机械增压柴油机配气相位耦合优化分析

0 引言

面对日趋严峻的能源形势和日益严格的排放法规，发动机开发遇到了前所未有的挑战，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

。配气相位就是进、排气门的开启及关闭时刻，通常是用相对于上止点、下止点曲轴位置的曲轴转角环形图来表示。柴油机进排气门的开启、关闭时刻对气缸的充气效率和换气质量有着很大的影响，能够影响燃烧室内的过量空气系数，改变燃料燃烧质量，从而影响柴油机的动力性、经济性以及排放等。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

。

进、排气阀的开启和关闭时刻都对发动机的性能有一定的影响，并且进气相位还是排气相位对发动机的影响都不是单调变化的，因此对于进气相位和排气相位来说，必然存在一个最优值，从而使得发动机的性能达到最优。从目前的研究结果来看，发动机在不同转速工况下，进排气相位对发动机性能的影响规律并不一致，甚至发动机在低转速工况下和高转速工况下得到的结果完全相反

。从最优控制策略的角度来说，如果发动机的进排气相位是可变并且可控的，那么就有必要在发动机不同转速工况下分别去讨论，从而得到不同转速工况下的最佳进气相位和排气相位。此外，由于进气相位和排气相位都对发动机的性能有明显的影响作用，所以在讨论最优解时需要同时考虑进气阀和排气阀，进行进气相位和排气相位的耦合分析

。

2 分析方法及计算模型

2.1 计算方法

本文主要针对柴油机的工作过程及发动机性能进行一维计算模拟，在计算过程中利用一些广泛应用的经验公式对柴油机的燃料燃烧及缸内传质传热等物理过程进行描述和预测，从而实现对柴油机工作过程的模拟

。对于燃烧过程的模拟计算，通常采用使用最为广泛的Weibe燃烧模型，此模型将缸内整个燃烧过程分为预混合燃烧、主燃烧和尾燃三个阶段，每个阶段的燃烧都用韦伯函数进行描述

。韦伯燃烧模型

如下：

对于传热计算，GT-Power提供了Woschni、flow、Hohenberg、hgprofile等多种传热计算模型以供选择，本文选择软件中的WoschniGT公式

进行气缸传热的计算：

对家乡的爱还表现在积极关注现实社会、了解民情、体贴民意、推动社会发展、国家进步，不消极厌世、无所作为、冷眼旁观、消极应对。其中一个方面表现为敢于追求社会的公平正义敢于为民请命。南通民间流传着许多为民请命的故事，一些人物甚至不惜与基层官吏对抗。在南通全境流传着曹瘦脸了的传说。在天灾频仍，收成亏欠的情况下，通州境内余西盐场的盐民颗粒无收，基层官吏仍然不减税收，赋税照催如故。曹秀升解到情况后非常生气，就将余西盐场连同另外当地十个征税的盐总当作被告，进行上告，基层不理会，又告到扬州运盐都司。最后官府惧怕事情闹大，就免了遭灾地区的盐税。

2.2 仿真模型建立

钠长石化：主要发育在脉内，可分为三个阶段：第一阶段钠长石呈他形叶片状半自形板条状，沿造岩矿物粒间交代或在矿物内呈穿孔状；第二阶段钠长石呈他形状、呈团块状交代产出；第三阶段钠长石呈他形粒状，呈脉状交代产出。

图6和图7所示为发动机在3000r/min转速下的输出扭矩和效率耦合分析计算结果，从图中可以看出，发动机的最优性能区在320°CA(IVO)、100～110°CA(EVO)附近。相比2000r/min，3000r/min工况下的最优区域进一步向左边移动，结合之前的分析结果可以得出结论：发动机在低转速工况下，排气阀较晚开启有利于发动机的动力性及经济性，而当发动机转速升高时，提前排气阀的开启时刻能够使得发动机的动力性及经济性保持最佳的状态。此外发动机性能随进排气阀开启时刻的变化规律和2000r/min工况基本保持一致，呈现非单调的变化规律。通过计算结果可知，与最低的扭矩和效率点对比，经过进排气相位耦合优化之后，发动机3000r/min工况下最优点的扭矩提升了24.8%，效率提升了24.7%。

如图2所示为1000r/min转速工况下的扭矩分析结果，图中的颜色变化代表输出扭矩的变化，颜色由蓝到红代表输出扭矩逐渐增高，右边的图例标识出了不同颜色对应的扭矩区间，可以看到最高输出扭矩达到22N·m左右。从图2中可以看出，进气阀和排气阀开启相位在变化时，发动机的动力性能(扭矩输出)都会受到较为显著的影响，通过比较图中横向的颜色变化和纵向的颜色变化，可以发现由上到下的颜色变化更为显著，由蓝色变为了红色，相较而言横向的颜色变化幅度并不大，只是由橙色变为逐渐加深的红色，这说明相较于排气阀，进气阀的开启相位对发动机动力性有更为显著的影响作用。进气阀在260°CA(上止点前100°CA)左右开启时，发动机的输出扭矩较大，并且在260°CA～340°CA的区间内变化时只是稍有减小，并没有显著的降低，但是在进一步延后到360°CA(上止点)开启的过程中，发动机的输出扭矩出现了骤降，这说明发动机的进气阀需要有一定的开启提前角，如果开启过晚(接近上止点)会对发动机的动力输出造成严重的不良影响。此外排气阀对发动机的扭矩输出也有一定的影响作用，但是与进气阀不同的是，当排气阀开启时刻不断推迟，发动机的输出扭矩呈现先升高后降低的变化趋势，这说明排气阀并不是越早或越晚开启越好，而是存在一个最佳的开启相位。从计算结果可知，排气阀在120°CA～140°CA时开启，而进气阀在280°CA左右开启时，发动机能够得到最高的输出扭矩。

3 结果分析与讨论

本文通过建立机械增压式单缸柴油机性能仿真计算模型，进行机械增压单缸小型柴油机的配气相位进行耦合优化分析，针对进排气相位对柴油机动力性和经济性的影响规律进行分析研究。经过计算分析，本文得到的结论入如下：

2.2.2 说明书虽未明确标明材质属于非铁磁性和弱铁磁性材质植入物，但对行MRI检查规定磁场强度要求或时间要求的，划归为MRI限制类。

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。

除了动力性之外，本节还对发动机的经济性进行了分析，如图3所示为发动机1000r/min转速工况下效率计算结果，计算结果显示效率的变化趋势和扭矩基本一致，当进气阀开启过晚时，发动机的效率会出现迅速降低，而排气阀对发动机效率的影响规律则同样是非单调的。从计算结果可知，发动机在排气阀120°CA～140°CA时开启，进气阀280°CA左右开启时，有效效率达到了最高(32%)，并且当进气阀开启时刻在340°之前时，发动机的效率基本都能够保持在30%以上。经过进排气相位的耦合优化分析，在1000r/min转速工况下，相较于最低的输出扭矩和效率，最优点的输出扭矩和效率分别能够提升54.1%和54.4%，因此本文所做工作对于发动机配气相位的优化有重要的指导意义和实际价值。

图4和图5所示为发动机在2000r/min转速下的输出扭矩和效率耦合分析计算结果，从图中可以看出，在2000r/min工况下，柴油机的输出扭矩和效率依然保持较为一致的变化规律。排气阀开启相位对发动机动力性及经济性的影响规律为：随着排气阀开启时刻的推迟，发动机的动力性和经济性都呈现先提高后降低的变化规律(输出扭矩先增大后减小，效率先升高后降低)。排气阀的影响规律和1000r/min工况下一致，而进气阀的影响规律有所变化：在2000r/min转速工况下，进气阀对发动机性能的影响规律同样呈现非单调性，随着进气阀开启时刻的推迟，发动机的性能先提高后降低(输出扭矩先增大后减小，效率先升高后降低)，在进气阀开启时刻接近上止点时，发动机的性能还是会出现急剧降低。在2000r/min工况下，发动机的最佳性能点位于320°CA(IVO)、110°CA(EVO)附近区域，相比1000r/min工况下，发动机的最佳性能点向左上方移动，即进气阀最佳开启时刻推迟，而排气阀最佳开启时刻提前。经过计算可知，与最低的扭矩和效率点对比，经过进排气相位耦合优化之后，发动机2000r/min工况下最优点的扭矩提升了29.1%，效率提升了29.2%。

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

。在GT-Power中，机械增压器即为涡轮增压器的压气机部分，工作原理和参数设置与涡轮增压器相同，但是压气机模块不和涡轮相连接，而是需要通过传动轴及齿轮和曲轴箱相连接。在单缸柴油机模型的基础上可以建立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。

4 结论

本文将在1000r/min、2000r/min和3000r/min三个转速工况下进行耦合优化分析，这三个转速分别为柴油机低转速工况、中等转速工况和高转速工况的代表转速，所以通过这三个工况的分析基本可以代表发动机的全速域结果。分析的进气阀开启时刻(IVO)从100°BTDC到0°BTDC，排气阀开启时刻(EVO)从100°BBDC到0°BBDC，通过宽广的分析范围，可以得到较为充分的分析结论。扭矩和效率是发动机的两个最重要指标，分别代表发动机的动力性能和经济性，因此本节选择扭矩和有效效率进行计算，从而针对发动机的动力性和经济性进行分析。通过本文的分析讨论，可以为柴油机应用可变气门机构，在不同转速工况下调节进气相位和排气相位，从而最大限度地提升发动机的性能提供理论基础和技术指导。

(1)在1000r/min工况下，排气阀在120°CA～140°CA时开启，而进气阀在280°CA左右开启时，发动机能够得到最高的输出扭矩，相较于最低的输出扭矩和效率，最优点的输出扭矩和效率分别能够提升54.1%和54.4%，

1.3.1 比较联合组与对照组患者治疗效果。显效:患者在治疗后舒张压降低≥10mm Hg并降至正常范围,或者降低≥20mm Hg;有效:患者在治疗后舒张压降低<10mm Hg以内但血压处于正常值,或者降低10至20mm Hg;无效:患者在治疗后血压降幅未达以上标准。治疗总有效率为显效率、有效率之和。

(2)在2000r/min工况下，发动机的最佳性能点位于320°CA(IVO)、110°CA(EVO)附近区域，相比1000r/min工况下，发动机的最佳性能点向左上方移动，最优点的扭矩提升了29.1%，效率提升了29.2%。

(3)发动机3000r/min工况下的最优性能区在320°CA(IVO)、100～110°CA(EVO)附近，与最低的扭矩和效率点对比，最优点的扭矩提升了24.8%，效率提升了24.7%。

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