柴油機進氣壓力波模擬臺架試驗研究

王 文，楊天軍，劉新華，陳東峰，張探軍，諸 剛，金玉梅，郭海濱

（1.中國北方發動機研究所，山西 大同 037036；2.北京農業職業學院，北京 102442；3.駐河北華北柴油機有限責任公司軍事代表室，河北 石家莊 050081）

單缸機試驗臺作為整機研發設計與系統匹配的基礎驗證平臺，其試驗技術研究是柴油機研制的重要工程基礎，是柴油機核心技術突破所必經的研究階段。為滿足高功率密度柴油機研發需要，單缸試驗技術的研究已刻不容緩，作為單缸試驗技術突破的關鍵，在單缸柴油機平臺上進行整機進、排氣特性的模擬成為國內外研究的熱點。

單缸機和多缸機氣缸數不同，進、排氣系統結構不一致，其工作條件有很大差別，特別是在模擬脈沖增壓工況時，進、排氣管中的壓力波波形和頻率是隨缸數和轉速變化的，所以要想做到單缸機的進、排氣與多缸機完全一致是不可能的。本研究通過在單缸機進氣管上加裝特定的模擬裝置，合理選擇參數，使其盡可能與整機進氣相似，在單缸和整機之間建立一定的比對關系。

1 單、多缸柴油機進氣壓力波特征分析

為準確獲取單、多缸柴油機進氣管內的壓力變化情況，利用仿真計算和臺架實測兩種手段進行。在132系列單、多缸柴油機臺架上利用DEWETRON燃燒分析儀和KISTLER進氣壓力波傳感器進行了進氣壓力波的測量，獲取了132系列單、多缸柴油機進氣管內壓力變化曲線（見圖1和圖2）。根據1015系列單、多缸柴油機參數及進氣管結構，利用一維仿真計算軟件boost建立仿真計算模型，通過計算獲取了理想狀態條件下的單、多缸進氣管內壓力變化曲線（見圖3和圖4）。

單缸柴油機采用模擬增壓進氣系統，進氣通過模擬增壓進氣系統經進氣管直接進入氣缸。由圖1可以看出，在單缸機的每個進氣沖程內，進氣壓力逐漸衰減，直至進氣門關閉。而圖3為仿真計算的氣缸進氣壓力變化情況，可以看出，在單缸機進氣沖程內，自進氣門開啟至關閉期間，進氣壓力同樣也呈現出衰減趨勢，但卻與圖1實測壓力變化有很大區別。原因在于兩點：第一，兩者上止點定義不在同一個曲軸轉角，為便于看清單缸機一個工作循環內的進氣壓力波動情況，采用燃燒分析儀測量進氣壓力時，把排氣結束活塞達到上止點時刻的曲軸轉角定義成了“零度轉角”（見圖1）；第二，采用boost軟件仿真計算時，僅設定了單缸機某個工況點進氣壓力變化情況，沒有能模擬出整個工作循環的進氣壓力變化情況，且一維仿真結果為理想壓力變化趨勢，進氣沒有干擾因素。但通過圖1和圖3的對比分析可以看出，在單缸機的每一個工作循環內，進氣管內的壓力均呈逐漸衰減趨勢，過渡平緩，有相似的變化趨勢。而通過圖2和圖4的對比分析，可看出仿真計算結果和實測結果差異較大，原因在于理想狀態下的仿真計算忽略了其他氣缸的進氣干擾和進氣歧管本身結構的影響，所以實測進氣管內壓力較理想狀態呈現出不規則波動。

2 模擬方案的選擇

由上述測試與仿真計算結果的對比可知，多缸柴油機進氣管內的不規則壓力波動主要是由于其他氣缸進氣門開合對進氣造成的壓力沖擊，同時受進氣歧管自身結構約束影響的結果，如若在單缸試驗臺上模擬多缸柴油機進氣管內的不規則壓力變化狀態，就需在單缸進氣時在進氣管內增加外部不規則的氣流沖擊。

為在單缸試驗臺上完成整機進氣狀態的模擬，國內外已開展了諸多相關研究。通常是在單缸機缸蓋上安裝近似多缸機進氣歧管結構的進氣管或直接采用多缸進氣歧管，在每個進氣支管上引出放氣管路，其上安裝有電磁閥和氣體流量計，利用電磁閥的開合來模擬多缸柴油機各氣缸氣門的開閉，并同時測量排出的氣體流量（見圖5）。但目前電磁閥的開合響應速度無法趕上柴油機氣門開閉的速度，柴油機氣門開閉大約需42ms，而電磁閥開合需要200～300ms，且電磁閥通徑越大，響應速度越慢，故無法滿足模擬控制需要，導致單缸臺架上整機進氣壓力模擬效果不佳。還有其他形式的模擬方案，比如采用整機缸蓋、外置氣源增減壓模擬控制等等，但都存在經費投入大、結構復雜、實用效果不明顯等問題。

本研究采用進氣“反射”原理來完成進氣壓力波的模擬試驗。在原有單缸柴油機進氣管結構基礎上進行改造設計，改變其結構形態，使其在進氣方向上生出多個“氣穴腔”，即形成進氣壓力波模擬試驗裝置（見圖6）。進氣管上“氣穴腔”的設置使得氣流通過時發生渦旋和氣體反沖，進氣管內的壓力隨之產生波動，近似整機其他氣缸氣門開合和進氣歧管結構對進氣產生的影響。該模擬試驗裝置可根據研究的需要，在一定范圍內調整“氣穴腔”的數量和容積大小，以模擬出不同的壓力波形。

由于受條件所限，以前單缸模擬試驗系統的設計以經驗設計為主，對不同方案進行實際驗證，擇優選擇，無法進行整體優化設計。隨著現代仿真技術的發展，利用仿真軟件對進氣模擬系統進行仿真和匹配計算成為可能。本研究利用Boost仿真軟件建立單缸機進氣管帶有“氣穴腔”模擬進氣系統模型，對“氣穴腔”容積進行優選。圖7示出仿真計算結果，從圖7與圖3的對比可知，氣穴腔的設置可以使進氣管內的壓力發生波動。

3 試驗驗證

在制作模擬進氣系統時，單缸機進氣管主體結構保持不變，在其上間隔布置不同規格的“氣穴腔”。為獲取“氣穴腔”容積及組合方式對進氣壓力的影響規律，設計了容積分別為0.2L，0.32L和0.5L的3種規格的“氣穴腔”，兩兩組合安裝于單缸進氣管上，形成6種形式的進氣壓力波模擬裝置。進氣管“氣穴腔”和單缸機進氣模擬進氣管見圖8和圖9。

在110單缸機上開展試驗，試驗設備包括Alpha160電渦流測功器、AVL415S油耗儀、FMT500－IG空氣質量流量計、DEWETRON燃燒分析儀和KISTLER進氣壓力波傳感器等。選取柴油機3600r／min時的標定工況點進行驗證，待單缸機出水溫度保持在70℃、出油溫度保持在75℃時開始進行進氣壓力波測量和性能數據記錄。

性能參數數據均在柴油機工況穩定1min后同步記錄，主要數據見表1。設置進氣壓力傳感器采集頻率為0.1ms，在柴油機的每個工作循環內（即1／60s）采集2000多個進氣壓力數據，然后繪制出進氣壓力變化圖形。采用不同進氣壓力波模擬裝置測試出的進氣壓力變化曲線見圖10至圖15。

表1 進氣模擬裝置試驗數據

由表1可看出，單缸機功率在60kW時，不同的進氣模擬裝置對單缸性能產生了不同程度的影響，表現為進氣量減小、油耗增高和排氣溫度上升等，并且“氣穴腔”容積越大、大容積“氣穴腔”距離柴油機進氣口越近，上述現象越明顯。同樣，從進氣壓力波形來看，“氣穴腔”容積越大、大容積“氣穴腔”距離柴油機進氣口越近，進氣波動越大。不規則進氣波動的加劇，會影響缸內進氣量，進而影響單缸柴油機性能，該方法的研究證實了通過單缸柴油機預測多缸柴油機性能的可行性。

4 結束語

通過在單缸柴油機試驗臺上開展的進氣管壓力波模擬試驗研究，驗證了通過在進氣管上布置“氣穴腔”來模擬整機進氣壓力波動的可行性。“氣穴腔”模擬試驗裝置可造成進氣不規則的壓力波動，模擬出不規則的整機進氣壓力變化。但是，因有許多復雜影響因素，單缸模擬整機增壓進氣壓力與實際情況難以做到完全相同，但通過該模擬方法的研究，在單缸機進氣管上加裝特定的模擬裝置，并合理設計、精心調試，單缸模擬整機進氣壓力試驗仍然是研制和改進柴油機設計的一種有效方法。為找到更準確的單缸柴油機與多缸柴油機之間的對比關系，今后進氣壓力波模擬研究需要結合排氣壓力模擬一起進行。

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