额定工况下柴油机使用性能优化计算建议的提出

卫志平

摘 要：压缩比、配气相位、进排气均为柴油机性能重要的性能指标，这些性能指标的优化与否，关系到柴油机的正常使用。文章将在了解额定工况下柴油机使用性能优化计算内容的基础上，进而深入研讨优化计算的方法。

关键词：柴油机；额定工况；使用性能；优化计算

1 额定工况下柴油机使用性能优化计算的内容

1.1 柴油机压缩比

柴油机压缩比，为柴油机气缸总容积与燃烧室容积的比值。虽然该比值大小与柴油机转速没有关系，但对柴油机的经济性、机械负荷、起动性能有直接的影响，譬如柴油机压缩比增大后，其运行的爆发压力将骤增，使得柴油机需要承受更大的机械负荷。由此可见，对柴油机压缩机的计算，需分别站在柴油机经济性、机械负荷、起动性能的视角，研讨压缩比优化计算的方法。

1.2 柴油机配气相位

柴油机的配气相位，用于表示进气阀、排气阀在开启和延续时的时间，包括进气提前角、出气提前角、进气滞后角、出气滞后角。其中进气提前角与进气阻力相关，起到扫除燃烧室残余废气的作用；出气提前角的大小，对废气排出阻力有直接影响，太大则会增加废气排出的能量损耗，太小则会增加气缸内工质膨胀功率损失量；进气滞后角控制活塞在到达下止点时进气阀的开度，对于进气流惯性的利用充分与否，有一定的影响；出气滞后角与进气提前角形成气阀重叠关系，关系到废气排出惯性的彻底性。由此可以看出，柴油机进出气的效率水平，受到配气相位的影响，需通过对配气相位的优化计算，为柴油机性能优化提供依据。

1.3 柴油机进排气

柴油机进排气管道阻力的控制，与进排气系统设计的合理性与否具有直接关系，后者可通过充量系数的增大，改善柴油机的进排气，最终改善柴油机的动力性。对柴油机进排气的优化计算，需分别考虑管道的摩擦阻力、管道流通面积大小、管道形状、管道内气体流动方向变化等，借助BOOST软件进行仿真计算，确定额定工况下柴油机性能参数的变化规律，作为进排气系统优化设计的依据。

2 额定工况下柴油机使用性能优化计算的方法

2.1 柴油机压缩比优化计算

2.2 柴油机配气相位优化计算

柴油机的配气相位，与柴油机的进出气有关，进而决定柴油机功率损耗和油耗的高低。对柴油机配气相位的优化计算，应根据实机的情况，在确保凸轮轴型线稳定的情况下，转动进气和出气的凸轮轴，然后偏移调整凸轮轴的相位。作者建议参照凸轮轴偏移前后的对比示意图，借助仿真计算模型，摸索出柴油机性能配气相位的变化规律，最后进行性能的优化。首先是柴油机进出气凸轮偏移量的计算，绘制凸轮偏移量与柴油机爆发压力、容积效率、泵气损失之间的影响趋势图，然后在-4°CA-+4°CA的变化范围内，分析出偏移量在向正方向增大时进气提前角、进气滞后角、出气提前角、出气滞后角之间的关系，最终确定进出气阻力控制的方法。其次是绘制凸轮偏移量与扭矩、功率、油损耗率之间的影响趋势图，同样在-4°CA-+4°CA的变化范围内，分析容积效率变化和泵气平均损失压力降低对柴油机性能参数变化的影响，最后确定柴油机动力性能的优化方法。再次是分析凸轮偏移量与柴油机缸内最高温度、NOx排放量之间的影响趋势关系，确定对进气量降低具有直接影响的充量系数。通過以上的影响趋势分析计算，最终确定进气提前角优化后的角度为66°CA、进气滞后角优化后角度为54°CA、出气提前角优化后角度58°CA、出气滞后角优化后角度56°CA。

2.3 柴油机进排气优化计算

柴油机压气机后中冷器的进气管路扩大之后，压气机出口位置气体的动能，可转换成为压力能，对进气压力的提高，具有较好的帮助。在确定柴油机的进气总管直径偏移值之后，分别通过总管直径的仿真计算，找出进气总管偏移值对柴油机性能影响的变化规律。一方面是分析柴油机总管管径偏移值与扭矩、功率、油耗之间的关系，分析结果显示，进气总管直径增加后，进气的阻力将降低，当直径偏移量达到+20mm时，柴油机的动力性将达到最优化状态；另一方面是分析柴油机总管管径偏移值与充气系数、NOx排放量、排气温度之间的关系，确定总管管径偏移值在+20mm时，柴油机排放性能得到一定程度的改善，但变化情况并不明显。除此之外，柴油机的排气歧管直径的大小，与柴油机性能亦有一定关联，期间借助仿真计算的方法，可掌握歧管直径的变化趋势，并作为整机优化改造的依据，譬如柴油机歧管直径增大后，柴油机的扭矩和功率呈先增后减的趋势，与油耗成反比关系，也就是说，在进行仿真计算后，对柴油机排气歧管进行适当调整，可形成对柴油机油耗的友好控制。经计算，确定柴油机歧管达到65mm时，柴油机的扭矩和功率取最大值，而油耗率则处于最小状态，主要的原因是柴油机排气歧管增加后，排气时的阻力越来越小，在65mm标准值时，柴油机的换气程度得到了改善，其动力自然得以提升。至于充气效率、NOx排出量、排气温度等，与排气歧管直径变化的关系分析，应考虑脉冲增压对充气效率的影响，经仿真计算，确定排气歧管直径的最小值不能低于55mm。最后确定柴油机排气歧管直径的改进设计范围为55-65mm。

3 结束语

综上所述，柴油机使用性能与其压缩比、配气相位、进出气系统有关，可将这三者作为柴油机使用性能优化计算的主要内容，这三方面的计算内容，均需要在柴油机额定工况的条件下，考虑柴油机功能实现的同时，其功耗的大小如何。文章通过研究，基本明确了额定工况下柴油机使用性能优化计算内容和方法，但鉴于不同型号柴油机性能要求的差异性，因此以上方法在实际中的应用，还应该考虑到不同型号柴油机的性能要求，予以灵活的应用。

参考文献

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