柴油机的性能优化方案探究

柴油机的性能优化方案探究
摘要：本文介绍了运用性能分析软件来实现对柴油机工作过程计算分析的方法，在此基础上，依据柴油机的工作原理和特点提出了柴油机性能优化的若干措施，为柴油机工作过程的仿真计算和性能优化提供参考。

关键词：柴油机；仿真计算；性能；优化
前言
柴油机自1892年发明至今，已经历了100多年的改进历程，虽然其工作原理和基本结构没有发生太大的改变，但是其技术性能已经取得了突飞猛进的发展。

随着对动力装置“高功率密度、高效率、高可靠性、低目标特性”的“三高一低”的要求的提出，柴油机的发展面临新的挑战。

在新产品开发的同时，对现有机型的性能优化也是柴油机发展的一个重要方向。

在以前，对柴油机性能的测试只能采取实验的手段，虽多采用单缸机，但仍耗费巨大的人力物力。

随着计算机技术的发展，对内燃机工作过程进行仿真模拟的软件应运而生。

目前，常用的模拟软件有A VL-BOOST、FIRE、SCRYU、FLUENT、FIDAP、GT-Power等。

不同的仿真模拟软件建立模型所需的组分不同，仿真和优化的侧重也各有特色。

例如A VL-BOOST有着强大的发动机稳态和瞬态性能分析功能，尤其适合排气系统、配气相位、喷油提前角的仿真。

而FIRE软件则在冷却水套、缸内喷雾燃烧、HCCI燃烧的模拟计算中占有优势。

1.仿真模型的建立及标定
1.1 建立模型
不同软件建立模型所需的组件不同。

其中，A VL –BOOST软件整机计算模型主要由气缸、进气系统、排气系统、增压器和中冷器组成。

建立模型时前应仔细分析柴油机的实机结构和原件布置形式，在软件的建模区放入相应的元件，用管道进行连接，布置测量点，然后输入结构和性能参数。

这些参数直接影响数值模拟的精度，因此必须保证其准确性。

对于对仿真结果影响较大的参数，可采用试验数据。

1.2 试计算并调整参数
选择仿真中各过程所依据的理论或模型，对某一转速和工况下的柴油机的工作过程进行仿真计算，得到一系列性能指标和图表。

仿真完成后，将计算结果与试验值进行比较，确定各性能指标的误差。

若仿真计算结果的误差过大，则须用试验数据对模型进行校准，以保证模型的可靠性。

2.性能参数优化
在整机模型可靠的基础上，保持转速、负荷、进气温度等边界条件不变，选用不同的排气系统方案、配气相位、喷油提前角等，通过计算分析这些参数的变化对发动机性能的影响，从而为寻找最优方案提供依据。

2.1排气增压系统
排气增压系统利用燃料在柴油机中燃烧后排气的能量对进气加压，增加进气密度，从而在保持气缸工作容积不变的条件下，有更多的新鲜空气进入气缸，因而可以增加循环供油量，提高内燃机各项性能指标。

目前采用的增压排气系统主要有定压增压、MPC 增压、简单脉冲转换器和MIXPC 增压等。

不同的排气增压系统对排气能量的利用、排气时的扫气质量、柴油机的加速性能有着不同程度的影响。

优化时，分别按多种增压排气方式对柴油机工作特性进行分析计算，并根据各排气增压系统在柴油机上布置的便利性，择优选取。

2.2 配气相位
由于受配气机构及其运动规律的限制，气门不可能瞬时完全打开，且气门在刚打开时，气道流通界面小，气体流量小。

为了使柴油机在进气时有更大的新鲜充量，排气时废气排出顺畅，降低排气消耗的推出功，气缸盖上的进、排气门都是提前开启的。

而在进气、排气冲程结束后，为了利用气体流动的惯性，实现过后排气，进、排气门的关闭也有一定的延迟。

进、排气门提前开启、滞后关闭所对应的曲轴转角分别称为进气提前角、进气迟后角、排气提前角、排气迟后角。

因此，在进排气上止点前后，有一个进、排气门同时开启的状态，相应的曲轴转角称为气门叠开角。

增大气门叠开角一方面可以增加进气充量，冷却燃烧室内的高温部件，另一方面会造成气门与活塞运动的干涉。

进行配气相位优化时，首先根据类似机型的有关数据资料，初步定出一个配气相位，再在这个初始的配气相位上依次逐步调整进气关闭角、排气提前角与进排气重叠角等，通过一系列的计算调整，求得最佳配气相位值。

2.3 压缩比
柴油机的另一个主要性能参数是压缩比，它表明缸内空气被活塞压缩的程度。

改变压缩比会使燃烧压力、燃烧温度、排气温度、有效热效率、热负荷同时发生变化，因此对柴油机的压缩比进行优化能有效改善柴油机性能。

优化时，可以尝试不同的压缩比，通过计算获得柴油机在这些压缩比下的工作过程，并进行分析对比，来选择能使柴油机性能达到最佳的压缩比，实际选用时还要兼顾柴油机在设计中对缸内最大爆发压力、排温、压力升高比和机械负荷的要求。

在满足上诉要求的前提下，可以选择较高的压缩比来改善柴油机动力性、经济性等综合性能。

2.4 喷油提前角
喷油提前角是对柴油机的性能有重要影响的参数。

在压缩冲程，气缸内的温度和压力随曲轴转角而增大，如果喷油早，即燃烧进入气缸是的空气温度和压力
较低，使滞燃期长；如果喷油迟，虽初始温度和压力升高，但作用的时间缩短，可能着火前活塞已经开始下行，空气温度和压力降低，也使滞燃期增加，因此存在一个使滞燃期最短的喷油提前角。

滞燃期受柴油机转速、增压压力、增压温度等因素的影响。

喷油提前角对柴油机功率、经济性、排放、排气温度、热效率等性能指标均有影响，优化时应兼顾各个指标。

3.结论和展望
（1）本文根据目前流行的对内燃机工作过程仿真软件的应用，给出了仿真软件使用的一般方法，并结合柴油机的工作原理，提出了若干柴油机性能优化的可行措施，对柴油机性能的优化有一定的指导意义。

（2）柴油机性能优化是一个复杂的过程，任何一个参数的变化，必然会同时影响多个性能指标，有的会使多个性能指标同时提升，有的会产生矛盾的结果。

因此在优化的过程中，应该统筹兼顾，有所取舍，力求获得最优方案。

（3）随着环境问题越来越受到重视，传统的通过实机测试来检测柴油机性能指标的方式显然已经不符合节能减排的要求。

计算机仿真软件的应用不但解决了这一问题，还达到了内燃机优化过程中性能预测的目的。

（4）随着计算机技术的飞速发展和内燃机在开发过程受到越来越多条件的限制，今后将会有一大批界面更加友好、计算更加快速、准确的仿真软件应用于内燃机的设计和优化中。

参考文献：
[1]A VL BOOST User s Guide，2004.
[2]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010.
[3]高伟. 增压柴油机性能模拟与优化计算[J].节能技术，2009，27 （2）
[4]任自中. 中速柴油机性能改进的优化设计[J].内燃机工程，2003，24 （5）
[5]刘骞. 基于A VL-BOOST仿真优化及柴油机性能预测[J].铁道机车车辆，2011，31
[6]白敏丽. 6106 柴油机性能研究及优化[J].工程热物理学报，2008，29 （2）
[7]田翀. 应用Isight集成BOOST对发动机的性能进行优化[J]. 2007年APC 联合学术年会论文。