某機型柴油機性能優化

周生彬 呂亞斌 劉蒙 李曉鵬 魏喜龍

摘要： 本論文主要從以下幾個方面對柴油機的性能進行了優化，以降低能耗減少排放：①在研究燃油系統時，主要考察了供油提前角對性能的影響;②在研究壓縮比時，主要考察了壓縮比對性能的影響;③在研究配氣系統時，主要考察了進、排氣門開啟角度對性能的影響。

Abstract： This paper mainly optimizes the performance of the diesel engine from the following aspects to reduce the energy consumption： ①When studying the fuel system， the influence of the oil supply advance angle is mainly investigated on the performance;

②When studying the compression ratio， the influence of the compression ratio is mainly investigated. ③When studying the gas distribution system， the influence of the inlet and exhaust door opening angle on the performance is mainly investigated.

關鍵詞： 柴油機;工作過程;性能優化

Key words： diesel engine;working process;performance optimization

中圖分類號：TK422 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0014-04

0 ?引言

本文對某型號柴油機工作過程進行實驗分析。通過優化以提高發動機的動力性和經濟型，降低燃油消耗率。主要分析了以下幾個方面：①進、排氣門開啟角度對性能的影響;②壓縮比對性能的影響;③供油提前角對性能的影響。

1 ?噴油提前角對柴油機性能的影響

噴油提前角的合理選擇是降低柴油機有害排放物常用的措施之一。噴油提前角決定燃油噴入氣缸的時刻，不同的噴油提前角造成噴油時的空氣壓力、溫度、流動狀態及活塞位置的不同，并通過影響燃油的滯燃期來影響燃料燃燒的時刻及燃燒時的放熱規律，從而影響到整個燃燒過程，最終關系到柴油機的動力性能和經濟性能。本節對最大扭矩工況和最大功率工況下，不同的噴油提前角對柴油機動力性和經濟性的影響進行研究[1]。

在最大扭矩工況（轉速為1500r/min）和最大功率工況（轉速為3500r/min）下，噴油提前角對油耗、功率和扭矩的影響，分別如圖1、圖2所示。從圖1和圖2中均可以看出：隨著噴油提前角的增加，功率和扭矩先增大后減小，油耗先降低后升高，只不過最大功率變工況的變化沒有最大扭矩工況的變化明顯。造成這些影響的主要原因是噴油提前，滯燃期延長，參與預混合燃燒的燃油增多，所以柴油機的動力性、經濟性升高。但是如果噴油提前角過大，預混合燃燒所占的比例過多，由于燃燒始點過早，活塞上行所消耗的有用功將大大增加，也就是說有一部分有用功被抵消掉了，因此發動機功率、扭矩下降，油耗上升。盡管最大功率工況與最大扭矩工況噴油提前角對發動機性能影響的原因相同，但是最大功率工況與最大扭矩工況相比，最佳噴油提前角要提前，原因是如果保持預混合燃燒的時間以秒計不變，那么，隨著轉速的提高，噴油提前角應該增加，以保證發動機的動力性。因此，為了對柴油機的性能進行優化，在最大扭矩工況燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的噴油提前角14°、15°、16°。在最大功率工況取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的噴油提前角19°、20°、21°。

2 ?壓縮比對柴油機性能的影響

在最大扭矩工況（轉速為1500r/min）和最大功率工況（轉速3500r/min）下，壓縮比對油耗、功率和扭矩的影響，分別如圖3和圖4所示。從圖3和圖4可以看出隨著壓縮比的增加，功率和扭矩均先增加后減小，油耗均先降低后升高，只不過最大功率變工況的變化沒有最大扭矩工況的變化明顯。造成這種影響的主要原因是隨著發動機的壓縮比的增加，壓縮時所產生的氣缸壓力與溫度相對較高，混合氣中的油分子就能氣化的更完全，顆粒能更細密，使得燃燒在瞬間內完成，能量釋放的更集中，因此發動機的功率和扭矩增加，油耗下降。但如果壓縮比過大，溫度過高，有一部分燃料來不及與空氣混合就直接碳化，導發動機的動力性、經濟性都會惡化。為了對柴油機的性能進行優化，取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的壓縮比，又因渦輪增壓柴油機壓縮比不能大于24，所以最大扭矩工況和最大功率工況均取最佳壓縮比22、23、24。

3 ?配氣相位對柴油機的性能影響

配氣機構是發動機的重要部件之一，它的作用是按照發動機每一個氣缸內所進行的工作循環和點火順序要求，定時開啟、關閉進、排氣門，保證正確的配氣相位，完成換氣過程，并在壓縮行程和做功行程保證氣缸的密封性。在這個過程中充足的新鮮空氣進入氣缸，而廢氣則及時從氣缸排出，氣門的提前開啟和延遲關閉，能使氣缸在進氣時最多的吸入足量新鮮空氣，在排氣時將廢氣盡可能排干凈，可以提高內燃機的動力性和經濟性。換氣過程就是將燃燒產物排出氣缸和把新鮮空氣充入氣缸的過程，內燃機的性能很大程度上依賴其換氣過程，換氣過程的好壞將直接影響內燃機的動力性和經濟性，它的主要任務就是要盡量將缸內燃燒產物排除干凈，盡可能多的充入新鮮空氣，配氣相位的變化直接影響著內燃機的換氣過程，因此為提高內燃機的動力性經濟性等指標，需要研究減少進排氣流動阻力損失和提高充量系數的措施及方法。合理的配氣相位對于提高內燃機功率、降低油耗具有重要影響[2～3]。

3.1 進氣提前角對柴油機性能的影響

①最大扭矩工況下（轉速為1500r/min），進氣提前角對油耗、功率和扭矩的影響，如圖5所示。從圖中可以看出：隨著進氣提前角的增加，功率和扭矩先增加后降低，油耗先降低后增加。造成這種影響的主要原因是隨著進氣提前角的增加，進氣行程開始時，進氣的流動阻力小，進入缸內的新鮮充量多，有利于提高發動機的動力性和經濟性，但進氣提前角過大，進氣門打開時，缸內的壓力較大，導致一部分廢氣倒流入進氣管內，并隨進氣過程一起進入氣缸，增加缸內的殘余廢氣系數，惡化了柴油機性能。為了對柴油機的性能進行優化，取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的進氣提前角，又因柴油機進氣提前角一般為0°～40°。在此取最佳進氣提前角16°、18°、20°。

②最大功率工況下（轉速3500r/min），進氣提前角對油耗、功率和扭矩的影響，如圖6所示。隨著進氣提前角的增加，功率和扭矩增加，油耗降低。造成這種影響的原因是隨著轉速的增加，每循環所占的時間減小，為了保證以秒計的進氣時間不變，隨著轉速的增加應當適當增加進氣提前角。為了對柴油機的性能進行優化，取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的進氣提前角，又因柴油機進氣提前角為0°～40°。因此取最佳進氣提前角36°、38°、40°。

3.2 排氣提前角度對柴油機性能的影響

在最大扭矩工況下（轉速為1500r/min）和最大功率工況下（轉速3500r/min），排氣提前角對油耗、功率和扭矩的影響如圖7、圖8所示。隨著排氣提前角的增加，功率和扭矩均先增加后減小，油耗均先降低后升高，造成這種影響的原因是：排氣提前角越大，排氣門開啟越早，自由排氣排出的廢氣的能量就越多，缸內的殘余廢氣系數就越小，因此有利于提高發動機的動力性和經濟性;但此排氣提前角過大，排氣時缸內的壓力較高，本來可以用來做功的氣體卻被排出了缸外，因此柴油機的動力性和經濟性下降。但是，隨著轉速的增加，每循環所占的時間減小，為了保證排氣質量以秒計的排氣時間不變，隨著轉速的增加應當適當增加排氣提前角。為了對柴油機的性能進行優化，因此，在最大扭矩工況下取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的排氣提前角，又因柴油機進氣提前角為30°～60°。因此取最佳排氣提前角54°、56°、58°。最大功率工況取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大時的排氣提前角，又因柴油機排氣提前角為30°～60°。因此取最佳排氣提前角48°、50°、52°。

4 ?柴油機性能的綜合優化

①最大扭矩工況下（轉速為1500r/min），研究最佳噴油提前角、壓縮比和進、排氣提前角對柴油機燃油消耗率、扭矩和功率的影響，如圖9-圖11所示。選取燃油消耗率最低，扭矩和功率最大時對應的噴油提前角、壓縮比和進、排氣提前角，從圖中可以看出最佳的點為（14，22，20，54）。

②最大功率工況下（轉速為3500r/min），研究最佳噴油提前角、壓縮比和進、排氣提前角對柴油機燃油消耗率、扭矩和功率的影響，如圖12-圖14所示。選取燃油消耗率最低，扭矩和功率最大時對應的噴油提前角、壓縮比和進、排氣提前角，從圖中可以看出最佳的點為（19，24，40，50）。

從噴油提前角、壓縮比和配氣相位三方面對燃油消耗率、扭矩和功率就行了優化。得到在最大扭矩工況和最大功率工況下的最優解，如表1及表2所示。

優化后得到在最大扭矩工況下，燃油消耗率最低，扭矩和功率最大的噴油提前角是14°、壓縮比是22、進氣提前角是20°和排氣提前角是54°。優化后的燃油消耗降低了5.1%，扭矩和功率均增加了5.4%。而在最大功率工況下，燃油消耗率最低，扭矩和功率最大的噴油提前角是19°、壓縮比是24、進氣提前角是40°和排氣提前角是50°。優化后的燃油消耗降低了17.8%，扭矩和功率均增加了21.7%。

參考文獻：

[1]胡大志，姚喜貴，鄭偉.直噴式柴油機燃油系統參數的優化[J].農機化研究，2006（9）.

[2]韋超毅，周叢拒.配氣相位對柴油機動力性能的影響[J].森林工，2005（1）.

[3]蘇巖，李理光，肖敏，等.可變配氣相位對發動機性能的影響[J].汽車技術，2000（10）.