凸輪軸配氣相位對發(fā)動機性能的影響

趙峰,肖有強,杜偉康

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

凸輪軸是配氣機構(gòu)的關(guān)鍵部件，按照點火順序定時控制各缸進、排氣門的開啟和關(guān)閉，保證燃燒過程中氣缸內(nèi)存在充足的新鮮空氣，最大限度降低缸內(nèi)殘余廢氣量[1]，凸輪軸的設(shè)計及理論研究對改善發(fā)動機綜合性能有重要意義[2-3]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，近年來國內(nèi)外許多學者借助軟件實現(xiàn)配氣相位的仿真優(yōu)化，楊樹彬[4]通過AVL Timing Drive軟件對凸輪軸型線進行多項式仿真，為凸輪軸設(shè)計提供指導；王一[5]分析了凸輪軸運動規(guī)律，從運動學角度闡釋凸輪軸型線的最優(yōu)設(shè)計。孫建軍[6]通過試驗方法，對比分析了氣門升程和氣門重疊角對發(fā)動機燃油消耗率的影響。

渦輪增壓柴油發(fā)動機在氣門重疊期間，進氣端、活塞、排氣端連通，利用中冷后進氣壓力與渦前排氣壓力的壓力差實現(xiàn)掃氣功能，降低發(fā)動機殘余廢氣系數(shù)，但氣門重疊角過大導致發(fā)動機充量系數(shù)減少，燃燒惡化，整車動力性下降[7-8]。排氣提前角增大，能夠降低強制排氣階段的泵氣損失，但會影響做功效率[9]。結(jié)合發(fā)動機運行工況設(shè)計合理的配氣相位，能夠提高發(fā)動機進氣量，降低泵氣損失，改善油氣混合比，提高升功率，降低排放污染。

本文中采用不同配氣相位的凸輪軸，通過試驗對比分析不同工況下，氣門重疊角和排氣提前角對柴油發(fā)動機燃油消耗率及煙度排放的影響。

1 試驗方案

試驗采用渦輪增壓中冷柴油發(fā)動機，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

試驗設(shè)備布置結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過進氣空調(diào)控制環(huán)境溫度、壓力，冷卻系統(tǒng)控制進氣溫度、機油溫度，保證試驗邊界的一致性；采用測功機測量發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩；燃燒分析儀確認發(fā)動機燃燒狀態(tài)；483煙度計測量排放氣體中的煙度；氣體分析儀測量尾氣中NOx。

圖1 試驗設(shè)備布置

表2 凸輪軸配氣相位關(guān)鍵參數(shù) (°)

選取3種不同配氣相位的凸輪軸進行試驗，記為方案1、2、3。3種凸輪軸對應(yīng)的配氣相位關(guān)鍵參數(shù)如表2所示，表中所有參數(shù)均以曲軸轉(zhuǎn)角計算。

選擇4種不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的工況點表示發(fā)動機高轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩、中轉(zhuǎn)速中轉(zhuǎn)矩、中轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩，控制發(fā)動機運行參數(shù)，保證噴油提前角、噴射壓力、放氣閥開度在一定邊界范圍內(nèi)，4種工況點的標定參數(shù)邊界如表3所示。

表3 發(fā)動機標定參數(shù)邊界

在保證模型精度的基礎(chǔ)上，避免采用全因子抽樣法出現(xiàn)組合指數(shù)增長的問題，本文中用試驗設(shè)計(design of experiments，DoE)對發(fā)動機運行參數(shù)進行組合，DoE可基于統(tǒng)計學實現(xiàn)多自變量組合，采用拉丁超立方抽樣法降低試驗次數(shù)[10]，計算得出變量最優(yōu)組合。采集每個工況點在臺架試驗時的40個變量組合數(shù)據(jù)，結(jié)合Cameo軟件進行多變量數(shù)據(jù)建模，優(yōu)化輸入對象，生成發(fā)動機trade-off趨勢線。

為了分析不同氣門重疊角、不同排氣提前角對發(fā)動機性能的影響，研究不同凸輪軸方案在4種工況點的燃油消耗率、煙度排放隨NOx排放的變化，結(jié)合文獻[11]要求，4種工況點的NOx比排放為9～11 g/(kW·h)時，符合排放標準。

由于發(fā)動機燃油消耗率與煙度排放的量綱不同，無法準確反映NOx排放對燃油消耗率與煙度排放的影響，為了消除不同參數(shù)量綱的影響，增加參數(shù)可比性，對采集的數(shù)據(jù)進行歸一化處理：

式中：xnew為歸一化后數(shù)值，x為所測實際數(shù)值，xmin為所測數(shù)據(jù)中最小值，xmax為所測數(shù)據(jù)中最大值，歸一化處理后，所有參數(shù)映射到[-1,1]。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 氣門重疊角對性能的影響

4種工況下，凸輪軸方案2、3所對應(yīng)的燃油消耗率及煙度排放隨NOx排放的變化曲線，如圖2所示。

圖2 凸輪軸方案2、3在4種工況下所對應(yīng)的燃油消耗率及煙度排放隨NOx排放的變化曲線

由圖2a)可知：當發(fā)動機處于工況1時，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的燃油消耗率減小，燃油消耗率變化曲線基本重合；隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的煙度排放減小，方案2的煙度排放比方案3降低28.6%。由圖2b)可知：當發(fā)動機處于工況2時，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的燃油消耗率逐漸減小且趨于平緩，燃油消耗率變化曲線差別不大；隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的煙度排放減小，方案3煙度排放比方案2降低了45.8%。由圖2c)可知:當發(fā)動機處于工況3時，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案3的燃油消耗率比方案2降低了6.25%；隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的煙度變化比較平穩(wěn)，煙度排放變化曲線基本一致。由圖2d)可知：當發(fā)動機處于工況4時，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2和3的燃油消耗率減小；隨著NOx排放增加，方案3煙度排放下降幅度高于方案2。

測量凸輪軸方案2、3在4種工況下對應(yīng)的中冷后進氣壓力與渦前排氣壓力，結(jié)果如表4所示。

表4 不同工況、方案下中冷后進氣壓力與渦前排氣壓力結(jié)果 kPa

由表4可知：工況1時，凸輪軸方案2、3的中冷后進氣壓力比渦前排氣壓力低40～50 kPa，不能發(fā)揮氣門重疊角的掃氣功能，導致排氣管內(nèi)高溫廢氣回流到氣缸內(nèi)，倒流進氣管中，方案3中進氣提前角增大，增加了廢氣回流的風險，導致缸內(nèi)廢氣增多，燃燒惡化，出現(xiàn)方案3煙度高的現(xiàn)象；工況2時，凸輪軸方案2、3的中冷后進氣壓力比渦前排氣壓力低5～15 kPa，高溫廢氣回流滲透現(xiàn)象不明顯，方案3中進氣提前角增大有利于提高充量系數(shù)，煙度排放略有下降；工況3時，凸輪軸方案2、3的中冷后進氣壓力比渦前排氣壓力高30 kPa左右，氣門重疊角掃氣能力強，改善了缸內(nèi)燃燒環(huán)境，2種方案均降低了燃油消耗率和煙度排放；工況4時，凸輪軸方案2、3的中冷后進氣壓力與渦前排氣壓力相當，同一工況下NOx排放降低時，造成缸內(nèi)燃燒環(huán)境惡化，高溫廢氣能量高，導致中冷后進氣壓力與渦前排氣壓力相繼提高，加快中冷后進氣壓力增長速率，弱化大氣門重疊角掃氣能力，方案3煙度排放下降更明顯。

2.2 排氣提前角對性能的影響

4種工況下，凸輪軸方案1、2所對應(yīng)的燃油消耗率及煙度排放隨NOx排放的變化曲線如圖3所示。

圖3 凸輪軸方案1、2在4種工況下所對應(yīng)的燃油消耗率及煙度排放隨NOx排放的變化曲線

由圖3a)可知：當發(fā)動機處于工況1時，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1與方案2的燃油消耗率的差逐漸趨于穩(wěn)定；隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1和2的煙度排放相差不大。主要原因是：工況1時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速快，排氣時間縮短，方案1排氣提前角增大，降低了缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，提高了熱效率，曲軸轉(zhuǎn)角為30°～40°時處于做功后期，排氣提前角增大并未損失過多的有效功，改善了強制排氣階段功率損失，方案1燃油消耗率低于方案2。由圖3b)可知：當發(fā)動機處于工況2時，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1與方案2燃油消耗率的差相比工況1逐步縮小；方案1與方案2的煙度排放下降趨勢基本重合。主要原因是：方案1排氣提前角增大，降低了缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，改善了燃燒環(huán)境，降低了燃油消耗率；但隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降，縮小了方案1排氣提前角增大的自由排氣時間，對比工況1，方案1燃油消耗率優(yōu)勢減弱，2個方案的燃油消耗率的差逐步縮小。由圖3c)可知：當發(fā)動機處于工況3時，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1燃油消耗率比方案2降低16.7%；隨著NOx排放增加，方案1比方案2煙度排放降低35.7%左右。主要原因是：工況3時轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，減弱了方案1排氣提前角增大帶來的優(yōu)勢，隨著NOx排放增加，噴油提前角增大、噴射壓力提高，減少有效功損失，方案1、2的燃油消耗率出現(xiàn)曲線重合現(xiàn)象。由圖3d)可知：當發(fā)動機處于工況4時，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1、2的燃油消耗率曲線基本重合；方案2歸一化煙度排放比方案1低0.11。主要原因是：工況4時，循環(huán)噴油量較少，過量空氣系數(shù)過大，缸內(nèi)稀薄燃燒導致平均溫度較低，不利于NOx形成；NOx排放相同時，方案2的噴油提前角比方案1大，提高了噴射壓力，降低了煙度排放。

3 結(jié)語

1)氣門重疊角對燃油消耗率影響不明顯，對煙度排放的影響與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、中冷后進氣壓力和渦前排氣壓力的差具有明顯相關(guān)性；轉(zhuǎn)速越高，氣門重疊角過渡時間越短，氣門重疊角掃氣能力減弱，氣門重疊角增大，煙度排放增高；中冷后進氣壓力高于渦前排氣壓力時，壓差越大，更利于提高氣門重疊角掃氣能力，增大氣門重疊角能降低煙度排放。

2)排氣提前角對燃油消耗率和煙度排放的影響取決于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速升高，增大排氣提前角有利于降低缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，提高熱效率，降低燃油消耗率；轉(zhuǎn)速降低，發(fā)動機過量空氣系數(shù)大，減小排氣提前角，在一定程度上降低煙度排放。