缸蓋渦流比對柴油機性能的影響

楊海龍,辛欣,耿磊,趙旭

1.內燃機可靠性國家重點實驗室,山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司,山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機生產過程中,制造公差使批量生產的柴油機的性能和排放具有一定的差異性,也會給整車配套帶來巨大問題[1-3],因此明確柴油機的制造精度對性能一致性的影響,對進一步提升柴油機的品質十分重要[4-5]。當前國內內燃機廠家對影響柴油機性能和排放的各關鍵參數基本為定性判斷,各關鍵零部件及參數的設計邊界及設計公差基本來自加工、工藝、生產控制能力,導致公差設計不合理,其中包括缸蓋渦流比[6-7]。缸蓋渦流比主要通過改變柴油機的充氣效率來影響柴油機的燃燒,從而對排放產生影響[8]。即使發動機性能和排放均滿足開發要求,由于設計公差和生產一致性的差異,也會導致批量生產的缸蓋渦流比在一定范圍內波動。

本文中以某柴油機為研究對象,通過仿真和試驗驗證方法,研究渦流比對排放和燃油消耗率的影響,確定渦流比的最優設計。

1 影響因素分析

1.1 氣道的主要結構及進氣機理

柴油機的進氣道結構主要有切向氣道、螺旋氣道、帶導氣屏的進氣道3種[9],3種進氣道結構如圖1[10]所示。目前柴油機廣泛采用螺旋氣道結構,其進氣示意圖如圖2所示。由圖2可知:進氣沖程開始時,空氣從螺旋氣道的進口流入并流經氣道的最小截面處,經過該截面后,氣體被分為2部分:一部分氣體沿著氣道蝸殼產生旋轉的螺旋氣流,繞氣門中心旋轉,在氣道螺旋坡角β2的導向下,經渦流室、氣門座和氣門環帶間的流通面,流入氣缸;另一部分氣體在氣門導管凸臺及氣道底坡角β1的聯合作用下,經氣門導管凸臺下部后直接穿過渦流室,沿著與氣缸壁面近似相切的方向流向氣缸。以上2部分氣流流入氣缸后,逐步形成繞氣缸軸線旋轉,并趨于穩定的旋轉氣流[11-13]。

a)帶導氣屏氣道 b)切向氣道 c)螺旋氣道

螺旋進氣道部分結構參數示意如圖3所示,其中,β3為主螺旋坡角,β4為副螺旋坡角,H為渦流室高度,e為偏心距,α為氣門錐角[14]。

圖2 典型螺旋氣道進氣示意圖 圖3 進氣道主要結構參數示意圖

1.2 缸蓋氣道制造偏差影響因素

缸蓋生產過程中,加工工藝及精度直接影響缸蓋氣道的結構和形狀,從而影響氣道的渦流比和流量系數,如鑄造時氣道砂芯的漂移以及機加工中的誤差等原因,往往使氣道的位置發生偏心、傾斜和脹大現象。偏離設計要求的氣道渦流比和流量系數,導致發動機燃燒惡化,對柴油機的動力性、經濟性以及排放造成不利影響[15-16]。

2 性能仿真分析

2.1 缸蓋渦流比生產統計

某柴油機缸蓋渦流比設計要求為1.2～1.6,基于統計學原理,從產品中隨機抽取125個缸蓋樣本進行渦流比測試,分析生產過程控制能力。由統計結果可知,125個缸蓋的渦流比為0.72～1.65,過程控制能力僅為0.66,低于控制能力為1.33的設計要求。

基于此生產現狀,研究渦流比波動對柴油機性能的影響,確認當前缸蓋渦流比生產一致性偏差是否滿足性能要求,明確渦流比的最優設計范圍。

2.2 性能仿真

基于某直列6缸增壓中冷重型柴油機,選取轉速為1 900 r/min、轉矩為1 480 N·m作為仿真計算工況,計算不同渦流比下的發動機的NOx排放、AVL483測量的煙度(以下簡稱483煙度)和燃油消耗率,其中渦流比為0.8～1.8,步長為0.1。柴油機主要技術參數如表1所示。

表1 柴油機的主要技術參數

使用Converge三維軟件進行建模,保持其它參數不變,只改變模型中的渦流比,計算不同渦流比下的NOx、483煙度和燃油消耗率,結果如圖4、5所示。

圖4 渦流比波動對排放的影響 圖5 渦流比波動對燃油消耗率的影響

由圖4可知:渦流比為0.8～1.7時,隨著渦流比增大,NOx比排放增大,NOx比排放與渦流比幾乎呈線性關系;渦流比大于1.7時,NOx比排放有所降低;渦流比為0.8～1.1時,483煙度比排放下降明顯,對渦流比的變化較敏感;渦流比大于1.2時,483煙度比排放緩慢增大。

由圖5可知:渦流比增大,燃油消耗率先減小后增大;渦流比約為1.5時,燃油消耗率最小,為181.4 g/(kW·h)。主要原因為渦流比增大,燃油與空氣充分混合,缸內燃燒愈發充分,導致NOx的生成量增大,483煙度的生成量減少,相同工況下的燃油消耗率降低;但隨著渦流比繼續增大,進氣阻力增大,流量系數降低,483煙度和燃油消耗率呈上升趨勢。

綜合考慮渦流比對NOx、483煙度和燃油消耗率的影響,建議控制量產缸蓋的渦流比為1.1～1.4。

3 性能試驗研究

基于該柴油機,對裝配不同渦流比缸蓋的發動機進行臺架試驗,研究渦流比波動對NOx、483煙度和燃油消耗率的影響規律,進而明確此柴油機用缸蓋渦流比的最優設計公差。

3.1 試驗對象與設備

1)柴油機。按照柴油機圖紙及有關技術文件規定制造,裝配合格。

2)缸蓋。通過缸蓋氣道修磨方式,分別制作渦流比為0.65、0.83、1.00、1.15、1.25、1.33、1.50的缸蓋,并檢測合格。

3)試驗用測試設備、儀器、儀表分別為:7500DEGR氣體排放儀、483煙度計、FCD1301柴油機測控系統、AVL735油耗儀、JD445測功機,均校驗合格。

3.2 試驗項目與結果

首先,按照磨合規范進行柴油機磨合試驗,確認柴油機各項參數符合技術要求;在柴油機試驗臺架上,依次更換不同渦流比的缸蓋進行萬有特性試驗,并確認數據有效性,對試驗數據進行分析。設置柴油機缸蓋的基準渦流比為1.0,偏離比為不同渦流比與基準渦流比下的NOx、483煙度比排放的差與基準渦流比下的NOx、483煙度比排放的比。

渦流比波動對標定點柴油機性能影響如圖6、7所示。

圖6 渦流比波動對排放的影響 圖7 渦流比波動對燃油消耗率的影響

由圖6、7可知:渦流比為0.65～1.50時,對NOx比排放的影響較小,偏離比在±5%以內,滿足設計要求(不超過±10%);但渦流比為0.65～1.50時對483煙度比排放的影響較大,最大正偏離為+26%,最小負偏離為-46%,超出性能一致性要求(不超過±25%);渦流比為0.65～1.50時,燃油消耗率偏差不超過±2 g/(kW·h),滿足設計要求;渦流比為1.0～1.3時,對NOx、483煙度和燃油消耗率的敏感性影響較小,建議渦流比為1.0～1.3。

4 結論

對某柴油機缸蓋渦流比進行了生產調查,明確了生產一致性現狀;仿真分析渦流比波動對柴油機性能的影響規律,以仿真結果為基準,進行臺架試驗,研究了不同渦流比對NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響。

1)仿真計算分析表明,綜合考慮渦流比波動對NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響,建議渦流比控制為1.1～1.4。

2)經臺架試驗驗證,綜合考慮渦流比波動對NOx排放、483煙度和燃油消耗率的影響,建議渦流比控制為1.0～1.3。

3)由于燃燒仿真計算精度較低,建議以試驗結果為主, 此發動機渦流比控制為1.1～1.3。

4)柴油機開發過程中,設計渦流比時不僅應考慮設計成本、加工工藝,還應考慮性能、排放一致性,確保發動機可靠性、性能和排放均滿足要求。