107_柴油机低速扭矩提升_锡柴_李娟

柴油机低速扭矩提升
李娟，张艳辉，姬腾飞，韩小强
（一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂，无锡）
[摘要] 本文以一款直列六缸增压中冷柴油机为研究对象，使用A VL BOOST软件[1]建立了发动机仿真模型，并对该机的低速提扭潜力进行了分析。

首先通过DOE分析方法对发动机配气相位进行了优化，使得发动机的进气量在原机基础上得到较大提升；然后通过调整喷油正时等参数使过量空气系数和爆发压力达到原机相同水平[2]，挖掘发动机低速扭矩提升潜力。

计算结果表明，经过优化设计后的发动机低速扭矩较原机能提升了8.9%左右。

关键词：柴油机；低速扭矩；优化，配气相位
主要软件：A VL BOOST
The Improvement of Diesel Engine’s Low-end Torque
Li Juan, Zhang Yan-hui, Ji Teng-fei, Han Xiao-qiang
(F AW JIEF ANG AUTOMOTIVE CO.,LTD. WUXI DIESEL WORKS, WUXI)
[Abstract] In this paper, based on A VL BOOST software, a series of thermodynamic simulation work was performed to investigate the low-end torque potential of a six-cylinder turbocharged diesel engine. DOE method was used to optimize valve timing, the result showed that intake air mass flow increased more than 60kg/h. The low-end torque finally improved by 8.9% after adjusting fuel injection parameters to keep lambda and peak fire pressure at the same level of the origin engine.
Keywords:diesel engine; low-end torque; optimization; valve timing
Software: A VL BOOST
前言
随着市场对大功率柴油机需求的增加，用户越来越重视整车动力性和驾驶体验，这就对发动机低速扭矩提出了更高的要求。

对于增压柴油机，在低转速运行时[3]，如果增压空气压力不能满足气缸燃烧所需空气量的要求时，会导致扭矩不足、冒黑烟、排气温度和零部件温度过高等一系列问题。

本文以提升柴油机低速扭矩为目标，使用AVL BOOST软件建立了某六缸增压中冷柴油机的仿真模型，并通过DOE正交计算的方法对配气相位[4]进行优化，同时调整标定参数，挖掘低速扭矩提升潜力。

1.计算模型的建立及验证
1.1仿真模型的建立
根据热力学仿真的需求，建立了如图1所示的BOOST模型。

模型的所有边界条件、初始条件均参考柴油机台架试验数据,管路结构参数与柴油机结构数据和台架试验相关管路尺寸保持一致；放热率使用缸压分析结果，缸内传热使用AVL 2000模型。

图1 柴油机热力学计算模型
计算模型图1中，SB1、SB2为系统边界，CL1为空气滤清器，PL1、PL2为稳压装置，C1、C2、C3、C4、C5、C6为气缸，MP1～MP14为定义的14个测量点，1～13为连接管道，TC1为涡轮增压器。

1.2模型对标
为了验证计算模型的准确性，将仿真计算结果与柴油机台架试验实测结果进行了对比。

对比结果表明，仿真计算结果与台架试验结果吻合较好，主要参数（功率、油耗、爆压、涡前温度等）误差低于3%，满足仿真计算的精度要求。

通过模型对标过程，验证了柴油机模型的准确性，可以进行进一步的柴油机性能优化。

2.配气相位的DOE计算
2.1 DOE计算方案设计
由于发动机结构因素的限制，使得进气门开启时刻（IVO）和排气门关闭时刻（EVC）无法调整。

因此，在原气门升程型线基础上，利用正交分析方法对IVC、EVO两个相位进行优化，优化步长为5度曲轴转角。

考虑到Boost中气门升程会随开启持续期的增加而增加，可能导致气门与活塞存在碰撞的风险，DOE计算过程中进排气门升程曲线采用的调整方式如图2所示。

当气门开启持续期变小时，使用boost软件自动降低气门升程（图中虚线）；当气门开启持续期变大时，为了避免气门与活塞相碰，保持气门最大升程不变（图中点划线）。

图2 气门升程型线
2.2 DOE计算结果分析
针对不同的IVC以及EVO正交组合计算的结果进行统计，并汇总如图3所示。

从图3中可以明显的看出：
1）进气效率主要受IVC影响，随着IVC的提前，充气效率逐渐增大，增大到一定程度后又开始下降；而IVC推迟时，充气效率呈现出单调下降趋势；2）随着IVC的提前，Lamda先增大后减小；随着EVO的提前开启，Lamda的变化呈现出先减小后增大的趋势；3）涡前排温的变化趋势类似于Lamda的变化；随着IVC的推迟，涡前温度呈现逐渐上升的趋势，且上升幅度越来越大；4）发动机油耗受IVC、EVO的变化影响均较明显；IVC推迟时，发动机油耗变差；IVC提前时，发动机油耗先变小后变大；5）EVO对高压循环功和换气损失影响最大；随着EVO的推迟，高压功呈现单调递增的趋势；反之，单调递减；随着EVO的提前，换气正功增加；随着EVO的推迟，换气正功减小。

图3 不同配气相位影响
根据主要对比参数：充气效率、燃油消耗率、泵气损失、过量空气系数、涡前温度随两
个气门正时角变化的关系图分别选出对应的最佳气门正时区域为：EVO25 35，IVC-40—-20。

结合该机型柴油机低转速时，进气空气质量流量不够这一特征，最佳配气相位的选取以提高进气量为主要目标，推荐使用EVO推迟25deg开启，IVC提前30deg关闭的配气正时方案。

2.3优化前后对比分析
基于DOE优化分析得出的配气相位性能与原机性能进行对比分析，如图4所示。

图4 性能优化
通过DOE计算优化后的配气相位性能较原机改善较大，进气量在原机基础上提升了60kg/h，能够显著改善低转速工况空气质量流量不足现象，大大改善低速燃烧性能。

3.低速扭矩提升潜力分析
使用优化后的配气相位得到的进气量比原机上升了60kg/h左右，通过调节喷油量和喷油正时等方法可以评估1000rpm时的扭矩提升潜力。

通过增加喷油量，同时推迟喷油时刻，与原机保持相同过量空气系数和爆发压力的条件下，1000r/min扭矩相对于原机提升了8.9%左右，具体扭矩提升效果如下图所示，同时，该优化计算选出的方案，已进行柴油机台架试验，并在试验中取得了较好效果，低速扭矩提升效果明显，性能改善趋势与模拟计算一致。

图5 扭矩提升效果
4．结论
基于BOOST软件运用DOE计算方法对该柴油机IVC、EVO 进行配气相位优化，重点针对低转速工况空气质量流量不足这一现象，提出以增加发动机进气量为主要设计目标。

根据DOE计算结果，最终的优化结果为，EVO推迟25deg开启，IVC提前30deg关闭。

通过优化配气相位，发动机的进气性能较原机有了明显改善，进气量在原机基础上提升了60kg/h左右，为发动机扭矩的提升创造了有利条件。

计算结果表明，在过量空气系数和爆发压力等参数与原机保持相同水平的条件下，使用优化方案并对喷油参数进行适当调整，1000r/min的发动机扭矩相对于原机提升了8.9%左右。

参考文献：
[1] AVL，AVL BOOST User Guide，2006
[2] 阎小俊，AVL BOOST发动机性能验证模拟时应注意的几个问题，2006年AVL用户大会论文集
[3] 罗永前，可变配气相位的分析与研究[J]，柴油机设计与制造，2006
[4] 周龙保，内燃机学[M]，北京，机械工业出版社，1988。