柴油机性能优化计算及分析

柴油机性能优化计算及分析
毛明华倪计民(同济大学，上海200092)
摘要利用GT-POWER 建立了柴油机计算模型，通过试验验证了模型的正确性。

以降低柴
油机的燃油耗率为目标，从压缩比、配气相位和供油提前角三个方面，对柴油机标定工况进行性能优化，并对2气门和4气门两种结构柴油机的性能进行了分析、对比。

Abstract :An engine performance simulation model is established with GT-POWER and the model is verified by engine test.The optimization of engine rated performance is carried out by simulation with fuel consumption reduction as a target and taking compression ratio,valve timing and injection timing into consideration.The performances of engines with 2valves per cylinder and 4valves per cylinder are analyzed and compared.
关键词：柴油机ＧＴ－ＰＯＷＥＲ模拟计算优化计算
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ，ＧＴ－ＰＯＷＥＲ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
柴油机设计与制造
Design &Manufacture of Diesel Engine 2008年第4期第15卷（总第125期）
来稿日期：2008-09-03
作者简介：
毛明华（1979－）女，在读硕士研究生，工程师，主要研究方向为柴油机技术。

（403）１前言
内燃机工作过程的数值计算是一种现代化的计算研究方法。

随着内燃机燃烧、流动、传热等循环过程子模型向多维化、实用化发展，模拟计算结果已经能较好地与实测结果吻合。

内燃机热力循环模拟优化，就是在内燃机热力循环模拟的基础上，采用优化的方法，寻找内燃机性能达到最优设计的运行参数。

GT-Power 是一款专门用于发动机性能模拟计算的软件，广泛应用于发动机的设计、开发、改进等工作。

本文在柴油机试验研究的基础上，建立了柴油机GT-Power 计算模型，利用模型对柴油机的性能进行了模拟计算，寻找柴油机性能优化的方法。

本文主要介绍了降低柴油机标定工况燃油耗率的优化方法。

２柴油机模型的建立
本文以自然吸气柴油机为研究对象，柴油机主要参数见表1。

模型中，气缸传热模型采用
Woschni 模型；平均机械压力损失采用试验数据，
标定工况2200r/min 转速时平均机械压力损失为160kPa ；燃烧模型采用三元韦柏燃烧模型，以柴
油机燃烧过程的研究为依据，表2见列出了柴油机燃烧模型的参数。

进、排气门流量系数及进气门涡流强度通过气道稳流试验获得。

３柴油机模型的验证
柴油机标定工况缸内压力的试验数据与计算结果的对比见图1；柴油机标定工况放热率曲线试验数据与计算结果对比见图2。

图1、图2可以看出计算结果与试验数据基本吻合，进一步说明用模型进行模拟计算其结果是可信
表１柴油机主要参数
发动机型式直列6缸、水冷
进气形式自然吸气
气门数2气门缸径×行程/mm
135×150排量/L 12.88压缩比17
燃油喷射方式直列机械泵
标定功率/kW 162标定转速/r ·min -1
2200
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的。

４柴油机标定工况性能优化４．１柴油机性能优化的数学模型
本文以降低柴油机标定工况的燃油耗率为目标，以柴油机主要运行参数和结构参数为优化变量进行性能优化的计算分析。

优化目标：标定工况有效燃油耗率g e 最小，即g e (X )=g e ，min
优化变量：X =[x 1,x 2,x 3,x 4]其中，
x 1———喷油定时；x 2———压缩比；x 3———进气定时；x 4
———排气定时。

约束条件：
最高爆发压力限制：p z ≤14MPa ；最高缸内温度限制：t C ≤2500K ；排气温度限制：t T ≤920K 。

４．２喷油定时对柴油机性能的影响
模拟计算时，保持柴油机标定工况下的喷油量及燃烧模型不变，分别计算喷油提前角为上止点前
28℃A 到18℃A 范围内喷油定时对柴油机燃油耗率
的影响。

柴油机标定工况燃油耗率随喷油提前角的变化见图3。

从图3可以看出柴油机在喷油提前角为上止点前22℃A 附近时燃油耗率最低，为243.9g/kW ·h 。

４．３压缩比对柴油机性能的影响
分别取14~20之间不同的压缩比进行模拟计算，计算结果见图4。

从图4中可以看出，随着压缩比的增大，燃油耗率不断降低，压缩比从14增加到17，燃油耗率
g e 降低了8g/kW ·h ；而压缩比从17提高到20，燃
传热模型参数输入参数
对流系数1辐射系数
1气缸盖与气缸套面积比 1.3活塞与气缸套面积比 1.3气缸盖壁平均温度/K 500气缸套壁平均温度/K 400活塞壁平均温度/K 550预混燃烧系数0.2预混燃烧持续期4预混燃烧指数 1.1主燃烧期20主燃烧指数 1.1后燃系数0.05后燃持续期10后燃指数
1.1
表２柴油机传热模型及燃烧模型参数
图1柴油机缸内压力的对比
图2
柴油机缸内燃烧放热率的对比
图3燃油耗率随喷油提前角的变化
12--
油耗率则降低了5g/kW·h。

这表明压缩比在17以后，随着压缩比的提高，燃油耗率降低的幅度在减小。

功率P和指示热效率ηi也都随压缩比的增大而提高，与燃油耗率g e随压缩比的变化规律基本一致，随压缩比的提高，功率P和指示热效率ηi 提高的幅度在减小。

压缩比从14增加到17，功率P提高了5kW，指示热效率ηi提高了1.1%；而压缩比从17提高到20，功率P仅提高了3kW，指示热效率ηi只增加了0.7%。

缸内最高爆发压力p z 随压缩比的提高在不断地增大，在压缩比14~20的范围内，爆发压力增加的幅度比较均匀。

缸内最高温度t C及排气温度t T因热效率ηi的提高，随压缩比的增大而略有降低。

４．４配气定时对柴油机性能的影响
在优化配气凸轮时，保持原凸轮型线不变，即开启持续角不改变，进排配气相位作平移，仅改变进、排气门开启和关闭的定时相位。

本文就改变配气定时对柴油机性能的影响进行分析计算，因此没有考虑气门可能会与活塞相碰的因素。

4.4.1进气定时对柴油机性能的影响
图5表明在计算范围内随着进气定时延迟，即进气提前角减小、进气迟闭角增大，泵气损失增加，在进气迟闭角38℃A左右柴油机热效率、功率最高、燃油耗率最低；进气迟闭角在28~38℃A之间，功率、燃油耗率、热效率变化很小；充气效率在进气迟闭角56℃A左右达到最大。

4.4.2排气定时对柴油机性能的影响
图6表明，在计算范围内随着排气定时的提前，即排气提前角增大、排气迟闭角减小，泵气损失明显减小，而充气效率在排气提前角46℃A左右最高；在排气提前角51℃A左右功率、热效率最高，燃油耗率最低。

4.4.3进排气定时对柴油机性能的综合影响
图7说明了进、排气定时共同作用下柴油机燃油耗率的变化规律，图中进、排气定时的0℃A分别对应进气迟闭角43℃A和排气提前角46°CA。

寻优的结果为当进气迟闭角为43℃A、排气提前角为48.5℃A时燃油耗率最低242.7g/kW·h。

图8为进、排气定时对燃油耗率共同寻优的灵敏度分析。

这表明相比进气定时，柴油机燃油耗率对排气定时更为敏感，也就是说排气定时对柴油机燃油耗率影响更大。

４．５喷油定时、配气定时和压缩比联合寻优以喷油提前角、压缩比、进排气定时为变量，以柴油机燃油耗率为目标联合寻优。

优化前后柴油机性能参数比较见表3。

优化后选定喷油定时为上
图4柴油机参数随压缩比变化
图5进气门关闭角度的影响
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（405）
图8灵敏度分析
图6柴油机性能参数随排气门开启角度的变化图7配气定时对燃油耗率的寻优结果
（406）
止点前21℃A 、压缩比为20、进气门提前27.5℃A 打开、进气门迟后40.5℃A 关闭，排气门提前
48.5℃A 开启、排气门迟后19.5℃A 关闭，此时缸内最高爆发压力为8.6MPa 、缸内最高温度为2107K 、最高排温为908K ，均满足约束条件。

从表3中可以看出柴油机优化后燃油耗率有了
较大的降低，缸内最高爆发压力升高了8%，最高压力升高率略有上升、泵气损失略有下降，热效率提高了1%，功率、扭矩均有提高。

从4.2、 4.3、
4.4节中喷油定时、压缩比、配气定时对柴油机性
能的影响中可以看出，柴油机性能优化后燃油耗率的降低大部分来自于压缩比升高的贡献，而柴油机对其他运行、结构参数，如喷油定时、配气定时并
不敏感，而压缩比的提高带来许多负面的影响。

由于标定点充气效率仅为84.67%，优化后也偏低，要保证压缩比不变提高柴油机标定点的燃油经济性，可以通过提高充气效率出发，而4气门技术是提高充气效率的有效途径。

５４气门技术对柴油机性能的优化
在2气门柴油机模型的基础上建立的4气门柴油机模型，模型中2个进气门直径为40mm ，2个
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排气门直径为35mm，其他参数均同2气门柴油机。

计算结果见表4。

从表4中可以看出，利用提高充气效率的方式优化柴油机性能非常见效，缸内最高爆发压力升高仅4%燃油耗率就降低了近10g/kW·h，泵气损失减少15kPa，热效率提高了1.3%。

2气门模型与4气门模型计算的全负荷速度特性性能比较见图9。

从图9可以看出，4气门相对于2气门模型，在全负荷速度特性的燃油耗率曲线上，4气门结构优势在高转速非常明显，转速越低优势越小；功率的变化规律与燃油耗率基本相同；充气效率在转速高于1500r/min时，4气门模型的充气效率高于2气门模型的充气效率；当转速低于1500r/min左右，4气门模型的充气效率反而要比2气门模型低，这也符合多气门的特征。

从以上的模拟计算分析可以看出，4气门技术对于优化柴油机性能有很大潜力，特别对于改善柴油机高转速时的燃油经济性相对其他优化方法有很大优势。

它在性能优化的同时，柴油机的机械负荷、工作粗暴性增加很少。

但是，柴油机由2气门改为4气门结构上要做较大的改变，实施4气门技术有一定的难度。

（下转第52页）
表３优化前后柴油机性能参数比较
名称优化前优化后转速/r·min-122002200
功率/kW157.8162
扭矩/Nm684.9703.4指示燃油耗率/g·(kW·h)-1196.9192.7
有效燃油耗率/g·(kW·h)-1244237.6
容积效率/%84.6783.93
空燃比21.2421空气流量/kg·h-1817.9810.7
燃油流量/kg·h-138.538.5
指示热效率/%42.8643.8
有效热效率/%34.5935.5
泵气损失压力/kPa7875缸内最高爆发压力/MPa7.968.6
最高爆发压力对应曲轴转角/(℃A)上止点后9上止点后9.2最高压力升高率/MPa·(℃A)-1 6.2 6.8缸内最高温度/K21382107
表４２气门模型与４气门模型性能参数比较
名称2气门4气门转速/r ·min-122002200
功率/kW157.8163.9
扭矩/Nm684.9711.5指示燃油耗率/g·(kW·h)-1196.9191
有效燃油耗率/g·(kW·h)-1244234.8容积效率/%84.6790.3
空燃比21.2422.66空气流量/kg·h-1817.9872.5
燃油流量/kg·h-138.538.5
指示热效率/%42.8644.2
有效热效率/%34.5935.9
泵气损失压力/kPa7863
最高爆发压力/MPa7.68.2
最高爆发压力对应曲轴转角/(℃A)上止点后9上止点后9最高压力升高率/MPa·(℃A)-1 6.21 6.25缸内最高温度/K21382061
图92气门与4气门柴油机模型全负荷
速度特性的燃油耗率比较
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（407）
（上接第15页）６结论
本文建立了柴油机GT-Power 模型，并计算分析了喷油定时、压缩比、进、排气定时对柴油机性能的影响，然后对上四变量联合寻优。

从寻优的结果出发，提出了4气门技术优化柴油机性能的方法，建立了4气门柴油机模型，进行模拟计算，就主要性能参数进行了2气门与4气门柴油机模型计算结果的比较与分析。

通过柴油机性能计算分析，得出如下结论：柴油机在标定工况下，充气效率低空气流量偏小，导致空燃比偏小，从而燃油耗率偏高，因此要提高柴油机的燃油经济性就需要提高充气效率；充气效率的提高利用4气门技术后效果明显，而缸内最高爆发压力不高，缸内平均压力也不高，也就是说柴油机的机械负荷不高，因此在提高缸压方面柴油机还有余量，可适当提高压缩比，压缩比的提高对柴油机燃油耗率的降低作用很大。

参考文献
1倪计民.汽车内燃机原理.同济大学出版社，1999.2蒋德明.内燃机原理.机械工业出版社，1994.3李伟军.喷油定时对柴油机经济性和排放的影响.柴油机设计与制造，2004(2)，42-45.
4李艳红.直喷式柴油机的特性预测与参数优化[硕士学位论文].江苏：江苏大学，2003.5朱访君、吴坚编著，内燃机工作过程数值计算及其优化.北京：国防工业出版社，1997.
6Perelra L V M,Pires L B M,Pinto A A 等.改变进气门相位对进气充量的影响.国外内燃机，2005(6)，55-60.
7Ohata A,Ishida Y.Dynamic Inlet Pressure and Volumetric Efficiency of Four Cylinder Engine.SAE 820407.
8Weiss ing Engine Cycle Simulation In Truck Engine Development.Diesel Progress North American Edition,2003.
（444）
４使用效果
４．１改变用电结构，降低电力消耗费用
实行一系列用电侧管理后，和2006年同比，
2007年产量上升2%，总用电量只上升0.88%，MD
下降4%，日负荷率上升4%。

公司谷电利用率上升4.61%，即从14.81%上升到19.42%，多用谷电约240万kW ·h ，峰电从
36.74%下降到32.96%，下降了3.78%，少用峰电
175万kW ·h ，节约电费约112万元，如表2所示。

公司实行MD 指标隔月预测，科学用电调度，每年节省MD8300kW ，费用约27.4万元。

４．２提高电网运行的安全稳定性
实行一系列用电侧管理后，从技术上保证了2台主变压器满负荷均衡运营，每台主变压器或车间的每台6KV 变压器实际负荷达到计划MD 指标的
95%时，MP2000实时监控系统会自动报警，公司
用电调度会及时指挥卸荷或进行干预和控制。

通过对大用电设备及时调控，确保了2台主变压器严格运营在每月申请的MD 指标之内，并保证车间里每台6KV 变压器经济运营，避免了车间变压器超负荷运营。

５结束语
电力需求侧管理，能够在一定程度上有效缓解电力供需矛盾，通过错峰、避峰、移峰做好电力供
需平衡、合理有序用电，最大限度地满足社会用电需求，达到节约能源、保护环境、优化电力资源配置的目的，实现能源、经济、环境的可持续发展。

同时上柴公司通过电力需求侧管理，每年节约运营成本上百万元，对降低生产成本、提高运营质量起到了积极作用。

参考文献
1彭安福主编.电力企业现代管理.北京：中国水利水电出版社，2005.
表２２００６年与２００７年公司用电情况比较
年份2006年用电量
2007年用电量
万kW ·h
%万kW ·h
%
柴油机产量/台
6050061700峰电184536.74167032.96平电243348.45241247.62谷电74414.8198419.42合计5022
100
5066
100
基本电MD/kW 205300197000日负荷率/%
56
60
52--。