基于GT-Power的機(jī)械增壓柴油機(jī)參數(shù)優(yōu)化分析★

唐銳紅，袁文華

（邵陽學(xué)院，湖南 邵陽 422004）

引言

如何高效、準(zhǔn)確地對發(fā)動機(jī)進(jìn)行優(yōu)化研究，是當(dāng)代發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究過程中的重要課題，而數(shù)值仿真技術(shù)在其中發(fā)揮了越來越重要的作用[1]。隨著最近幾十年里計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，發(fā)動機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)逐漸在內(nèi)燃機(jī)研究領(lǐng)域發(fā)揮出關(guān)鍵作用，利用仿真技術(shù)進(jìn)行分析計(jì)算的功效遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)研究[2]。噴油時刻對柴油機(jī)運(yùn)行狀況影響很大，因此若要保證柴油機(jī)有良好的性能，必須對噴油提前角的選擇進(jìn)行研究[3]。而配氣相位對柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放等也有非常顯著的影響[4]。柴油機(jī)在換氣過程中，若能夠做到排氣徹底，進(jìn)氣充分，則可以提高充氣效率，增大柴油機(jī)的動力輸出并改善其經(jīng)濟(jì)性。

1 仿真模型的建立

1.1 柴油機(jī)基本參數(shù)

柴油機(jī)的基本參數(shù)對仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有非常大的影響，本文的研究對象為某型單缸柴油機(jī)，具體型式為單缸風(fēng)冷四沖程柴油機(jī)，本文所研究單缸柴油機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

1.2 仿真模型建立

GT-Power軟件采用模塊化的建模方式，先建立柴油機(jī)的各個零部件模塊，再依據(jù)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)布置將各個模塊連接起來，組成整個柴油機(jī)的仿真模型。在建模時，先根據(jù)自己的需要將模塊添加到工程圖中，然后根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際參數(shù)對各個模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可[5]。本文在單缸柴油機(jī)模型的基礎(chǔ)上建立了機(jī)械增壓單缸柴油機(jī)模型，需要增加的模塊包括機(jī)械增壓器（壓氣機(jī)模塊）、傳動軸和傳動齒輪，機(jī)械增壓單缸柴油機(jī)模型如圖1所示。

2 噴油提前角對柴油機(jī)性能的影響

通過仿真計(jì)算得到不同噴油提前角下柴油機(jī)功率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖2所示，從圖中可以看出，不同噴油時刻下，柴油機(jī)的功率都隨轉(zhuǎn)速升高而增大。而從下頁圖3可以看出，扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與功率不同，柴油機(jī)的扭矩隨著轉(zhuǎn)速的升高先增大再有所減小。分析各個噴油時刻下的扭矩變化規(guī)律可知，應(yīng)在低轉(zhuǎn)速時采用較小的噴油提前角，而在高轉(zhuǎn)速時采用較大的噴油提前角，這樣能夠提高柴油機(jī)的輸出功率和扭矩，使柴油機(jī)具有更好的動力性。

從圖4可以看出，噴油提前角對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響較大，不同噴油提前角下柴油機(jī)效率和油耗率隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律不同。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 000 r/min時，在上止點(diǎn)前5°CA時刻噴油柴油機(jī)的效率最高，油耗率最低；柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000~2 300 r/min之間時，在上止點(diǎn)前10°CA時刻噴油柴油機(jī)的效率最高，油耗率最低；而柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高于2 300 r/min時，在上止點(diǎn)前15°CA時刻噴油柴油機(jī)效率最高，油耗率最低。

3 進(jìn)氣相位對柴油機(jī)性能的影響

從圖5可以看出，進(jìn)氣閥開啟角度對功率的影響較小，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時有較為充分的充氣時間，因此輸出功率基本不受進(jìn)氣閥開啟角度的影響。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高于3 000 r/min時，進(jìn)氣相位開始對柴油機(jī)輸出功率產(chǎn)生影響，在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣閥過早開啟會明顯降低柴油機(jī)的功率輸出。

而從圖6可以看出，不同進(jìn)氣閥開啟角度下柴油機(jī)的輸出扭矩都隨著轉(zhuǎn)速的升高而先增大后減小。在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣相位對扭矩的影響不同，低轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣閥早開啟有利于增大柴油機(jī)的輸出扭矩，而高轉(zhuǎn)速下相反，進(jìn)氣閥早開啟會降低柴油機(jī)的輸出扭矩。因此在柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)該根據(jù)柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和運(yùn)行工況適當(dāng)調(diào)整其進(jìn)氣提前角，從而改善柴油機(jī)的動力性能，提高其輸出功率和輸出扭矩。

圖7 所示為柴油機(jī)油耗率的計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速或者高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時的經(jīng)濟(jì)性都較差，尤其低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性會急劇下降，而在3 500 r/min左右運(yùn)行時經(jīng)濟(jì)性最好。此外，不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣閥開啟角度對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響不同，低轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣閥早開啟有利于提高柴油機(jī)的效率，降低油耗，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性較好，而高轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣閥晚開啟時柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性較好。

4 排氣相位對柴油機(jī)性能的影響

從下頁圖8中可以看出，在不同排氣閥開啟時刻下，柴油機(jī)的輸出功率都隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大。當(dāng)柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，排氣閥開啟時刻對功率的影響較小，而在高轉(zhuǎn)速下排氣閥開啟時刻對功率的影響較大。柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，排氣閥晚開啟也就意味著排氣閥關(guān)閉較晚，氣門重疊角增大，從而導(dǎo)致廢氣回流較多，影響充氣效率，從而使得柴油機(jī)做功減少，功率降低。

從下頁圖9中可以看出，柴油機(jī)扭矩隨著轉(zhuǎn)速的升高先增大后減小，且柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，排氣閥開啟時刻對扭矩的影響較大。柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，排氣閥開啟越早，柴油機(jī)扭矩越大；而柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時則是排氣閥晚開時輸出扭矩較大。此外從圖中可以看出，排氣閥開啟時刻對柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速時的運(yùn)行狀態(tài)及性能影響更大。排氣閥開啟越早，柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速下的輸出功率越大，扭矩輸出狀況越好，所以排氣閥早開啟可以改善柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速下的動力性能，提高其高轉(zhuǎn)速下的動力輸出能力。

從圖10可以看出，排氣閥開啟時刻對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性有較大影響，尤其是柴油機(jī)在中、高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，排氣閥早開啟有利于降低油耗，提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。此外從圖中可以看出，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性是隨著轉(zhuǎn)速的升高而先升高再降低的，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到最佳。排氣閥早開啟有利于提升柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟(jì)性，而在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時則是排氣閥晚開啟較為有利。

5 結(jié)論

本文通過建立機(jī)械增壓式單缸柴油機(jī)性能仿真計(jì)算模型，進(jìn)行機(jī)械增壓柴油機(jī)的參數(shù)優(yōu)化分析，針對噴油時刻及進(jìn)排氣相位對柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究。

1）在低轉(zhuǎn)速下采用較小的噴油提前角，而在高轉(zhuǎn)速下采用較大的噴油提前角，對發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性較為有利，同時對污染物排放的影響較??；

2）相比于噴油提前角，進(jìn)排氣相位對發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性的影響較小，而對排放特性的影響較大。當(dāng)柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，進(jìn)氣閥較晚開啟及排氣閥早開有利于提高柴油機(jī)的效率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，但同時會降低柴油機(jī)的動力輸出。