某机型柴油机性能优化

周生彬 吕亚斌 刘蒙 李晓鹏 魏喜龙

摘要： 本论文主要从以下几个方面对柴油机的性能进行了优化，以降低能耗减少排放：①在研究燃油系统时，主要考察了供油提前角对性能的影响;②在研究压缩比时，主要考察了压缩比对性能的影响;③在研究配气系统时，主要考察了进、排气门开启角度对性能的影响。

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.

关键词： 柴油机;工作过程;性能优化

Key words： diesel engine;working process;performance optimization

中图分类号：TK422                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0014-04

0  引言

本文对某型号柴油机工作过程进行实验分析。通过优化以提高发动机的动力性和经济型，降低燃油消耗率。主要分析了以下几个方面：①进、排气门开启角度对性能的影响;②压缩比对性能的影响;③供油提前角对性能的影响。

1  喷油提前角对柴油机性能的影响

喷油提前角的合理选择是降低柴油机有害排放物常用的措施之一。喷油提前角决定燃油喷入气缸的时刻，不同的喷油提前角造成喷油时的空气压力、温度、流动状态及活塞位置的不同，并通过影响燃油的滞燃期来影响燃料燃烧的时刻及燃烧时的放热规律，从而影响到整个燃烧过程，最终关系到柴油机的动力性能和经济性能。本节对最大扭矩工况和最大功率工况下，不同的喷油提前角对柴油机动力性和经济性的影响进行研究[1]。

在最大扭矩工况（转速为1500r/min）和最大功率工况（转速为3500r/min）下，喷油提前角对油耗、功率和扭矩的影响，分别如图1、图2所示。从图1和图2中均可以看出：随着喷油提前角的增加，功率和扭矩先增大后减小，油耗先降低后升高，只不过最大功率变工况的变化没有最大扭矩工况的变化明显。造成这些影响的主要原因是喷油提前，滞燃期延长，参与预混合燃烧的燃油增多，所以柴油机的动力性、经济性升高。但是如果喷油提前角过大，预混合燃烧所占的比例过多，由于燃烧始点过早，活塞上行所消耗的有用功将大大增加，也就是说有一部分有用功被抵消掉了，因此发动机功率、扭矩下降，油耗上升。尽管最大功率工况与最大扭矩工况喷油提前角对发动机性能影响的原因相同，但是最大功率工况与最大扭矩工况相比，最佳喷油提前角要提前，原因是如果保持预混合燃烧的时间以秒计不变，那么，随着转速的提高，喷油提前角应该增加，以保证发动机的动力性。因此，为了对柴油机的性能进行优化，在最大扭矩工况燃油消耗率最低，功率、扭矩最大时的喷油提前角14°、15°、16°。在最大功率工况取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大时的喷油提前角19°、20°、21°。

2  壓缩比对柴油机性能的影响

在最大扭矩工况（转速为1500r/min）和最大功率工况（转速3500r/min）下，压缩比对油耗、功率和扭矩的影响，分别如图3和图4所示。从图3和图4可以看出随着压缩比的增加，功率和扭矩均先增加后减小，油耗均先降低后升高，只不过最大功率变工况的变化没有最大扭矩工况的变化明显。造成这种影响的主要原因是随着发动机的压缩比的增加，压缩时所产生的气缸压力与温度相对较高，混合气中的油分子就能气化的更完全，颗粒能更细密，使得燃烧在瞬间内完成，能量释放的更集中，因此发动机的功率和扭矩增加，油耗下降。但如果压缩比过大，温度过高，有一部分燃料来不及与空气混合就直接碳化，导发动机的动力性、经济性都会恶化。为了对柴油机的性能进行优化，取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大时的压缩比，又因涡轮增压柴油机压缩比不能大于24，所以最大扭矩工况和最大功率工况均取最佳压缩比22、23、24。

3  配气相位对柴油机的性能影响

配气机构是发动机的重要部件之一，它的作用是按照发动机每一个气缸内所进行的工作循环和点火顺序要求，定时开启、关闭进、排气门，保证正确的配气相位，完成换气过程，并在压缩行程和做功行程保证气缸的密封性。在这个过程中充足的新鲜空气进入气缸，而废气则及时从气缸排出，气门的提前开启和延迟关闭，能使气缸在进气时最多的吸入足量新鲜空气，在排气时将废气尽可能排干净，可以提高内燃机的动力性和经济性。换气过程就是将燃烧产物排出气缸和把新鲜空气充入气缸的过程，内燃机的性能很大程度上依赖其换气过程，换气过程的好坏将直接影响内燃机的动力性和经济性，它的主要任务就是要尽量将缸内燃烧产物排除干净，尽可能多的充入新鲜空气，配气相位的变化直接影响着内燃机的换气过程，因此为提高内燃机的动力性经济性等指标，需要研究减少进排气流动阻力损失和提高充量系数的措施及方法。合理的配气相位对于提高内燃机功率、降低油耗具有重要影响[2～3]。

3.1 进气提前角对柴油机性能的影响

①最大扭矩工况下（转速为1500r/min），进气提前角对油耗、功率和扭矩的影响，如图5所示。从图中可以看出：随著进气提前角的增加，功率和扭矩先增加后降低，油耗先降低后增加。造成这种影响的主要原因是随着进气提前角的增加，进气行程开始时，进气的流动阻力小，进入缸内的新鲜充量多，有利于提高发动机的动力性和经济性，但进气提前角过大，进气门打开时，缸内的压力较大，导致一部分废气倒流入进气管内，并随进气过程一起进入气缸，增加缸内的残余废气系数，恶化了柴油机性能。为了对柴油机的性能进行优化，取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大时的进气提前角，又因柴油机进气提前角一般为0°～40°。在此取最佳进气提前角16°、18°、20°。

②最大功率工况下（转速3500r/min），进气提前角对油耗、功率和扭矩的影响，如图6所示。随着进气提前角的增加，功率和扭矩增加，油耗降低。造成这种影响的原因是随着转速的增加，每循环所占的时间减小，为了保证以秒计的进气时间不变，随着转速的增加应当适当增加进气提前角。为了对柴油机的性能进行优化，取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大时的进气提前角，又因柴油机进气提前角为0°～40°。因此取最佳进气提前角36°、38°、40°。

3.2 排气提前角度对柴油机性能的影响

在最大扭矩工况下（转速为1500r/min）和最大功率工况下（转速3500r/min），排气提前角对油耗、功率和扭矩的影响如图7、图8所示。随着排气提前角的增加，功率和扭矩均先增加后减小，油耗均先降低后升高，造成这种影响的原因是：排气提前角越大，排气门开启越早，自由排气排出的废气的能量就越多，缸内的残余废气系数就越小，因此有利于提高发动机的动力性和经济性;但此排气提前角过大，排气时缸内的压力较高，本来可以用来做功的气体却被排出了缸外，因此柴油机的动力性和经济性下降。但是，随着转速的增加，每循环所占的时间减小，为了保证排气质量以秒计的排气时间不变，随着转速的增加应当适当增加排气提前角。为了对柴油机的性能进行优化，因此，在最大扭矩工况下取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大时的排气提前角，又因柴油机进气提前角为30°～60°。因此取最佳排气提前角54°、56°、58°。最大功率工况取燃油消耗率最低，功率、扭矩最大时的排气提前角，又因柴油机排气提前角为30°～60°。因此取最佳排气提前角48°、50°、52°。

4  柴油机性能的综合优化

①最大扭矩工况下（转速为1500r/min），研究最佳喷油提前角、压缩比和进、排气提前角对柴油机燃油消耗率、扭矩和功率的影响，如图9-图11所示。选取燃油消耗率最低，扭矩和功率最大时对应的喷油提前角、压缩比和进、排气提前角，从图中可以看出最佳的点为（14，22，20，54）。

②最大功率工况下（转速为3500r/min），研究最佳喷油提前角、压缩比和进、排气提前角对柴油机燃油消耗率、扭矩和功率的影响，如图12-图14所示。选取燃油消耗率最低，扭矩和功率最大时对应的喷油提前角、压缩比和进、排气提前角，从图中可以看出最佳的点为（19，24，40，50）。

从喷油提前角、压缩比和配气相位三方面对燃油消耗率、扭矩和功率就行了优化。得到在最大扭矩工况和最大功率工况下的最优解，如表1及表2所示。

优化后得到在最大扭矩工况下，燃油消耗率最低，扭矩和功率最大的喷油提前角是14°、压缩比是22、进气提前角是20°和排气提前角是54°。优化后的燃油消耗降低了5.1%，扭矩和功率均增加了5.4%。而在最大功率工况下，燃油消耗率最低，扭矩和功率最大的喷油提前角是19°、压缩比是24、进气提前角是40°和排气提前角是50°。优化后的燃油消耗降低了17.8%，扭矩和功率均增加了21.7%。

参考文献：

[1]胡大志，姚喜贵，郑伟.直喷式柴油机燃油系统参数的优化[J].农机化研究，2006（9）.

[2]韦超毅，周丛拒.配气相位对柴油机动力性能的影响[J].森林工，2005（1）.

[3]苏岩，李理光，肖敏，等.可变配气相位对发动机性能的影响[J].汽车技术，2000（10）.