柴油機進排氣壓力波動探究

林彬

摘要：進排氣壓力對泵氣損失、充氣質量等各方面都會產生非常重要的影響，為了對柴油機進排氣壓力的波動情況有一個全面的了解，本文以柴油機作為主要的研究對象，對各工況下排氣管的壓力進行簡要分析。

關鍵詞：柴油機；進排氣壓力波動；試驗

前言

作為內燃機之一的柴油機是將柴油噴射到汽缸內與空氣混合，燃燒得到熱能轉變為機械能的熱力發動機，即依靠燃料燃燒時的燃氣膨脹推動活塞作直線運動，通過曲柄連桿機構使曲軸旋轉，從而輸出機械功。柴油機功率大、經濟性能好但是噪音大，隨著人們物質生活水平的不斷提高，相應的對環境質量提出了更高的要求，隨著節能減排相關法規制度的日益完善，各類發動機的排氣問題受到了人們的普遍關注，當然，柴油機也不例外。研究柴油機進、排氣壓力的目的是利用進、排氣管內動力效應改善內燃機的換氣過程，提高內燃機的充氣效率，從而提高內燃機的動力性和經濟性。只有弄清柴油進排氣管中壓力的變化規律，才能采用有效措施對發動機換氣過程進行調整，以此提升發動機的充氣效率。

一、高壓共軌四缸柴油機概況

柴油燃油系統的發展經歷了一個漫長的發展時期，從以往的機械式變成現在的電子式，經歷了幾次變革，即位置式、時間式及共軌系統。而高壓共軌系統的出現，有效彌補了傳統燃油系統存在的不足，實現了壓力及噴射的分離，有效控制油量，從而可以進行多次噴射[1]。

對于四缸柴油機來說，因為氣缸的排氣歧管很多，都連接在一個排氣管上，如果各氣缸間隔進行排氣，在排氣管中會產生壓力，使這種壓力傳輸、反射。通過對壓力波動情況的分析，以此對發動機換氣過程進行適當的調整和改善，可以有效提升發動機的充氣效率。然而，各氣缸間歇性排氣時，排氣歧管中氣體瞬態壓力波動直接影響到廢氣的能量利用率和排氣背壓，從而影響缸內的廢氣排出，出現缸內燃燒變差，經濟特性下降，增壓器渦輪效率降低等現象。同時，各氣缸在進排氣的過程中，進排氣壓力波動的差異也會使得各缸內工作流程的差異，對整機參數的有效控制是非常不利的，更難以將整機的最佳性能發揮出來。并且，排氣壓力變化規律會影響泵氣損失程度及廢氣能量的利用率[2]。

隨著排放標準的逐漸提升，對柴油機的質量及性能要求也逐漸提高。目前國內使用的柴油機類型非常多，共軌、單體泵等等，與國外相比，雖然還存在一定的差異，但仍有很好的發展前景[3]。

二、高壓共軌四缸柴油機進排氣壓力波動試驗方案設計

對各工況下進排氣壓力波動情況主要使用的是壓力波平均值、壓力波均方根以及強度評價。柴油機輸出功率的增加是依賴于增壓或者是超高增壓的方式來完成的，這樣增加了發動機功率，讓發動機的體積變小，從而使安裝在車輛上的發動機更為緊湊。其中，渦輪增壓對柴油機是非常有利的，主要是因為渦輪機調整了工作流程，使進排氣工作更加高效。此外，在有些工況下，還能有效降低廢氣噪聲污染，所以渦輪增壓是目前柴油機最佳的動力源[4]。在具體試驗時，主要使用的柴油機類型是缸徑四缸高壓共軌柴油機。對各工況條件下，柴油機進排氣管的瞬態壓力進行測量，測量時間要控制好，最好是隔0.1度對電力信號進行采集，模擬海拔高度，轉速分別是2200r/min、4000r/min……。各轉速有對應的最大負荷值，其中，最大的負荷值為75%。

三、高壓共軌四缸柴油機進排氣壓力波動測試結果分析

1、排氣管瞬態壓力

經相關試驗及有關資料得出，隨著負荷的不斷增加，壓力波曲線也會隨之提高，在轉速相同，負荷不同的情況下，壓力波曲線轉角變化趨勢是一樣的，與波峰相對的取轉角位置也是幾乎不變的，這是由于柴油機負荷變化情況主要是由噴油量進行調節，而進到氣缸中的空氣量基本不會受到負荷變化的影響。如果發動機的負荷變大，噴油量也會隨之增多，過量空氣系數也會隨之減小，其熱量也會增加，缸內燃燒溫度也會逐漸上升。所以，當負荷增加時，氣缸就會排除大量的廢氣能量，波峰值也會隨之提高[5]。

在柴油機進排氣循環過程中，4個氣缸在排氣的過程中所產生的波峰值也存在一些差異，這是因為各氣缸距壓力波傳感器距離的差異導致的。

在轉速不同的情況下，排氣時排氣管入口壓力會隨著曲軸轉角的變化而變變化。在轉速增加時，排氣壓力相對的曲軸轉角會隨著往后移動，波峰值也會提升。這是因為在排氣管中的壓力波是用聲速來傳播的，排氣長度不發生變化時，若轉速增加，曲軸角度也會隨之增加，所以，才會存在當轉速增加時，壓力波峰會向后移的情況。

2、進氣管瞬態壓力

在上述所提到的各轉速、各負荷情況下，進氣時，進氣管隨壓力曲軸轉角變化趨勢：在負荷增加時，近期壓力波峰值會隨之上升；在轉速不一樣的情況下，進氣壓力波峰值基本不會隨著曲軸轉角的變化而變化，轉角位置也大致不變。當負荷增加時，進氣壓力也會隨著上升，在圖中所示的兩種工況下，進氣壓力值會隨著減小，如果是外特性，3200r/min、4000r/min進氣平均壓力會有所不同，4000r/min進氣平均壓力會比2200r/min進氣平均壓力要小。并且，在負荷增加時，進氣壓力波均方根也會隨之增加，但從進氣波動的整體情況看，并未出現多大的波動[6]。

在各轉速下，進氣壓力波動情況存在明顯的差異，轉速變化、進氣波動強度也會隨之改變，這和進排氣系統整體構成、位置等有著密切的聯系。

四、結論

（1）如果轉速相同，負荷不同，進排氣壓力的變化規律大致是相同的，與波峰值相對的曲軸轉角位置也大致是一致的，與負荷大小并無多大關系，在距進氣門約270°的位置；在負荷增加時，壓力波峰也會明顯提升；而在外特性條件下，轉速增加時，曲軸轉角會向后移動，波峰值也會提升。

（2）當轉速一樣，負荷不同的情況下，排氣壓力的波平均值、壓力波強度等都會隨負荷的加大而逐漸加大。

（3）當轉速一樣，而負荷不同的情況下，波峰值會隨著上升，進氣壓力波動曲線基本不會隨曲軸轉角的變化而變化，轉角位置也大致相同；在進氣壓力波動規律大致一樣，負荷變大時，進氣壓力值也會隨之增大，但波動強度并無多大區別，變化很小。

進排氣壓力的瞬態特性對泵氣損失、充氣效率以及渦輪增壓器廢氣能量利用有重要影響。由于高壓共軌式燃油噴射系統具有可以對噴油定時、噴油持續期、噴油壓力、噴油規律進行柔性調節的特點，該系統的采用可以使柴油機的經濟性、動力性和排放性能都會有進一步的提高。這就需要我們加大對高壓共軌系統的研究力度，使我國的柴油機水平跨上一個新的臺階。

參考文獻

[1]周裕干，丁明，田偉.農用車和輕型機動車及其小缸徑多缸柴油機的現狀和動向[J].山東內燃機，2015，9（02）：215-218.

[2]杜巍，單文詣，劉福水.排氣管結構對多缸增壓柴油機進氣不均勻性的影響[J].北京理工大學學報，2016，12（02）：580-584.

[3]劉慧杰，畢玉華，申立中，等.兩缸增壓中冷柴油機排氣壓力波動與影響因素研究[J].機械設計，2017，3（6）：130-135.

[4]姚春德，傅曉光，紀兆琳.進排氣系統的阻力對車用柴油機性能影響的研究[J].小型內燃機與摩托車，2016，30（05）：125-129.

[5]韓固勇，鄧建，周駿.泵氣平均有效壓力與排氣壓力波關系的試驗研究[J].車用發動機，2017，9（05）：161-165.

[6]丁志國，趙威建，等.兩缸增壓中冷柴油機排氣壓力波動與影響因素研究[J].農業裝備與車輛工程，2018，9（05）：251-259.

（作者單位：海軍工程大學）