现代柴油机性能预测

李树生，李林科，王令金，董占春，李 丹

（济南柴油机股份有限公司，山东济南250306）

CAE已经大量应用于现代柴油机设计，采用这种先进的设计分析技术，可以加快新产品研发进度，减少试验件的投制和各种对比方案试验的工作量，进而减少样机开发的成本。

对新研制的船用柴油机的概念设计，利用CAE技术和设计分析经验进行了整机性能计算，预测了发动机整机性能，确定了配气定时、增压匹配方案。

1 计算模型

计算模型中包括增压器、中冷器、进气腔、进排气管和气缸（图1所示）。该模型中管25，26和单向阀R1形成进气旁通阀，可以模拟在低负荷时打开进气旁通阀时发动机的性能。模型中考虑管道内的一维气体动力特性，通过对发动机工作循环和气体交换过程分析，可以对新设计柴油机的经济性和动力性指标进行准确的预测。

图1 整机计算模型

2 确定进气系统和排气系统几何尺寸

2.1 进气系统几何尺寸

进气系统和排气系统的几何尺寸的确定是本着发动机压力损失最小和较短瞬态响应原则确定的，为减少整个进气系统的压力损失，建议进气管中所有的弯管应该光滑，避免锐边和弯曲半径过小。连接到压气机的管路和增压器的法兰大小有关，应保证空气流量速度低于限值。通过对比计算确定：压气机进口管子直径φ229 mm；压气机和中冷器之间的管最小直径φ175mm；中冷器和进气腔之间的管最小直径φ250mm；进气腔容积大约400L；进气门座内径φ79mm。

2.2 排气系统几何尺寸

通常排气系统的容积稍微小于进气系统的容积。为了达到可接受的瞬态反应效果，排气系统应该保持较小容积，而且应采用一个脉冲转换器系统。另一方面必须有足够的容积来减少气缸之间的相互作用，减少压力损失。通过计算推荐的排气支管直径为180mm是一个很好的折中方案。考虑到整个系列化机型的通用性，排气系统采用MPC。连接到涡轮机的管路和增压器的法兰大小有关，应保证空气流量速度低于限值。

通过对比计算确定：排气总管的内径φ180mm；涡轮进口直径φ153mm；排气阀座内径φ79mm。

3 气门正时

气门正时影响发动机容积效率、高压循环的指示效率以及发动机的泵气损失。因此，这是提高发动机性能的最重要因素之一。

3.1 排气门开启时刻

排气门开启时刻（EVO）对燃油消耗率产生主要影响。延迟排气门开启时刻可以加大膨胀冲程，因此提高高压循环效率。但是，如果选择的排气门开启时刻太延迟，缩短已燃烧气缸内气体的交换时间，这将增加发动机的泵气功。关于排气门开启时刻优化的问题，应在高压循环和气体交换之间取一个平衡。

排气门开启时刻的优化对比方案在图3中给出，各种排气门开启时刻方案对发动机性能参数的影响见图2。结果显示排气门开启时刻选择135°是折衷方案，可以保证气门与活塞间间隙，也可以使整个转速范围内各工况燃油经济性、排气温度满足要求，另外对容积效率的影响也很小。

3.2 进气门关闭时刻

进气门关闭时刻（IVC）对容积效率影响很大，延迟IVC可以使发动机有足够的时间吸入新鲜空气，从而提高容积效率。但如果IVC正时太延迟的话，通过发动机的空气流量反而减少，因为已经吸入的空气又随着活塞的向上运动回到进气道。进气门早关可以降低燃烧开始时的交换气体温度，从而降低爆发温度减少氮氧化物的排量。为了满足NOx排放标准，采用了进气门早关的Miller循环，同时为了保证在发动机的整个运行范围内有足够的过量空气系数，选用更高压比的增压器来补偿减少的容积效率。

图2 排气门开启时刻对发动机性能的影响

图3 排气门开启时刻的的优化对比方案

图4 进气门关闭时刻的的优化对比方案

图5 进气门关闭时刻对发动机性能的影响

图4列出了进气门关闭时刻的各种对比方案，在各负荷下IVC对发动机性能的影响在图5中给出。选择在上止点后538°进气门关闭的Miller循环，较常规的进气门早关，将适当降低容积效率，燃油消耗率保持基本不变，稍微会升高涡轮前排气温度，但会明显降低NOx排放。此气门正时方案意味着更高增压器压比，以保证所需要的过量空气系数，这需要一个更小的涡轮。

3.3 气阀重叠

气门重叠（VO）影响通过发动机的空气流量和泵损失。增加气门重叠可以减少换气过程上止点的压缩残余气体量，减少发动机的泵气功损失。增加气门重叠将增加排气扫气系数，降低排气温度和燃烧室零部件的热负荷。如果选择的气门重叠过大，反而对空气流量产生副作用，因为当排气门和进气门都打开时，前一个气缸的排气脉冲波会对排气产生干扰。另外气门重叠选择受气门和活塞间允许的最小间隙的限制。因此，需要寻找气体交换和燃烧质量兼容的设计方案。对于气门重叠的优化方案在图7中给出，气门重叠方案对发动机性能的影响见图6。结果显示，气门重叠期为72°对于气体交换、排气温度和气阀—活塞的间隙限制是最好的折中方案。

图6 气门重叠的优化方案

4 进气旁通系统

高增压发动机按船用螺旋浆推进特性曲线运行时，经常会遭受在部分负荷（25%～50%负荷）空气流量不足的情况，这将导致排气温度高、冒黑烟以及压气机喘震。为了解决低负荷时的问题，采用了发动机进气旁通系统，在中冷器后进气管路中引一股空冷气，通过一个旁通阀控制其直接进入涡轮前面的排气管中。旁通控制阀只有在负荷低于50%时才打开，在高负荷时关闭。引入的这股冷空气将增加涡轮的流量，使增压器向高效区移动，增加了压气机压比。这样实际进入气缸内的空气流量增加，改善了气缸内燃烧状况，降低了排气温度。不带和带进气旁通阀对发动机性能的影响见图8和图9。

5 发动机整机性能预测

按照船用螺旋浆推进特性曲线，预测了发动机在各负荷工况下的平均有效压力、燃油消耗率、气缸爆发压力、容积效率、过量空气系数（图10、图11）。

6 试验测量值与计算结果对比

表1列出了样机试验实测值与模拟计算值的对比，可以看出偏差微小。由于为了满足更严格的排放法规，增大了增压器的压比，牺牲了一些经济性指标，导致试验测量的油耗、过量空气系数和爆压稍大于计算值。

图7 气门重叠对发动机性能的影响

图8 不带进气旁通阀发动机的性能

图9 带进气旁通阀发动机的性能

图10 柴油机平均有效压力和比油耗预测

图11 柴油机爆压、容积效率和过量空气系数预测

表1 试验实测值与模拟计算值对比

7 结 论

（1）通过样机试验验证，整机性能计算预测的发动机性能是正确的；

（2）计算确定的进气、排气系统几何尺寸，能够满足柴油机的要求；

（3）计算确定的配气定时方案能使柴油机满足性能和排放的要求；

（4）采用进气旁通能改善低负荷时发动机的性能。

［1］ 西安交通大学内燃机教研室编.内燃机原理［M］.北京：中国农业机械出版社，1981.

［2］ 易生海，等.D114B船用柴油机的性能预测和优化计算·柴油机［J］.2002，（2）：19－22.