缸蓋排氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化對柴油機(jī)性能的影響

李麗麗　趙鵬　賈錫臣

摘要：為增大柴油機(jī)缸蓋排氣道的流量因數(shù)、提高柴油機(jī)性能，優(yōu)化某6缸柴油機(jī)缸蓋排氣道結(jié)構(gòu)，試驗研究缸蓋排氣道優(yōu)化前、后排氣流量因數(shù)和柴油機(jī)性能。試驗結(jié)果表明：優(yōu)化后的缸蓋排氣道平均流量因數(shù)提高6.7%；缸蓋排氣道優(yōu)化前、后，柴油機(jī)進(jìn)、排氣平均壓力脈沖均隨轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的增加而增大；缸蓋排氣道優(yōu)化后柴油機(jī)的平均進(jìn)氣壓力大于原缸蓋排氣道，平均排氣壓力小于原缸蓋排氣道；裝配優(yōu)化后缸蓋排氣道的柴油機(jī)燃燒持續(xù)期縮短且燃燒中心更接近上止點，NOx排放降低11%～17%，燃油消耗率降低約1 g/（kW·h）。優(yōu)化后的缸蓋排氣道有助于改善柴油機(jī)充氣效率，提高工質(zhì)的燃燒質(zhì)量，降低油耗。

關(guān)鍵詞：排氣壓力；泵氣損失；進(jìn)氣流量；缸蓋排氣道；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TK423文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0007-06

引用格式：李麗麗，趙鵬，賈錫臣.缸蓋排氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化對柴油機(jī)性能的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2023，40（5）：7-12.

LI Lili， ZHAO Peng， JIA Xichen. Effect of the cylinder head exhaust duct structure optimization on diesel engine performance［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：7-12.

0 引言

增壓柴油機(jī)進(jìn)排氣壓力脈沖決定柴油機(jī)掃氣效率，進(jìn)而影響柴油機(jī)的充氣效率及燃燒特性[1-2] 。排氣壓力脈沖主要來自自由排氣階段和強制排氣階段[3-5]，根據(jù)排氣壓力變化規(guī)律，合理利用脈沖能量與增壓器的有效配合，提升進(jìn)氣流量，降低泵氣損失，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)熱效率、降低排放[6-9]。

進(jìn)排氣壓力脈沖的動態(tài)特性受缸蓋進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣管、增壓器等互相影響和制約，影響因素復(fù)雜，各部件相互間配合直接影響柴油機(jī)的充氣效率和泵氣損失[10-12]。缸蓋排氣道設(shè)計時，希望通過降低渦流比獲取更大的排氣流量因數(shù)，但在實際設(shè)計過程中，因發(fā)動機(jī)缸徑、行程、燃燒室、轉(zhuǎn)速、供油系統(tǒng)等差異，設(shè)計方向不盡相同[13-14]。本文中不考慮其它零部件因素帶來的影響，根據(jù)排氣壓力波的變化特性，優(yōu)化改進(jìn)缸蓋排氣道流通截面積等結(jié)構(gòu)，研究缸蓋排氣道結(jié)構(gòu)對降低排氣能量損失、提升發(fā)動機(jī)性能的影響，為后續(xù)的發(fā)動機(jī)優(yōu)化改進(jìn)提供參考。

1 缸蓋排氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原缸蓋排氣道結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知：原缸蓋排氣道螺栓孔與推桿孔位置均偏向排氣道側(cè)，導(dǎo)致排氣道在圖1中藍(lán)圈位置處的空氣流通面積瞬間減小，影響排氣道流量因數(shù)，本文中針對此位置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

優(yōu)化前、后的排氣道結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，其中虛線處為原方案。

由圖2可知：1）對短排氣道的4處結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。 壓低位置1、4處的上型線，使流通面積變化緩慢，并消除倒角造成的型線異形；抬升位置2處的拐角，減少流動分離；減小位置3處的喉口，保證喉口處被加工到。2）對長排氣道主要進(jìn)行1項優(yōu)化。調(diào)整位置5處的型線，避免流通面積變化過快。

對原排氣道和優(yōu)化后的缸蓋排氣道的流量因數(shù)進(jìn)行測試。缸蓋排氣道優(yōu)化前、后不同氣門升程下流量因數(shù)試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：優(yōu)化后，缸蓋排氣道的流量因數(shù)比原排氣道平均提高了6.7%。

2 試驗裝置與方法

為評價缸蓋排氣道優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)性能，開展外特性及不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下試驗。

2.1 試驗樣機(jī)參數(shù)及布置

試驗用樣機(jī)為某直列6缸渦輪增壓中冷柴油機(jī)，柴油機(jī)各缸發(fā)火順序為1—5—3—6—2—4，柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

試驗樣機(jī)及采集設(shè)備布置如圖4所示。測試設(shè)備主要包括燃燒分析儀、電荷放大器、瞬態(tài)壓力傳感器、爆壓傳感器等。渦輪增壓器為雙入口渦輪，柴油機(jī)第1、2、3 缸共用1根排氣總管，第4、5、6缸共用另1根排氣總管，在第1缸的進(jìn)氣歧管和排氣歧管上分別安裝壓力傳感器，壓力傳感器通過電荷放大器與燃燒分析儀連接，實時監(jiān)測并記錄壓力脈沖信號；爆壓傳感器打孔安裝在第1缸缸蓋位置，通過電荷放大器與燃燒分析儀連接，實時監(jiān)測缸內(nèi)壓力及相關(guān)燃燒參數(shù)，并實時記錄臺架的性能參數(shù)。

2.2 試驗工況及方法

為全面分析發(fā)動機(jī)在整個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的性能變化，采集發(fā)動機(jī)外特性以及代表轉(zhuǎn)速的高、中、低負(fù)荷區(qū)域的數(shù)據(jù)，對比發(fā)動機(jī)各工況區(qū)域的性能變化，更好地評估優(yōu)化后缸蓋排氣道的性能。

保持試驗樣機(jī)其他結(jié)構(gòu)及發(fā)動機(jī)控制參數(shù)不變，分別使用裝配原缸蓋排氣道和優(yōu)化后缸蓋排氣道發(fā)動機(jī)，按照上述工況分別采集燃燒分析數(shù)據(jù)及臺架測試數(shù)據(jù)，期間發(fā)動機(jī)控制參數(shù)保持不變，防止多因素影響。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 進(jìn)、排氣壓力

不同工況下進(jìn)、排氣壓力脈沖主要采用平均壓力評價[15]， 平均壓力

式中：n為壓力在曲軸轉(zhuǎn)角為0°～ 720°的1個循環(huán)中采樣點的總數(shù)；i為采樣點編號，i= …，n；pi為一個發(fā)動機(jī)循環(huán)內(nèi)的采樣點i處的排氣壓力，kPa。

外特性各轉(zhuǎn)速下及轉(zhuǎn)速分別為1 200、1 400、1 700 r/min時不同負(fù)荷下的平均排氣壓力和進(jìn)氣壓力分別如圖5、6所示。由圖5a）可知：外特性工況下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min時，優(yōu)化后平均排氣壓力降低10 kPa；轉(zhuǎn)速為2 100 r/min時，優(yōu)化后平均排氣壓力降低20 kPa。由圖5b）、c）、d）可知：轉(zhuǎn)矩相同，隨轉(zhuǎn)速增加，平均排氣壓力降幅由10 kPa增大至17 kPa；轉(zhuǎn)速越高、負(fù)荷越大，優(yōu)化后缸蓋的排氣壓力降低幅度越大。這是因為排氣壓力降低，外特性工況渦前壓力隨之降低，優(yōu)化后缸蓋排氣道的流通能力增大，排氣順暢，可以降低泵氣損失，改善柴油機(jī)的掃氣效率，使得進(jìn)氣量增加。由圖6可知：在各運行工況中平均進(jìn)氣壓力均有不同程度的提高。由圖6中b）、c）、d）可知，轉(zhuǎn)矩增加，平均進(jìn)氣壓力均呈現(xiàn)增大趨勢。

3.2 瞬時放熱率

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，不同轉(zhuǎn)矩下發(fā)動機(jī)瞬時放熱率如圖7所示。

由圖7可知：缸蓋排氣道優(yōu)化后發(fā)動機(jī)的瞬時放熱率高于原排氣道，這是因為優(yōu)化后缸蓋的排氣道進(jìn)氣壓力提升較大，進(jìn)氣流量增加，缸內(nèi)氣體增加，活塞運行到同一位置時缸內(nèi)壓縮氣體的溫度比原排氣道高，噴油后混合氣的著火點提前，由于氣量相比原排氣道充足，缸內(nèi)氣體燃燒效率較高，減少壁面冷卻損失，提高有效熱效率。

3.3 臺架性能試驗

保持發(fā)動機(jī)控制參數(shù)不變，分別對裝配優(yōu)化后的缸蓋排氣道與原排氣道的發(fā)動機(jī)進(jìn)行萬有特性試驗，優(yōu)化后缸蓋排氣道與原排氣道的燃油消耗率的差Δ（be）、NOx比排放的差Δ（eN）、渦前排壓與中冷后壓差的差Δ（p）、進(jìn)氣質(zhì)量流量的差Δ（qm）如圖8所示。

由圖8可知：裝配優(yōu)化后缸蓋排氣道的柴油機(jī)在NOx排放偏低的情況下，渦前排壓與中冷后壓差的差較?。ū脷鈸p失?。?；高轉(zhuǎn)速時進(jìn)氣質(zhì)量流量增大約80 kg/h，低轉(zhuǎn)速時進(jìn)氣質(zhì)量流量增大約30 kg/h；燃油消耗率降低約1 g/（kW·h）。

根據(jù)摸底試驗數(shù)據(jù)，裝配原排氣道柴油機(jī)的NOx比排放約為9 g/（kW·h），裝配優(yōu)化后缸蓋排氣道的柴油機(jī)比原排氣道柴油機(jī)的NOx比排放降低1.0～1.5 g/（kW·h），降低了11%～17%，降幅較大。

綜上，缸蓋排氣道優(yōu)化后，柴油機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量流量增大，NOx排放降低，泵氣損失減小，燃油消耗率減小，提高了柴油機(jī)性能。

4 結(jié)論

1）缸蓋排氣道設(shè)計過程中應(yīng)保證排氣道流通截面積緩慢過渡，防止突增突減；抬升氣道拐角、減少流動分離等措施，可增大排氣道流量因數(shù)，降低泵氣損失。

2）性能試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，進(jìn)氣流量增大，缸內(nèi)壓縮氣體溫度升高，燃燒持續(xù)期縮短，散熱損失小，有效熱效率增加，同時NOx比排放降低11%～17%，缸蓋排氣道結(jié)構(gòu)改進(jìn)后對降低NOx排放有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王興海，謝程寧，寧智.排氣壓力波對柴油機(jī)性能影響的分析[J].柴油機(jī)，2007（5）：13-17.

[2] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3] 韓固勇，鄧建，周駿，等.泵氣平均有效壓力與排氣壓力波關(guān)系的試驗研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2010（5）：61-65.

[4] 葉志榮，譚沛光，楊曜明.柴油機(jī)排氣壓力波的測試與分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2004（8）：134-136.

[5] LIU J P，YANG H Q，ZHAO Z C，et al.Engine gas dynamic similarity based on fundamental pressure wave actions[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報， 2011，29（4）：313-320.

[6] 范曉梅，許勇，楊群立，等.發(fā)動機(jī)排氣壓力波性能仿真分析[J].計算機(jī)仿真，2010，27（2）：282-285.

[7] 劉慧杰，畢玉華，申立中，等.兩缸增壓中冷柴油機(jī)排氣壓力波動與影響因素研究[J].機(jī)械設(shè)計，2016，33（6）：30-35.

[8] 姚春德，傅曉光，紀(jì)兆琳.進(jìn)排氣系統(tǒng)的阻力對車用柴油機(jī)性能影響的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2001（5）：5-7.

[9] 杜巍，劉福水，李志杰.增壓柴油機(jī)排氣壓力變化規(guī)律的實驗研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2009，29（1）：18-22.

[10] 朱駿，王紹明，崔毅，等.增壓6缸柴油機(jī)排氣壓力波變化規(guī)律的試驗研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32（2）：28-32.

[11] 穆振仟.大型船用柴油機(jī)進(jìn)排氣性能的模擬仿真與試驗研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2018.

[12] 黃開勝，張堯，劉剛，等.排氣壓力對發(fā)動機(jī)性能的影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2017，38（5）：108-112.

[13] 劉延波，褚超美，凌建群.增壓柴油機(jī)排氣管壓力波脈動特性的試驗研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2014，35（1）：121-124.

[14] 李加旺，田身軍，李德銀，等.集成排氣歧管缸蓋的設(shè)計與優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2019，36（1）：51-57.

[15] 尹升，畢玉華，張生斌，等.高壓共軌4缸柴油機(jī)進(jìn)排氣壓力波動試驗研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2018，56（5）：1-6.

Effect of the cylinder head exhaust duct structure optimization on

diesel engine performance

LI Lili， ZHAO Peng， JIA Xichen

Abstract：In order to enlarge the exhaust flow coefficient of cylinder head exhaust duct and improve diesel engine performance， a 6-cylinder diesel engine is selected as an example， the structure of cylinder head exhaust channel is optimized， and the engine performance before and after the optimization is studied experimentally. The results show that the average flow coefficient of the cylinder head exhaust duct increases by 6.7% after optimization. The mean value of inlet and exhaust pressure pulse both with original and new cylinder head exhaust duct of diesel engine increases with the increase of torque and speed. The average value of intake pressure of the new cylinder head exhaust duct is larger than that of the original one， and the average value of exhaust pressure is smaller. The combustion duration of the new cylinder head exhaust duct is shortened and its combustion center is closer to the top dead center. NOx emissions are reduced by 11% to 17%， and fuel consumption is reduced by about 1 g/（kW·h）. New cylinder head exhaust duct is more helpful to improve the diesel engine charging efficiency， improve the combustion quality of the working fluid， and then reduce fuel consumption.

Keywords：exhaust pressure;pumping loss;air intake flow;cylinder head exhaust duct;structural optimization（責(zé)任編輯：劉麗君）

收稿日期：2022-08-25

基金項目：山東省重點研發(fā)計劃項目（2020GXGC011004）

第一作者簡介：李麗麗（1981—），女，山東濰坊人，高級工程師，主要研究方向為柴油機(jī)性能開發(fā)，E-mail：lilili@weichai.com。