基于GT-Power的机械增压柴油机参数优化分析★

唐锐红，袁文华

（邵阳学院，湖南 邵阳 422004）

引言

如何高效、准确地对发动机进行优化研究，是当代发动机设计研究过程中的重要课题，而数值仿真技术在其中发挥了越来越重要的作用[1]。随着最近几十年里计算机模拟技术的不断发展进步，发动机数值仿真技术逐渐在内燃机研究领域发挥出关键作用，利用仿真技术进行分析计算的功效远超实验研究[2]。喷油时刻对柴油机运行状况影响很大，因此若要保证柴油机有良好的性能，必须对喷油提前角的选择进行研究[3]。而配气相位对柴油机的动力性、经济性以及排放等也有非常显著的影响[4]。柴油机在换气过程中，若能够做到排气彻底，进气充分，则可以提高充气效率，增大柴油机的动力输出并改善其经济性。

1 仿真模型的建立

1.1 柴油机基本参数

柴油机的基本参数对仿真计算结果的准确性有非常大的影响，本文的研究对象为某型单缸柴油机，具体型式为单缸风冷四冲程柴油机，本文所研究单缸柴油机的基本参数如表1所示。

1.2 仿真模型建立

GT-Power软件采用模块化的建模方式，先建立柴油机的各个零部件模块，再依据柴油机的结构布置将各个模块连接起来，组成整个柴油机的仿真模型。在建模时，先根据自己的需要将模块添加到工程图中，然后根据柴油机的实际参数对各个模块进行参数设置即可[5]。本文在单缸柴油机模型的基础上建立了机械增压单缸柴油机模型，需要增加的模块包括机械增压器（压气机模块）、传动轴和传动齿轮，机械增压单缸柴油机模型如图1所示。

2 喷油提前角对柴油机性能的影响

通过仿真计算得到不同喷油提前角下柴油机功率随转速的变化规律如图2所示，从图中可以看出，不同喷油时刻下，柴油机的功率都随转速升高而增大。而从下页图3可以看出，扭矩随转速的变化规律与功率不同，柴油机的扭矩随着转速的升高先增大再有所减小。分析各个喷油时刻下的扭矩变化规律可知，应在低转速时采用较小的喷油提前角，而在高转速时采用较大的喷油提前角，这样能够提高柴油机的输出功率和扭矩，使柴油机具有更好的动力性。

从图4可以看出，喷油提前角对柴油机经济性的影响较大，不同喷油提前角下柴油机效率和油耗率随转速变化的规律不同。柴油机转速低于1 000 r/min时，在上止点前5°CA时刻喷油柴油机的效率最高，油耗率最低；柴油机转速在1 000~2 300 r/min之间时，在上止点前10°CA时刻喷油柴油机的效率最高，油耗率最低；而柴油机转速高于2 300 r/min时，在上止点前15°CA时刻喷油柴油机效率最高，油耗率最低。

3 进气相位对柴油机性能的影响

从图5可以看出，进气阀开启角度对功率的影响较小，柴油机在低转速下运行时有较为充分的充气时间，因此输出功率基本不受进气阀开启角度的影响。当柴油机转速高于3 000 r/min时，进气相位开始对柴油机输出功率产生影响，在高转速下进气阀过早开启会明显降低柴油机的功率输出。

而从图6可以看出，不同进气阀开启角度下柴油机的输出扭矩都随着转速的升高而先增大后减小。在不同转速下进气相位对扭矩的影响不同，低转速下进气阀早开启有利于增大柴油机的输出扭矩，而高转速下相反，进气阀早开启会降低柴油机的输出扭矩。因此在柴油机实际运行中，应该根据柴油机的工作转速和运行工况适当调整其进气提前角，从而改善柴油机的动力性能，提高其输出功率和输出扭矩。

图7 所示为柴油机油耗率的计算结果，从图中可以看出，柴油机在低转速或者高转速下运行时的经济性都较差，尤其低转速运行时柴油机的经济性会急剧下降，而在3 500 r/min左右运行时经济性最好。此外，不同转速下进气阀开启角度对柴油机经济性的影响不同，低转速下进气阀早开启有利于提高柴油机的效率，降低油耗，柴油机的经济性较好，而高转速下进气阀晚开启时柴油机的经济性较好。

4 排气相位对柴油机性能的影响

从下页图8中可以看出，在不同排气阀开启时刻下，柴油机的输出功率都随着转速的升高而增大。当柴油机在低转速下运行时，排气阀开启时刻对功率的影响较小，而在高转速下排气阀开启时刻对功率的影响较大。柴油机在高转速下运行时，排气阀晚开启也就意味着排气阀关闭较晚，气门重叠角增大，从而导致废气回流较多，影响充气效率，从而使得柴油机做功减少，功率降低。

从下页图9中可以看出，柴油机扭矩随着转速的升高先增大后减小，且柴油机在高转速下运行时，排气阀开启时刻对扭矩的影响较大。柴油机高转速下运行时，排气阀开启越早，柴油机扭矩越大；而柴油机低转速下运行时则是排气阀晚开时输出扭矩较大。此外从图中可以看出，排气阀开启时刻对柴油机高转速时的运行状态及性能影响更大。排气阀开启越早，柴油机高转速下的输出功率越大，扭矩输出状况越好，所以排气阀早开启可以改善柴油机高转速下的动力性能，提高其高转速下的动力输出能力。

从图10可以看出，排气阀开启时刻对柴油机经济性有较大影响，尤其是柴油机在中、高转速下运行时，排气阀早开启有利于降低油耗，提高柴油机的经济性。此外从图中可以看出，柴油机的经济性是随着转速的升高而先升高再降低的，柴油机经济性在某一转速下达到最佳。排气阀早开启有利于提升柴油机高转速下的经济性，而在低转速下运行时则是排气阀晚开启较为有利。

5 结论

本文通过建立机械增压式单缸柴油机性能仿真计算模型，进行机械增压柴油机的参数优化分析，针对喷油时刻及进排气相位对柴油机动力性、经济性和排放性能的影响规律进行分析研究。

1）在低转速下采用较小的喷油提前角，而在高转速下采用较大的喷油提前角，对发动机的动力性和经济性较为有利，同时对污染物排放的影响较小；

2）相比于喷油提前角，进排气相位对发动机动力性及经济性的影响较小，而对排放特性的影响较大。当柴油机在高转速下运行时，进气阀较晚开启及排气阀早开有利于提高柴油机的效率，改善燃油经济性，但同时会降低柴油机的动力输出。