3 缸柴油機(jī)，通過試驗(yàn)研究配氣相位對其燃燒特性和總體性能的影響，進(jìn)一步指導(dǎo)開展整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及性能優(yōu)化工作。柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格見表1。

表1 某小缸徑高速柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

本文建立了小缸徑柴油機(jī)臺架試驗(yàn)測試平臺，開展了整機(jī)臺架性能試驗(yàn)測試工作，試驗(yàn)采用主要儀器設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機(jī)臺架主要儀器設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)問題的提出

整機(jī)臺架試驗(yàn)測試中，小缸徑高速柴油機(jī)排氣溫度高，結(jié)構(gòu)件在高熱負(fù)荷沖擊下可靠性下降嚴(yán)重引起發(fā)動機(jī)失效；同時有效燃油消耗率高造成經(jīng)濟(jì)性差，制約了動力裝備的有效使用半徑。針對以上2個問題對柴油機(jī)整機(jī)及性能進(jìn)行初步分析確定主要原因。原設(shè)計配氣相位角度如表3 所示。

表3 原設(shè)計配氣相位角度 °CA

試驗(yàn)結(jié)果表明原設(shè)計配氣相位，額定工況點(diǎn)渦前排氣溫度達(dá)到720 ℃，有效燃油消耗率308 g/（kW·h），均超出設(shè)計限值，不滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

通過氣缸壓力及P-V 圖分析引起以上問題主要原因，在柴油機(jī)運(yùn)行各工況下隨著負(fù)荷增加，均出現(xiàn)了換氣過程中缸內(nèi)壓力下降后升高，主要是由于排氣門相位角不能滿足小缸徑柴油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)要求[6]。同時由于排氣背壓較高降低掃氣能力造成氣缸內(nèi)殘余廢氣量增加、燃燒惡化排溫升高，同時有效燃油消耗率升高，整機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降。

3 優(yōu)化配氣相位試驗(yàn)方案

針對樣機(jī)出現(xiàn)排氣溫度高、排氣背壓大的現(xiàn)象，分析主要原因?yàn)榕艢忾T開啟角度不利于換氣造成氣缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)較高，因此在固定供油參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上開展不同排氣門開啟角下整機(jī)性能試驗(yàn)測試及分析研究。選取柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000、2 500、3 000、3 500、4 000 r/min 的5 個工況點(diǎn)，為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比性，主要研究各轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)同一轉(zhuǎn)矩下的性能指標(biāo)。為提高高速工作過程中換氣效率，基于原設(shè)計配氣結(jié)構(gòu)凸輪軸桃形條件下增大進(jìn)氣提前角，且不發(fā)生氣門與活塞頂碰撞的約束下改變排氣門配氣相位，確定以下可行的配氣相位試驗(yàn)方案，如表4 所示。

表4 配氣相位試驗(yàn)方案 °CA

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

排氣門開啟時間主要取決于缸內(nèi)的進(jìn)、排氣泵氣功的大小，同時兼顧對充氣效率的影響，降低排氣泵氣損失可以有效提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。排氣提前角的選擇與排氣過程中缸內(nèi)壓力曲線的形狀有關(guān)，主要影響來自排氣損失和強(qiáng)制排氣損失的分配。

4.1 排氣相位角對缸內(nèi)壓力的影響

圖1～圖5 分別為5 種工況下3 種排氣門開啟角度對應(yīng)缸內(nèi)壓力影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取分析氣缸內(nèi)最高燃燒壓力及其對應(yīng)相位變化情況。

圖1 2 000 r/min 工況點(diǎn)缸內(nèi)壓力

圖2 2 500 r/min 工況點(diǎn)缸內(nèi)壓力

圖3 3 000 r/min 工況點(diǎn)缸內(nèi)壓力

圖4 3 500 r/min 工況點(diǎn)缸內(nèi)壓力

圖5 4 000 r/min 工況點(diǎn)缸內(nèi)壓力

圖6 顯示隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高5 種工況下3種排氣門開啟角度中EVO-46°CA，各工況下氣缸內(nèi)最高燃燒壓力高于EVO-36°CA、EVO-56°CA2 種工況；氣缸內(nèi)最高燃燒壓力當(dāng)排氣門開啟角度為EVO-56 °CA 時，在2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min 下與EVO-36 °CA 相當(dāng)，但在4 000 r/min 標(biāo)定工況下氣缸壓力較EVO-36 °CA 提升，分析主要原因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速提升采用較大排氣門提前角加強(qiáng)了換氣能力，缸內(nèi)殘余廢氣量降低，較EVO-36°CA 燃燒性能改善。

圖6 排氣門開啟角度對最高燃燒壓力影響

圖7 顯示隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高5 種工況下3種排氣門開啟角度中EVO-46°CA 方案，在各轉(zhuǎn)速采用相同供油提前角條件下，最高燃燒壓力相位角較其他2 種方案滯后，隨著轉(zhuǎn)速提高，額定工況點(diǎn)其相位角趨于最佳燃燒相位角內(nèi)。排氣門開啟角度中EVO-56°CA 時，額定工況點(diǎn)最高燃燒壓力對應(yīng)相位角提前，急燃期時間縮短。

圖7 排氣門開啟角度對最高燃燒壓力相位角影響

4.2 排氣相位對平均有效壓力的影響

進(jìn)行3 種配氣方案各工況下平均有效壓力測定試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用方案一、二配氣相位，平均有效壓力達(dá)到0.98 MPa，滿足設(shè)計指標(biāo)要求；采用方案三配氣相位，由于排氣溫度達(dá)到710 ℃限制，平均有效壓力達(dá)到0.85 MPa，較目標(biāo)值低12.8%，未達(dá)到設(shè)計要求。測試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 排氣門開啟角度對平均有效壓力影響

分析主要原因?yàn)椋涸谠O(shè)計凸輪軸桃形基礎(chǔ)上，隨著排氣提前角的增大，其延遲角相對縮短，造成氣缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增高，使燃燒惡化排氣升高；通過對桃形進(jìn)一步優(yōu)化，加大排氣相位延續(xù)角可降低氣缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)改善整機(jī)性能。

4.3 排氣相位對泵氣功率的影響

通過試驗(yàn)測試獲得5 種工況下3 種排氣門方案缸壓曲線，轉(zhuǎn)換為P-V 圖對比進(jìn)行分析研究。

圖9～圖13 分別為5 種工況下3 種排氣門開啟角度對應(yīng)P-V 圖。通過試驗(yàn)分析隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，EVO 采用-36°CA，自由排氣能力較低，主要依靠氣缸內(nèi)強(qiáng)制排氣引入新鮮充量，發(fā)動機(jī)處于3 500 r/min 工況時，排氣門過早關(guān)閉氣缸內(nèi)殘余廢氣不能及時排出，導(dǎo)致進(jìn)氣過程中壓力升高。當(dāng)EVO 采用-56°CA 時，低速2 000 r/min、2 500 r/min 氣缸內(nèi)自由排氣能力高于其他2 種方案，且強(qiáng)制排氣順暢，缸內(nèi)進(jìn)氣能力提高；隨著轉(zhuǎn)速的提高，由于排氣門關(guān)閉時間提前造成進(jìn)排氣門重疊角減小，當(dāng)活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)位置時氣缸內(nèi)壓力上升，即氣缸內(nèi)工質(zhì)壓縮壓力升高，掃氣能力下降。EVO 采用-46°CA 時，隨著轉(zhuǎn)速增高強(qiáng)制排氣損失增大，但進(jìn)氣重疊角增大，新鮮充量在壓力差的作用下流入氣缸，降低了氣缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)。進(jìn)一步改善了氣缸內(nèi)燃燒品質(zhì)，整機(jī)綜合性能提高。

圖9 2 000 r/min 工況點(diǎn)P-V 圖

圖10 2 500 r/min 工況點(diǎn)P-V 圖

圖11 3 000 r/min 工況點(diǎn)P-V 圖

圖12 3 500 r/min 工況點(diǎn)P-V 圖

圖13 4 000 r/min 工況點(diǎn)P-V 圖

4.4 排氣相位對排氣溫度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用方案一、三配氣相位，排氣溫度分別達(dá)到689.3 ℃和710 ℃，結(jié)構(gòu)件熱負(fù)荷過高降低了整機(jī)可靠性；采用方案二配氣相位，排氣溫度降低到619 ℃，較目標(biāo)值有8.9%裕度，滿足技術(shù)指標(biāo)要求且通過優(yōu)化改進(jìn)可適應(yīng)高海拔高熱地區(qū)使用。結(jié)果如圖14 所示。

圖14 排氣門開啟角度對排溫的影響

4.5 排氣相位對有效燃油消耗率的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用方案一配氣相位，平均有效燃油消耗率298 g/（kW·h）；采用方案二、三配氣相位，平均有效燃油消耗率分別為273 g/（kW·h）、274 g/（kW·h），較原配氣方案提高約10%，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)明顯提高。結(jié)果如圖15 所示。

圖15 排氣門開啟角度對有效燃油消耗率影響

綜合考慮整機(jī)性能指標(biāo)與可靠性指標(biāo)，在現(xiàn)有凸輪軸型線基礎(chǔ)上，通過對排氣門相位調(diào)制進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，采用方案二配氣相位后整機(jī)綜合性能較佳。通過增加排氣門開啟持續(xù)角增加換氣過程中掃氣能力，提高充量系數(shù)，更有利于提高整機(jī)綜合性能。

5 結(jié)論

1）通過搭建小缸徑高速柴油機(jī)臺架對其開展整機(jī)性能測試，針對試驗(yàn)過程中出現(xiàn)排溫高、油耗高確定了主要原因并提出了改進(jìn)技術(shù)方案。

2）分析了小缸徑高速柴油機(jī)額定工況下排氣門開啟角度對柴油機(jī)性能的影響，得到了最佳進(jìn)排氣相位。

3）優(yōu)化配氣相位后在柴油機(jī)額定工況下實(shí)現(xiàn)了高效快速燃燒計算，提高了氣缸內(nèi)燃燒效率，動力性和經(jīng)濟(jì)性有不同程度的提高，為小缸徑柴油機(jī)性能改進(jìn)提供了方向。