柴油機(jī)可變相位參數(shù)耦合對(duì)氣路狀態(tài)的影響

吳學(xué)舜， 杜德峰， 李均同， 韓志強(qiáng)

(西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院， 四川 成都 610039)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門型線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣路狀態(tài)參數(shù)有決定性的影響，在有效組織缸內(nèi)混合氣溫度、壓力和組分的情況下，影響燃燒過程，從而決定發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[1].

針對(duì)進(jìn)氣門型線對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的研究，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究.H. U. BASARAN等[2]在六缸柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了低負(fù)荷下，進(jìn)氣門早關(guān)或晚關(guān)對(duì)排氣溫度的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣門早關(guān)65°(文中角度為曲軸轉(zhuǎn)角)或者晚關(guān)100°都可以將柴油機(jī)后處理裝置入口溫度增加到250 ℃以上，這樣能夠提高后處理的效率.Y. MURATA等[3]通過仿真發(fā)現(xiàn)，隨著附加升程產(chǎn)生的延遲，氣門關(guān)閉角相比原機(jī)進(jìn)氣相位滯后，有效壓縮比逐漸降低，當(dāng)進(jìn)氣門延遲關(guān)閉60°，有效壓縮比下降3.3.J. JUNG等[4]、A. F. M. MAHROUS 等[5]、I. CAMERON等[6]通過數(shù)值模擬也得到相似結(jié)論.張翔宇等[7]利用ANESIM軟件建立電液可變氣門機(jī)構(gòu)模型，研究了進(jìn)回油管直徑對(duì)氣門升程特性的影響，結(jié)果表明，進(jìn)回油管直徑對(duì)氣門落座速度有重大影響，在優(yōu)化氣門落座速度時(shí)存在最優(yōu)值.潘鎖柱等[8]、尹朧等[9]建立了柴油機(jī)可變氣門系統(tǒng)的數(shù)值模型，分析了附加升程限位對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的影響，研究表明，最大附加升程限位對(duì)進(jìn)氣質(zhì)量流量影響很小，最大附加升程限位對(duì)壓縮終了溫度和壓力影響也很小.

然而，以上文獻(xiàn)并未就柴油機(jī)氣門型線關(guān)鍵參數(shù)的耦合作用對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的影響關(guān)系進(jìn)行深入研究.為此，筆者以DK4A柴油機(jī)氣門型線為研究對(duì)象，通過系統(tǒng)化分析單位附加升程持續(xù)角和單位附加升程峰值與原機(jī)氣門型線峰值間隔角的耦合作用對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律，探討兩者對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的影響權(quán)重變化規(guī)律.

1 模型的建立和驗(yàn)證

1.1 模型的建立

為分析柴油機(jī)可變相位參數(shù)耦合對(duì)氣路狀態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律，建立了熱力學(xué)模型.仿真模型的熱力學(xué)方程遵守質(zhì)量守恒原理、能量守恒原理.具體模型假設(shè)與方程詳見文獻(xiàn)[10].

1.2 輸入?yún)?shù)

以DK4A柴油機(jī)為對(duì)象，建立熱力學(xué)模型，柴油機(jī)主要輸入?yún)?shù)如下：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣排量為2 498 mL,行程為94 mm，缸徑為92 mm，壓縮比為18.5 ∶1，每缸氣門數(shù)為4個(gè)，進(jìn)氣門開啟提前角為30°,進(jìn)氣門關(guān)閉遲閉角為40°.模型輸入進(jìn)氣門型線由原機(jī)升程曲線與附加升程曲線疊加而成，排氣上止點(diǎn)時(shí)刻定義為0°，具體曲線如圖1所示，θ1為原機(jī)氣門開啟角，θ2為原機(jī)氣門關(guān)閉角.附加升程曲線對(duì)稱分布，具體由3個(gè)參數(shù)確定，即單位附加升程峰值與原機(jī)氣門型線峰值間隔角β、附加升程高度h和單位附加升程持續(xù)角α.

圖1 附加升程氣門型線與原機(jī)氣門型線

從圖1可以看出：進(jìn)氣門氣門型線的氣門相位受附加升程參數(shù)中β和α的影響，進(jìn)氣門的升程高度受附加升程h影響.

1.3 模型的驗(yàn)證

為確保模型準(zhǔn)確，具有可預(yù)測(cè)性，課題組采用原機(jī)氣門型線對(duì)DK4A柴油機(jī)十三工況點(diǎn)(怠速，A25，A50, A75，A100,B25，B50, B75，B100, C25，C50, C75，C100)進(jìn)行模型驗(yàn)證，進(jìn)氣質(zhì)量流量q仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示.

圖2 進(jìn)氣質(zhì)量流量仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖2可以看出：僅怠速時(shí)進(jìn)氣質(zhì)量流量仿真與試驗(yàn)的相對(duì)誤差達(dá)到了2.7%，其余各工況的質(zhì)量流量仿真與試驗(yàn)的相對(duì)誤差均在2.0%以內(nèi).

轉(zhuǎn)矩仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示.

圖3 轉(zhuǎn)矩仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖3可以看出，各工況轉(zhuǎn)矩仿真與試驗(yàn)的相對(duì)誤差控制在2.0% 以內(nèi).因此認(rèn)為所建模型準(zhǔn)確，可用于預(yù)測(cè)柴油機(jī)進(jìn)氣門附加升程曲線對(duì)缸內(nèi)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律.

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為有效評(píng)價(jià)β和α的耦合作用對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)(進(jìn)氣質(zhì)量流量q，氣缸壓縮上止點(diǎn)溫度Tc，氣缸壓縮上止點(diǎn)壓力pc)的影響權(quán)重，建立如下評(píng)價(jià)體系：

變化量為

Δχn=χn1-χn2，

(1)

式中：Δχn分別為q，Tc和pc的變化量；n分別為β和α；χn1，χn2分別為不同狀態(tài)下的q，Tc和pc.

變化率為

γn=Δχn1-n2/(n1-n2),

(2)

式中：γn分別為q，Tc和pc的變化率；n1-n2為變化區(qū)間的長度.

3 結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速為2 800 r·min-1，負(fù)荷為50%，h為3.5 mm的條件下，分析β與α的耦合作用對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律.

3.1 β與α的耦合作用對(duì)q的影響

β與α的耦合作用對(duì)q的影響如圖4所示，隨著β，α的增大，q均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).當(dāng)β=140°，α=132°時(shí)，q達(dá)到最小值，僅有182 kg·h-1.

為了分析β與α的耦合作用對(duì)q的影響權(quán)重，研究了單位附加升程峰值與原機(jī)氣門型線峰值間隔角變化量Δβ與單位附加升程持續(xù)角變化量Δα對(duì)進(jìn)氣流量變化量Δq的影響規(guī)律.Δq與雙參數(shù)(α，Δβ)的耦合關(guān)系如圖5所示.

圖5 Δq與雙參數(shù)(α，Δβ)的耦合關(guān)系

從圖5可以看出：α為92°～132°時(shí)，Δq隨著Δβ的增加而增大，α越大Δq越大，這是因?yàn)樵讦翞槎ㄖ禃r(shí)，隨著Δβ的增加，氣門關(guān)閉角越遠(yuǎn)離進(jìn)氣下止點(diǎn)，更多的進(jìn)氣倒流回進(jìn)氣管，所以Δq越大；當(dāng)Δβ為定值，α為92°～132°時(shí)，隨著α的增加，Δq增加的速率由快變慢，這是因?yàn)?，由圖1可知，當(dāng)β≤(θ2-θ1-α)/2=80°時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉角與原機(jī)關(guān)閉角一致，當(dāng)β>(θ2-θ1-α)/2=80°時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉角較θ2延遲；α從 92°變化到132°過程中，β均處于大于臨界值80°的狀態(tài)，進(jìn)氣門關(guān)閉角較θ2延遲，氣門關(guān)閉角處于壓縮下至點(diǎn)后，這意味著在壓縮沖程，α越大，相同相位時(shí)氣門流通截面逐漸增加，產(chǎn)生進(jìn)氣回流突增，因此Δq變化率大；隨著流通截面增加，流量系數(shù)變化梯度逐漸變小，所以Δq變化率減?。沪?132°的Δq比α=92°的Δq增加了1.40～1.50倍.因此Δβ的增加可以放大α對(duì)Δq的影響.

Δq與雙參數(shù)(Δα，β)的耦合關(guān)系如圖6所示.

圖6 Δq與雙參數(shù)(Δα，β)的耦合關(guān)系

從圖6可以看出：β為 100°～140°時(shí)，Δq隨著Δα的增加而增加，且β越大，Δq越大，這是由于Δα增加，氣門流通截面變化持續(xù)期增加，回流量增加，因此Δq越大；當(dāng)Δα為定值時(shí)，隨著β增加，進(jìn)氣關(guān)閉角離進(jìn)氣下止點(diǎn)逐漸變遠(yuǎn)，回流的進(jìn)氣逐漸大于流通截面增加而多流入缸內(nèi)的氣體，Δq斜率越大；β為 140°的Δq比β=100°的Δq增加了1.90～2.67倍.由此可知，Δα能放大對(duì)β的影響.

α與β對(duì)γq的影響權(quán)重等量關(guān)系分別如圖7，8所示.

圖7 α對(duì)γq的影響權(quán)重等量關(guān)系

圖8 β對(duì) γq的影響權(quán)重等量關(guān)系

從圖7，8可以看出：α=92°～132°，β=100°～130°時(shí)，隨著α和β的增加，γq逐漸增大，圖8中出現(xiàn)γq值相等的交點(diǎn)，即為α和β的耦合作用對(duì)γq的影響權(quán)重相等的情況，將類似的交點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得到圖9.

圖9 α和β的耦合作用對(duì)γq的影響

從圖9可以看出：當(dāng)α保持不變時(shí)，隨著β的增加，γq增加，表明α不變時(shí)，β增加有利于增加其對(duì)進(jìn)氣量的影響權(quán)重；當(dāng)β保持不變時(shí)，隨著α的增加，γq先減小后增加，即β保持不變，隨著α的增加，α對(duì)進(jìn)氣量的影響權(quán)重先減小后增加，影響權(quán)重最小值出現(xiàn)在α=124°～125°范圍內(nèi)，這是因?yàn)?，附加升程?huì)導(dǎo)致氣門型線產(chǎn)生第2個(gè)峰值，如圖1所示；當(dāng)β保持不變，隨著α的增加，第2個(gè)峰值將向原機(jī)氣門型線峰值靠近，這意味著相比原機(jī)，相同進(jìn)氣相位的氣門時(shí)面值增大，但關(guān)閉角延遲，綜合2方面因素，當(dāng)α=124°～125°時(shí)，γq最小.

Δβ與Δα對(duì)γq的影響如圖10所示，當(dāng)Δβ保持不變時(shí)，隨著Δα的增加，γq緩慢增加；當(dāng)Δα保持不變，隨著Δβ增加，γq增速更大，這意味著，Δβ比Δα對(duì)γq的影響權(quán)重更大.

圖10 Δβ與Δα對(duì)γq的影響

3.2 β與α耦合對(duì)壓縮上止點(diǎn)溫度Tc的影響

β與α耦合作用對(duì)Tc的影響如圖11所示，隨著β，α的增大，Tc均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).當(dāng)β=140°，α=132°時(shí)，Tc達(dá)到最小值，僅有1 059 K.

圖11 β與α耦合作用對(duì)Tc的影響

ΔTc與雙參數(shù)(α，Δβ)的耦合關(guān)系如圖12所示，α為92°～132°時(shí)，ΔTc隨著Δβ增加而增加，且α越大，ΔTc越大.這是因?yàn)樵讦翞槎ㄖ禃r(shí)，隨Δβ增加氣門關(guān)閉角越遠(yuǎn)離進(jìn)氣下止點(diǎn)，有效壓縮比降低，缸內(nèi)氣體在壓縮上止點(diǎn)被壓縮的程度減弱，所以ΔTc增加.當(dāng)Δβ為定值時(shí)，α為92°～132°，隨著α的增加，ΔTc增加的速率由快變慢.這是因?yàn)棣う轮苯佑绊憵忾T流通截面的變化，在α較小時(shí)，進(jìn)氣流量系數(shù)變化梯度很大，回流到進(jìn)氣管的氣體突增，所以ΔTc增加速率快.α較大時(shí)流量系數(shù)變化梯度逐漸變小，ΔTc增加速率變慢.此外，α=132°時(shí)的ΔTc比α=92°時(shí)的ΔTc增加了1.32～1.58倍.因此，Δβ可以放大α對(duì)ΔTc的影響.

圖12 ΔTc與雙參數(shù)(α，Δβ)的耦合關(guān)系

ΔTc與雙參數(shù)(Δα，β)的耦合關(guān)系如圖13所示，β為100°～140°時(shí)，隨著Δα的增加而增加，且β越大，ΔTc越大；同時(shí)，當(dāng)Δα為定值時(shí)，隨著β的增加，進(jìn)氣關(guān)閉角離進(jìn)氣下止點(diǎn)逐漸變遠(yuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮沖程中回流的進(jìn)氣量增加，這導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)有效壓縮比逐漸變小，ΔTc斜率越大；β=140°時(shí)的ΔTc比β=100°的增加了1.80～1.90倍.由此可知，Δα能放大β對(duì)ΔTc的影響.

圖13 ΔTc與雙參數(shù)(Δα，β)的耦合關(guān)系

α與β對(duì)壓縮上止點(diǎn)溫度變化率γTc的影響權(quán)重等量關(guān)系分別如圖14，15所示，在α=100°～132°，β=100°～132°時(shí)，隨著α和β的增加，γTc逐漸增大，圖15中出現(xiàn)γTc值相等的交點(diǎn)，即為α和β的耦合作用對(duì)γTc的影響權(quán)重相等的情況.將類似的交點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得到圖16.

從圖16可以看出：當(dāng)α保持不變時(shí)，隨著β的增加，γTc增加，即表明α不變時(shí)，β增加有利于增加其對(duì)壓縮上止點(diǎn)溫度的影響權(quán)重；而當(dāng)β保持不變時(shí)，隨著α的增加，γTc值先減小后增加，即β保持不變，隨著α的增加，α對(duì)壓縮上止點(diǎn)溫度的影響權(quán)重先減小后增加，影響權(quán)重最小值出現(xiàn)在α=123°～124°范圍內(nèi).這是因?yàn)?，附加升程?huì)導(dǎo)致氣門型線產(chǎn)生第2個(gè)峰值，如圖1所示.當(dāng)β保持不變時(shí)，隨著α的增加，第2個(gè)峰值將向原機(jī)氣門型線峰值靠近，有效壓縮比降幅減小，所以在α=124°～125°時(shí)，壓縮上止點(diǎn)溫度變化率最小.

圖14 α對(duì)γTc的影響權(quán)重等量關(guān)系

圖15 β對(duì)γTc的影響權(quán)重等量關(guān)系

圖16 α與β的耦合作用對(duì)γTc的影響

Δβ與Δα對(duì)γTc的影響如圖17所示.

圖17 Δβ與Δα對(duì)γTc的影響

從圖17可以看出： 當(dāng)Δβ保持不變時(shí)，隨著Δα增加，γTc緩慢增加；當(dāng)Δα保持不變時(shí)，隨著Δβ增加，γTc增速更大，這意味著，有效壓縮比的變化，Δβ比Δα對(duì)γTc的影響權(quán)重更大.

3.3 β與α耦合對(duì)壓縮上止點(diǎn)壓力pc的影響

β與α的耦合作用對(duì)pc的影響如圖18所示，隨著β，α的增大，pc均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).當(dāng)β=140°，α=132°時(shí)，pc達(dá)到最小值，僅有4.990 MPa.

圖18 β與α的耦合作用對(duì)pc的影響

Δpc與雙參數(shù)(α，Δβ)的耦合關(guān)系如圖19所示，當(dāng)α=92°～132°時(shí)，Δpc隨著Δβ的增大而增大，Δβ越大，Δpc越大.這是因?yàn)樵讦翞槎ㄖ禃r(shí)，隨Δβ的增大，氣門關(guān)閉角越遠(yuǎn)離進(jìn)氣下止點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程中回流的充量就越多，活塞到達(dá)壓縮上止點(diǎn)時(shí)的有效壓縮比越小，所以Δpc越大.當(dāng)Δβ為定值時(shí)，α=92°～132°，隨著α的增加，Δpc增加的速率由快逐漸變慢.此外，α=132°時(shí)的Δpc比α=92°的Δpc增加了1.30～1.44倍.

圖19 Δpc與雙參數(shù)(α，Δβ)的耦合關(guān)系

Δpc與雙參數(shù)(Δα，β)的耦合關(guān)系如圖20所示，當(dāng)β=100°～140°時(shí)，Δpc隨著Δα的增加而增加，且β越大，Δpc越大.這是由于Δα增加，相比原機(jī)進(jìn)氣相位的氣門流通截面積增加，因此Δpc越大；當(dāng)Δα為定值時(shí)，隨著β的增加，進(jìn)氣門的關(guān)閉角逐步延遲到壓縮下止點(diǎn)后，隨著活塞上行，氣門處于開啟狀態(tài)，被推出的氣體增多，發(fā)動(dòng)機(jī)有效壓縮比降低，壓縮上止點(diǎn)壓力減小，Δpc斜率增加.Δα能放大β對(duì)Δpc的影響.并且，在α=132°時(shí)的Δpc比α=92°的增加了1.95～2.07倍.

圖20 Δpc與雙參數(shù)(Δα，β)的耦合關(guān)系

α與β對(duì)壓縮上止點(diǎn)壓力變化率γpc的影響權(quán)重等量關(guān)系分別如圖21，22所示，當(dāng)α=132°，β=132°時(shí)，隨著α和β的增加，γpc逐漸增大，圖22中出現(xiàn)γpc值相等的交點(diǎn)，即為α和β的耦合作用對(duì)γpc的影響權(quán)重相等的情況.將類似的交點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得到圖23，24，當(dāng)α保持不變時(shí)，隨著β增加，γpc增加，即α不變時(shí)，β增加有利于增加其對(duì)壓縮上止點(diǎn)壓力的影響權(quán)重；而當(dāng)β保持不變時(shí)，隨著α的增加，γpc值先減小后增加.即β保持不變時(shí)，隨著α的增加，α對(duì)壓縮上止點(diǎn)壓力的影響權(quán)重先減小后增加，影響權(quán)重最小值出現(xiàn)在α=124°～125°范圍內(nèi)，這是由于在此區(qū)間有效壓縮比降幅減小.

圖21 α對(duì)γpc的影響權(quán)重等量關(guān)系

圖22 β對(duì)γpc的影響權(quán)重等量關(guān)系

圖23 α與β的耦合作用對(duì)γpc的影響

圖24 Δβ與Δα對(duì)γpc的影響

4 結(jié) 論

β與α的耦合作用對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)變化率的影響存在權(quán)重相等的情況，且Δβ對(duì)Δα的影響權(quán)重大；當(dāng)α保持不變時(shí)，β的增加有利于增加其對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的影響權(quán)重；當(dāng)β保持不變時(shí)，α存在臨界區(qū)間，使得其對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)變化率的影響最小；Δα的增加能放大β對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)變化量的影響；Δβ的增加能放大α對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)變化量的影響；隨著β和α的增大，進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)值呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì).當(dāng)α保持不變時(shí)，Δβ對(duì)進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的影響會(huì)存在一個(gè)臨界值使得進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的變化量突增.