柴油机工作过程参数优化方法及其应用分析

郭俊宝，纪新春，康毅，魏达，高志雄

（山西柴油机工业有限责任公司，山西 大同 037036）

研究发现，内燃机工作过程参数计算是较为复杂的工作，属于现代化的计算方法。目前参数计算取得的成果显著，内燃机在工作期间，流动、传热等循环功能的模拟计算结果与实测结果已经可以非常吻合了。在此基础上，可继续应用优化的方法，确保内燃机的性能状态达到最佳，提高内燃机的设计质量。本文将在前人研究的基础上，分析柴油机的参数优化方法，借助GT-Power计算模型，完成相关参数的有效分析，降低柴油机耗能的同时，实现其性能状态的最优化。

1 柴油机模型的建立与验证

1.1 柴油机模型的建立

为深入分析柴油机的应用性能，本文将以GT-Power计算模型为主要工具，以自然吸气柴油机为本次的试验对象，相关的参数见表1。此次试验中，气缸传热模型的主模型为Woschni 模型，标定工况2200r/min 情况下，机械压力损失为160kPa。表2 内容为柴油机燃烧模型主要参数信息。从现实经验了解到，进、排气门流量系数属于重要参数，可借助气道稳流试验获得。

表1 柴油机主要参数

表2 传热以及燃烧模型参数

1.2 模型的验证

图1 为燃烧放热率对比图，从图1 中的计算值和实测值差异中可以看出，两者的区别不大，发展趋势基本一致，由此可以验证模拟计算结果的可靠性。

图1 燃烧放热率的对比

2 柴油机性能的影响因素分析

2.1 喷油定时影响分析

模拟计算时，需要科学保持柴油机标定工况，同时保障其喷油量及燃烧模型处于稳定，不受其他因素影响。在此前提下，分别计算喷油提前角变化值对应的柴油机油耗情况。结合图2 中的数值变化，可以掌握基本的变化规律，28CA 到18CA 范围内，燃油耗率有着不同的变化趋势。由此可以证实，喷油定时的影响较大，对柴油机燃油耗率有着直接的作用。从图2 可以看出，在正常的工况下，柴油机的耗油率会自动随着喷油提前角的变化而变化。到达22CA 附近时，此时的燃油耗率是最低的，仅有243.9g/kW·h。

图2 喷油提前角与燃油耗率的关系

2.2 压缩比影响分析

在实操环节中，压缩比对柴油机的性能影响也是比较强烈的，为了验证这方面的影响，可以取不同区间的压缩比，如14 ～20 不同的压缩比，在此基础上进行模拟计算。结合模拟计算结果可以看出，现实中压缩比增大，会带动燃油耗率降低。从实际试验数据了解到，压缩比从14 平稳过渡到17 时，对应的燃油耗率可以从9下降到8g/kW·h。当压缩比持续上升，从17 提高到20时，柴油机燃油耗率会持续下降，从8 下降到5g/kW·h。以上的变化规律说明，柴油机压缩比在17 以后，燃油耗率虽然依旧在降低，但是下降的幅度偏小。与此同时，功率P 和指示热效率η 的变化影响也需要重视，两者与压缩比的关系是值得深入研究的。现实中，随压缩比的增高，两者提高幅度会减小。通过试验分析发现，压缩比是重要的参数，当其从14 增加到17，会直接让功率P 提高5kW，除此之外指示热效率η 也将在原基础上提高1.1%。同时，缸内最高爆发压力pz 也属于重要的参数，会呈现出明显的变化，基本变化规律是：当压缩比的数值增加（通常情况下位于14 ～20 的范围内时），系统的爆发压力指标会明显上升，但是增加幅度是明显可控的，整体来看，受力比较均匀。实操中，缸内两项重要参数——最高温度和排气温度会因为热效率η 数值的变化出现改变。

2.3 配气定时影响分析

除了上述两方面内容，配气定时的影响也是不容小觑的。在优化配气凸轮时，想要达到理想的效果，应综合考虑多种因素，合理确保原凸轮型线的合理性与不变性。换句话说，在实践环节中需要保障持续角开启角度（重要参数）不改变，与此同时，进排配气相位作平移，在以上操作的保障下，控制好排气门定时相位（开启和关闭）。现实中，配气定时对设备系统性能的影响比较复杂，可分为以下几种情况：（1）进气定时产生的影响分析。结合实践经验可知，随着进气定时延迟，会降低一定的燃油效率。经研究发现，进气迟闭角38CA 时，获得的效果比较明显，柴油机热效率最高。结合现实经验可知，当进气迟闭角小于38CA 这一数值时，热效率、功率变化很小，虽然如此，依旧会影响柴油机性能。（2）排气定时的影响分析。实操阶段，排气提前角增大、泵气损失减小，会让充气效率提升，在排气提前角46CA 状态下达到最高。（3）进排气定时对设备性能的综合影响。现实中，进、排气定时作用下，油耗率的变化规律较为复杂，寻优的结果为：当实际的进气迟闭角为43CA，并且保障设备的排气提前角为48.5CA 时，可以获得最低的燃油耗率。

3 柴油机参数优化方法

3.1 喷油系统优化

柴油机喷油系统较为关键，其系统优化的过程就是使燃油喷射参数性能最佳的过程。结合现实经验可知，可调整的参数包括喷油定时、喷油压力以及喷孔结构等，其中喷油定时属于重点。结合实践经验可知，可通过参数的优化提升柴油机的整体性能，有效抑制预混合燃烧，从而实现耗油量的降低。综上可以看出，减少形成的可燃混合气量（在滞燃期内）是降低碳氢化合物最直接的途径。现实中，喷油系统的优化分别叙述如下。

3.1.1 优化喷油定时

氮氧化物的排放不可控因素多，对柴油机喷油定时的表现非常敏感。实操环节中，为科学优化柴油机性能，可通过延迟喷油的相关设计，合理抑制氮氧化物排放，借助有效的方法从源头降低碳氢化合物量，实现节能降耗目标。但这项操作是有前提的，那就是必须调整燃烧系统，实现其系统性能最优化，同时优化喷油结构，调整相关的采纳数，通过以上措施减少油耗、烟度等，在技术保障下，控制微粒排放方面损失。基于此，为减少延迟喷油形成的不利局面，可借助高的压缩比和喷油压力，科学控制氮氧化物的排放。实操中，喷油定时的检查和调整方法如下。

（1）喷油定时的检查方法包含的类型众多，下面将进行一一介绍。

①冒油法。在盘车至供油点附近，拆下高压油管（高压油泵上的），并接上便于观察的玻璃管，这样就可以分析液面的变化情况。然后将燃油齿条调整到最大供油位，为后续的操作提供便利。缓慢盘车同时，时刻记录液面变化数值，调整相应的喷油提前角。

②照光法。实操中，对于较大的喷油泵，若回油孔高度相等，可在技术保障下拆下泵体的螺钉，然后开始缓慢盘车，科学观察柱塞运动情况。此外，在对面用电筒照明，如果发现柱塞上行的情况，需要将油孔全部封住然后停止盘车，同时记录下该缸的供油始点。

③标记法。实践环节中有些柴油机油泵泵体有着清晰的刻度线，当在不同的工况下滑动刻线位置会发生变化,当其与泵体上的刻线呈现重合时，那么此时显示的数值就是该缸的供油始点。

（2）喷油定时的调整方法，现实中喷油定时的调整方法包括。

①转动凸轮法。通过实践可知，盘车至油泵供油始点是较为重要的过程,松脱油泵凸轮轴直接与法兰盘相连接,盘车至提前角度后，可以将法兰盘重新进行连接牢固，确保实操的科学性。转动凸轮法是将缸的参数一起调整，该方法适用于全部的机型，是一种高效的调节方法。

②升降柱塞法。研究发现，有些油泵下面的顶头存在有效的调节螺钉，顶头调低，定时滞后；顶头调高，定时提前。相比之下，发现升降柱塞法适用性比较有效，仅适用于有调节螺丝的柴油机机型。现实操作中，有调节螺丝的可选用升降柱塞法调节，确保调节效率和质量，如果调节范围超过2°，则要按照技术要求选用转动凸轮法，保障喷油定时调整的可靠性。因为一旦在实操中调节螺丝调节过量，就会有安全隐患出现，可能造成柱塞位置过高现象，增加油泵出油可能性。基于这样的前提，可在转动凸轮法调节后进一步进行连接法兰的固定，保障法兰连接的有效性，减少出现滑位的可能。此外，在升降柱塞法调节后，还需要将螺丝上紧，以免出现位移。

3.1.2 优化喷油压力

除了对喷油定时实施合理优化外，还需要调节喷油压力，保障喷油系统的工作性能。结合现实经验可知，优化喷油压力的效果积极，可有效地改善燃料的使用状态，提升其雾化性能，在技术保障下，使混合气的混合质量得到科学的改善与控制，在精准的控制下让燃烧更加充分，从而降低消耗量。实践证明，由于喷油压力在调节过程中，能改善燃烧过程，同时科学补偿油耗上升。实践中，为减少碳氢化合物，需要凭借技术手段，有效降低喷油压力，保障柴油机运行性能良好。

3.2 压缩比、配气定时优化

具体实践环节中，需要以压缩比、进排气定时等为重要的变量依据，围绕柴油机燃油耗率最优化为目标联合寻优。通过试验数据可以得出结论，压缩比为20、喷油定时为上止点前219CA、进气门提前27.5CA 打开并且迟后40.5CA 关闭，缸内最高温度为2107K，可以满足约束条件。从性能参数对比中可以看出，优化后的柴油机性能参数有了明显提升，燃油效率得到了控制。最高爆发压力（缸内）升高了8%，泵气损失略有下降，与此同时热效率提高了1%。结合前文提到的分析结果可知，喷油定时等因素影响较大，对柴油机性能稳定性的影响是非常直接的，而相比之下，柴油机运行效果与其他运行参数的并关联不大。

3.3 气门技术优化

结合现实经验可知，4 气门技术比较先进，相对于2 气门技术,该模型的性能更加稳定，在燃油耗率曲线上（全负荷速度特性的），4 气门结构优势比较突出，在高转速阶段性能表现非常明显。整体规律是转速越低优势越小。除此之外，功率的变化规律比较好理解，与燃油耗率基本相同。从实操中可以证实，充气效率这一参数在转速高于1500r/min 时，充气效率可以（4 气门的）明显提升。值得关注的是，当转速低于1500r/min，新技术的充气效率反而要比原模型低，这一特征完全彰显了多气门的属性。

4 结语

综上所述，本文基于柴油机GT-Power 模型，对相关影响因素进行了分析，并实施了四变量联合寻优。站在寻优结果的角度，分析了4 气门技术的优势以及柴油机性能参数优化方法。通过性能计算与结果分析可知，在标定工况下，柴油机充气效率的高低至关重要，可适当提高压缩比，实现燃油耗率的降低。