郭俊寶，紀(jì)新春，康毅，魏達(dá)，高志雄

（山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037036）

研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)燃機(jī)工作過程參數(shù)計(jì)算是較為復(fù)雜的工作，屬于現(xiàn)代化的計(jì)算方法。目前參數(shù)計(jì)算取得的成果顯著，內(nèi)燃機(jī)在工作期間，流動(dòng)、傳熱等循環(huán)功能的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果已經(jīng)可以非常吻合了。在此基礎(chǔ)上，可繼續(xù)應(yīng)用優(yōu)化的方法，確保內(nèi)燃機(jī)的性能狀態(tài)達(dá)到最佳，提高內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，分析柴油機(jī)的參數(shù)優(yōu)化方法，借助GT-Power計(jì)算模型，完成相關(guān)參數(shù)的有效分析，降低柴油機(jī)耗能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)其性能狀態(tài)的最優(yōu)化。

1 柴油機(jī)模型的建立與驗(yàn)證

1.1 柴油機(jī)模型的建立

為深入分析柴油機(jī)的應(yīng)用性能，本文將以GT-Power計(jì)算模型為主要工具，以自然吸氣柴油機(jī)為本次的試驗(yàn)對(duì)象，相關(guān)的參數(shù)見表1。此次試驗(yàn)中，氣缸傳熱模型的主模型為Woschni 模型，標(biāo)定工況2200r/min 情況下，機(jī)械壓力損失為160kPa。表2 內(nèi)容為柴油機(jī)燃燒模型主要參數(shù)信息。從現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)了解到，進(jìn)、排氣門流量系數(shù)屬于重要參數(shù)，可借助氣道穩(wěn)流試驗(yàn)獲得。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

表2 傳熱以及燃燒模型參數(shù)

1.2 模型的驗(yàn)證

圖1 為燃燒放熱率對(duì)比圖，從圖1 中的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值差異中可以看出，兩者的區(qū)別不大，發(fā)展趨勢(shì)基本一致，由此可以驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖1 燃燒放熱率的對(duì)比

2 柴油機(jī)性能的影響因素分析

2.1 噴油定時(shí)影響分析

模擬計(jì)算時(shí)，需要科學(xué)保持柴油機(jī)標(biāo)定工況，同時(shí)保障其噴油量及燃燒模型處于穩(wěn)定，不受其他因素影響。在此前提下，分別計(jì)算噴油提前角變化值對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)油耗情況。結(jié)合圖2 中的數(shù)值變化，可以掌握基本的變化規(guī)律，28CA 到18CA 范圍內(nèi)，燃油耗率有著不同的變化趨勢(shì)。由此可以證實(shí)，噴油定時(shí)的影響較大，對(duì)柴油機(jī)燃油耗率有著直接的作用。從圖2 可以看出，在正常的工況下，柴油機(jī)的耗油率會(huì)自動(dòng)隨著噴油提前角的變化而變化。到達(dá)22CA 附近時(shí)，此時(shí)的燃油耗率是最低的，僅有243.9g/kW·h。

圖2 噴油提前角與燃油耗率的關(guān)系

2.2 壓縮比影響分析

在實(shí)操環(huán)節(jié)中，壓縮比對(duì)柴油機(jī)的性能影響也是比較強(qiáng)烈的，為了驗(yàn)證這方面的影響，可以取不同區(qū)間的壓縮比，如14 ～20 不同的壓縮比，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，現(xiàn)實(shí)中壓縮比增大，會(huì)帶動(dòng)燃油耗率降低。從實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)了解到，壓縮比從14 平穩(wěn)過渡到17 時(shí)，對(duì)應(yīng)的燃油耗率可以從9下降到8g/kW·h。當(dāng)壓縮比持續(xù)上升，從17 提高到20時(shí)，柴油機(jī)燃油耗率會(huì)持續(xù)下降，從8 下降到5g/kW·h。以上的變化規(guī)律說明，柴油機(jī)壓縮比在17 以后，燃油耗率雖然依舊在降低，但是下降的幅度偏小。與此同時(shí)，功率P 和指示熱效率η 的變化影響也需要重視，兩者與壓縮比的關(guān)系是值得深入研究的?，F(xiàn)實(shí)中，隨壓縮比的增高，兩者提高幅度會(huì)減小。通過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，壓縮比是重要的參數(shù)，當(dāng)其從14 增加到17，會(huì)直接讓功率P 提高5kW，除此之外指示熱效率η 也將在原基礎(chǔ)上提高1.1%。同時(shí)，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力pz 也屬于重要的參數(shù)，會(huì)呈現(xiàn)出明顯的變化，基本變化規(guī)律是：當(dāng)壓縮比的數(shù)值增加（通常情況下位于14 ～20 的范圍內(nèi)時(shí)），系統(tǒng)的爆發(fā)壓力指標(biāo)會(huì)明顯上升，但是增加幅度是明顯可控的，整體來看，受力比較均勻。實(shí)操中，缸內(nèi)兩項(xiàng)重要參數(shù)——最高溫度和排氣溫度會(huì)因?yàn)闊嵝师?數(shù)值的變化出現(xiàn)改變。

2.3 配氣定時(shí)影響分析

除了上述兩方面內(nèi)容，配氣定時(shí)的影響也是不容小覷的。在優(yōu)化配氣凸輪時(shí)，想要達(dá)到理想的效果，應(yīng)綜合考慮多種因素，合理確保原凸輪型線的合理性與不變性。換句話說，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中需要保障持續(xù)角開啟角度（重要參數(shù)）不改變，與此同時(shí)，進(jìn)排配氣相位作平移，在以上操作的保障下，控制好排氣門定時(shí)相位（開啟和關(guān)閉）?，F(xiàn)實(shí)中，配氣定時(shí)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)性能的影響比較復(fù)雜，可分為以下幾種情況：（1）進(jìn)氣定時(shí)產(chǎn)生的影響分析。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，隨著進(jìn)氣定時(shí)延遲，會(huì)降低一定的燃油效率。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣遲閉角38CA 時(shí)，獲得的效果比較明顯，柴油機(jī)熱效率最高。結(jié)合現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)進(jìn)氣遲閉角小于38CA 這一數(shù)值時(shí)，熱效率、功率變化很小，雖然如此，依舊會(huì)影響柴油機(jī)性能。（2）排氣定時(shí)的影響分析。實(shí)操階段，排氣提前角增大、泵氣損失減小，會(huì)讓充氣效率提升，在排氣提前角46CA 狀態(tài)下達(dá)到最高。（3）進(jìn)排氣定時(shí)對(duì)設(shè)備性能的綜合影響。現(xiàn)實(shí)中，進(jìn)、排氣定時(shí)作用下，油耗率的變化規(guī)律較為復(fù)雜，尋優(yōu)的結(jié)果為：當(dāng)實(shí)際的進(jìn)氣遲閉角為43CA，并且保障設(shè)備的排氣提前角為48.5CA 時(shí)，可以獲得最低的燃油耗率。

3 柴油機(jī)參數(shù)優(yōu)化方法

3.1 噴油系統(tǒng)優(yōu)化

柴油機(jī)噴油系統(tǒng)較為關(guān)鍵，其系統(tǒng)優(yōu)化的過程就是使燃油噴射參數(shù)性能最佳的過程。結(jié)合現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)可知，可調(diào)整的參數(shù)包括噴油定時(shí)、噴油壓力以及噴孔結(jié)構(gòu)等，其中噴油定時(shí)屬于重點(diǎn)。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，可通過參數(shù)的優(yōu)化提升柴油機(jī)的整體性能，有效抑制預(yù)混合燃燒，從而實(shí)現(xiàn)耗油量的降低。綜上可以看出，減少形成的可燃混合氣量（在滯燃期內(nèi)）是降低碳?xì)浠衔镒钪苯拥耐緩健，F(xiàn)實(shí)中，噴油系統(tǒng)的優(yōu)化分別敘述如下。

3.1.1 優(yōu)化噴油定時(shí)

氮氧化物的排放不可控因素多，對(duì)柴油機(jī)噴油定時(shí)的表現(xiàn)非常敏感。實(shí)操環(huán)節(jié)中，為科學(xué)優(yōu)化柴油機(jī)性能，可通過延遲噴油的相關(guān)設(shè)計(jì)，合理抑制氮氧化物排放，借助有效的方法從源頭降低碳?xì)浠衔锪?，?shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。但這項(xiàng)操作是有前提的，那就是必須調(diào)整燃燒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)性能最優(yōu)化，同時(shí)優(yōu)化噴油結(jié)構(gòu)，調(diào)整相關(guān)的采納數(shù)，通過以上措施減少油耗、煙度等，在技術(shù)保障下，控制微粒排放方面損失?；诖?，為減少延遲噴油形成的不利局面，可借助高的壓縮比和噴油壓力，科學(xué)控制氮氧化物的排放。實(shí)操中，噴油定時(shí)的檢查和調(diào)整方法如下。

（1）噴油定時(shí)的檢查方法包含的類型眾多，下面將進(jìn)行一一介紹。

①冒油法。在盤車至供油點(diǎn)附近，拆下高壓油管（高壓油泵上的），并接上便于觀察的玻璃管，這樣就可以分析液面的變化情況。然后將燃油齒條調(diào)整到最大供油位，為后續(xù)的操作提供便利。緩慢盤車同時(shí)，時(shí)刻記錄液面變化數(shù)值，調(diào)整相應(yīng)的噴油提前角。

②照光法。實(shí)操中，對(duì)于較大的噴油泵，若回油孔高度相等，可在技術(shù)保障下拆下泵體的螺釘，然后開始緩慢盤車，科學(xué)觀察柱塞運(yùn)動(dòng)情況。此外，在對(duì)面用電筒照明，如果發(fā)現(xiàn)柱塞上行的情況，需要將油孔全部封住然后停止盤車，同時(shí)記錄下該缸的供油始點(diǎn)。

③標(biāo)記法。實(shí)踐環(huán)節(jié)中有些柴油機(jī)油泵泵體有著清晰的刻度線，當(dāng)在不同的工況下滑動(dòng)刻線位置會(huì)發(fā)生變化,當(dāng)其與泵體上的刻線呈現(xiàn)重合時(shí)，那么此時(shí)顯示的數(shù)值就是該缸的供油始點(diǎn)。

（2）噴油定時(shí)的調(diào)整方法，現(xiàn)實(shí)中噴油定時(shí)的調(diào)整方法包括。

①轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪法。通過實(shí)踐可知，盤車至油泵供油始點(diǎn)是較為重要的過程,松脫油泵凸輪軸直接與法蘭盤相連接,盤車至提前角度后，可以將法蘭盤重新進(jìn)行連接牢固，確保實(shí)操的科學(xué)性。轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪法是將缸的參數(shù)一起調(diào)整，該方法適用于全部的機(jī)型，是一種高效的調(diào)節(jié)方法。

②升降柱塞法。研究發(fā)現(xiàn)，有些油泵下面的頂頭存在有效的調(diào)節(jié)螺釘，頂頭調(diào)低，定時(shí)滯后；頂頭調(diào)高，定時(shí)提前。相比之下，發(fā)現(xiàn)升降柱塞法適用性比較有效，僅適用于有調(diào)節(jié)螺絲的柴油機(jī)機(jī)型?，F(xiàn)實(shí)操作中，有調(diào)節(jié)螺絲的可選用升降柱塞法調(diào)節(jié)，確保調(diào)節(jié)效率和質(zhì)量，如果調(diào)節(jié)范圍超過2°，則要按照技術(shù)要求選用轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪法，保障噴油定時(shí)調(diào)整的可靠性。因?yàn)橐坏┰趯?shí)操中調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)過量，就會(huì)有安全隱患出現(xiàn)，可能造成柱塞位置過高現(xiàn)象，增加油泵出油可能性?；谶@樣的前提，可在轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪法調(diào)節(jié)后進(jìn)一步進(jìn)行連接法蘭的固定，保障法蘭連接的有效性，減少出現(xiàn)滑位的可能。此外，在升降柱塞法調(diào)節(jié)后，還需要將螺絲上緊，以免出現(xiàn)位移。

3.1.2 優(yōu)化噴油壓力

除了對(duì)噴油定時(shí)實(shí)施合理優(yōu)化外，還需要調(diào)節(jié)噴油壓力，保障噴油系統(tǒng)的工作性能。結(jié)合現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)可知，優(yōu)化噴油壓力的效果積極，可有效地改善燃料的使用狀態(tài)，提升其霧化性能，在技術(shù)保障下，使混合氣的混合質(zhì)量得到科學(xué)的改善與控制，在精準(zhǔn)的控制下讓燃燒更加充分，從而降低消耗量。實(shí)踐證明，由于噴油壓力在調(diào)節(jié)過程中，能改善燃燒過程，同時(shí)科學(xué)補(bǔ)償油耗上升。實(shí)踐中，為減少碳?xì)浠衔铮枰獞{借技術(shù)手段，有效降低噴油壓力，保障柴油機(jī)運(yùn)行性能良好。

3.2 壓縮比、配氣定時(shí)優(yōu)化

具體實(shí)踐環(huán)節(jié)中，需要以壓縮比、進(jìn)排氣定時(shí)等為重要的變量依據(jù)，圍繞柴油機(jī)燃油耗率最優(yōu)化為目標(biāo)聯(lián)合尋優(yōu)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，壓縮比為20、噴油定時(shí)為上止點(diǎn)前219CA、進(jìn)氣門提前27.5CA 打開并且遲后40.5CA 關(guān)閉，缸內(nèi)最高溫度為2107K，可以滿足約束條件。從性能參數(shù)對(duì)比中可以看出，優(yōu)化后的柴油機(jī)性能參數(shù)有了明顯提升，燃油效率得到了控制。最高爆發(fā)壓力（缸內(nèi)）升高了8%，泵氣損失略有下降，與此同時(shí)熱效率提高了1%。結(jié)合前文提到的分析結(jié)果可知，噴油定時(shí)等因素影響較大，對(duì)柴油機(jī)性能穩(wěn)定性的影響是非常直接的，而相比之下，柴油機(jī)運(yùn)行效果與其他運(yùn)行參數(shù)的并關(guān)聯(lián)不大。

3.3 氣門技術(shù)優(yōu)化

結(jié)合現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)可知，4 氣門技術(shù)比較先進(jìn)，相對(duì)于2 氣門技術(shù),該模型的性能更加穩(wěn)定，在燃油耗率曲線上（全負(fù)荷速度特性的），4 氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)比較突出，在高轉(zhuǎn)速階段性能表現(xiàn)非常明顯。整體規(guī)律是轉(zhuǎn)速越低優(yōu)勢(shì)越小。除此之外，功率的變化規(guī)律比較好理解，與燃油耗率基本相同。從實(shí)操中可以證實(shí)，充氣效率這一參數(shù)在轉(zhuǎn)速高于1500r/min 時(shí)，充氣效率可以（4 氣門的）明顯提升。值得關(guān)注的是，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1500r/min，新技術(shù)的充氣效率反而要比原模型低，這一特征完全彰顯了多氣門的屬性。

4 結(jié)語

綜上所述，本文基于柴油機(jī)GT-Power 模型，對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行了分析，并實(shí)施了四變量聯(lián)合尋優(yōu)。站在尋優(yōu)結(jié)果的角度，分析了4 氣門技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及柴油機(jī)性能參數(shù)優(yōu)化方法。通過性能計(jì)算與結(jié)果分析可知，在標(biāo)定工況下，柴油機(jī)充氣效率的高低至關(guān)重要，可適當(dāng)提高壓縮比，實(shí)現(xiàn)燃油耗率的降低。