配氣定時對柴油機(jī)性能優(yōu)化的仿真分析

徐忠康，李明海，王娟

（116028 遼寧省 大連市 大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院）

0 引言

人們對環(huán)境保護(hù)的日益重視，以及高鐵的快速發(fā)展，都對機(jī)車柴油機(jī)提出了更加嚴(yán)苛的要求。在節(jié)能減排的優(yōu)化中，配氣定時對柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有著關(guān)鍵性的影響，影響著缸內(nèi)的燃油是否能有充足的氧氣進(jìn)行燃燒，而且這將影響柴油機(jī)的有效功率（Brake Power）、平均有效壓力（BMEP）、燃油消耗率（BSFC）、碳煙（SOOT）的排放量和氮氧化物（NOX）的排放量。為了優(yōu)化該機(jī)型的部分性能，使用建模仿真手段對該機(jī)型進(jìn)行模擬仿真[1-8]，有助于快速計算出各優(yōu)化方案對柴油機(jī)性能的影響，進(jìn)而尋找出綜合情況最優(yōu)的方案，然后再進(jìn)行實機(jī)驗證，可以縮短周期，節(jié)約經(jīng)費(fèi)，加快優(yōu)化研究進(jìn)程。

1 模型的建立與驗證

1.1 模型建立

采用由美國GAMMA 公司開發(fā)的發(fā)動機(jī)仿真軟件GT-Power，建立16V280 型柴油機(jī)的仿真模型，如圖1 所示。該型柴油機(jī)的參數(shù)如表1 所示。

圖1 16V280 型柴油機(jī)的仿真模型Fig.1 Simulation model of 16V280 diesel engine

表1 16V280 型柴油機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of 16V280 diesel engine

1.2 模型驗證

在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下對負(fù)荷率為25%，50%，75%，100%的工況進(jìn)行仿真值與實驗值[9]的比較，得到有效功率、燃油消耗率、平均有效壓力的對比圖，如圖2 所示。

圖2 仿真值與實驗值對比圖Fig.2 Comparison of simulation value and experimental value

從上面的實驗值與計算值的對比圖可以看出，該仿真模型能夠在允許的誤差范圍內(nèi)仿真出整機(jī)工作時的數(shù)據(jù)，因此該模型的建立是準(zhǔn)確、可靠的，能夠在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行配氣定時優(yōu)化的研究。

2 方案確立與仿真結(jié)果

在尋找最優(yōu)方案過程中，考慮的變量、因素越多優(yōu)化后結(jié)果準(zhǔn)確性越高、可靠性越好，但同時也增加尋找難度與工作量。因未對該機(jī)型進(jìn)行大的改動，依舊采用原機(jī)的進(jìn)排氣門升程曲線。為減少計算量，對配氣定時進(jìn)行±8 °CA 范圍內(nèi)的局部優(yōu)化，以部分改善該機(jī)型的油耗和排放[10-11]。原機(jī)型進(jìn)氣凸輪定時角為442.5 °CA,排氣凸輪定時角為268 °CA，氣門重疊角為120 °CA。原機(jī)的進(jìn)排氣門升程曲線如圖3 所示。

圖3 進(jìn)排氣門升程曲線Fig.3 Intake and exhaust valve lift curve

2.1 進(jìn)，排氣凸輪定時角優(yōu)化方案

排氣門提前開啟可以減少排氣阻力，使排氣更加干凈；進(jìn)氣門延遲關(guān)閉，可以延長進(jìn)氣時間，增加進(jìn)氣量。氣門重疊角適當(dāng)時，可以在氣缸內(nèi)達(dá)到很好的掃氣效果，以減少氣缸內(nèi)的殘余廢氣，達(dá)到降低排放的目的。所以，對進(jìn)排氣凸輪定時角進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計[12-14]，以達(dá)到改變氣門重疊角的目的，以便尋找較優(yōu)的氣門重疊角。

進(jìn)氣凸輪定時角優(yōu)化方案如表2 所示，排氣凸輪定時角優(yōu)化方案如表3 所示。

表2 進(jìn)氣凸輪定時角優(yōu)化方案Tab.2 Timing angle optimization scheme of inlet cam

表3 排氣凸輪定時角優(yōu)化方案Tab.3 Timing angle optimization scheme of exhaust cam

2.2 DOE 優(yōu)化及后處理

使用DOE 對上述的進(jìn)排氣凸輪定時進(jìn)行組合計算，組合后得到的優(yōu)化方案包括81 個不同的進(jìn)、排氣凸輪定時的組合方案，而每個方案又包括25%，50%，75%，100%共4 個負(fù)荷工況，共計324 個優(yōu)化方案。計算完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析。

不同組合對有效功率的影響結(jié)果如圖4所示，不同組合對燃油消耗率的影響結(jié)果如圖5 所示。

從結(jié)果可以分析出，在所有優(yōu)化方案中進(jìn)氣凸輪定時角越小、排氣凸輪定時角越大時，有優(yōu)化效果越好的趨勢，但是無法準(zhǔn)確判斷出綜合情況最優(yōu)的方案。于是將計算完成后的方案，使用有效功率、燃油消耗率、氮氧化物排放量和碳煙排放量作為尋優(yōu)條件，分別對每個工況下的81個方案進(jìn)行尋優(yōu)，找出每個工況下每個條件最優(yōu)的5 個方案，再通過對已尋優(yōu)完成的方案，進(jìn)行最后的綜合分析。方案尋優(yōu)結(jié)果如圖6 所示。

圖5 不同組合對燃油消耗率的影響Fig.5 Effects of different combinations on specific fuel consumption

圖6 方案尋優(yōu)結(jié)果Fig.6 Optimization results of the scheme

由上述尋優(yōu)結(jié)果，在每個工況下的重復(fù)性分布通過分析可得，組合優(yōu)化方案中的方案73 在4種負(fù)荷工況下優(yōu)化覆蓋率2-4-4-4 最高，優(yōu)化的工況范圍最廣，所以綜合來看方案73 是最優(yōu)的方案。方案73 的優(yōu)化組合為，進(jìn)氣門凸輪定時434.5 ° CA，排氣門凸輪定時角276 ° CA，氣門重疊角136 ° CA。這一優(yōu)化組合結(jié)果符合上面云圖分析出的趨勢。對比方案73 與原機(jī)型方案41，結(jié)果如圖7 所示。該方案雖然在有效功率方面改善不明顯，但對燃油消耗率，氮氧化物的排放量和碳煙的排放量有了一定程度的改善。

3 結(jié)論

（1）優(yōu)化計算結(jié)果表明，方案73 的效果最好，使得燃油消耗率平均降低了1%，在25%負(fù)荷時降低了2.1%；氮氧化物的排放量平均降低了3%，在100%負(fù)荷時降低了4.1%，在75%負(fù)荷時降低了4.2%；碳煙的排放量平均降低了34%，在50%負(fù)荷時降低了40%。

（2）在進(jìn)排氣凸輪安裝時，可以通過旋轉(zhuǎn)、調(diào)整凸輪軸的安裝角度，即可以達(dá)到本文中最終的優(yōu)化方案設(shè)計效果，極大節(jié)省了實機(jī)優(yōu)化的時間與成本。

（3）由于設(shè)備和計算時間的限制，只分析了9 個進(jìn)、排氣定時角組合的影響，不完全也不充分，只是在有限的條件下得到了最優(yōu)的改進(jìn)方案，有條件的話可以進(jìn)行更細(xì)致的優(yōu)化，以得到更好的優(yōu)化方案。