配气相位对发动机性能的影响分析

0引言

近年来，柴油机作为车用动力已占有越来越重要的地位，与此同时，人们对柴油机的动力性、经济型和排放性能有着越来越高的要求，通过优化配气相位对于提高发动机的性能则是一个研究方向[1]。

柴油机以压缩燃烧的方式，从燃料喷入燃烧室，到燃烧产物排出气缸是一个极为复杂的物理和化学变化过程。燃料在接近压缩终了时喷入气缸，经过一个很短的滞燃期后即开始着火[2]，而燃料与空气的混合对柴油机的缸内燃烧的影响至关重要。

在柴油机工作循环中，进排气门的开启和关闭时刻直接关系到换气过程，进而影响柴油机的燃烧，所以合理的配气相位有助于改善缸内燃烧，对提高柴油机的动力性，

燃油经济性和降低排放有着重要作用[3]。

本文以一款4缸D19TCI柴油机为研究对象，根据不同的配气相位设计试验方案，进行外特性、14工况部分负荷以及万有特性试验，对比发动机的动力性、经济性以及排放结果的差异，分析发动机在不同的进排气门开启和关闭时刻的性能表现。

1试验方案与研究方法

根据不同的配气相位设计试验方案，并进行更换凸轮轴方案后的相位检查，即进排气门相对于上止点的开启和关闭角度、排气门相对于下止点的开启和关闭角度，不同方案的配气相位如表1所示。

2更换凸轮轴方案的相位检查

三种方案下凸轮轴与曲轴信号的关系如图1-图3所示。

3结果与分析

3.1充气效率

换气过程要尽可能在阻力较小的时候进气和排气，进排气门的开启和关闭时刻主要是使空气尽可能多的进入气缸，即有效的利用气体的运动提高充气效率[4]，进而影响发动机的动力输出，燃油消耗和排放性能。

从图4中的充气效率曲线可以看出，总体上的充气效率：现有方案>方案1>方案2，因为现有方案的气门重叠角最大：现有方案>方案1>方案2，所以现有方案的进气量要大于方案1和方案2。

3.2外特性对比

从图5中可以看出，现有方案的功率和扭矩以及过量空气系数均大于方案1和方案2，而燃油消耗率和烟度总

配气相位对发动机性能的影响分析

李思宇;谭永进

（天津中恒动力研究院有限公司，天津300304）

摘要:建立不同的进排气门相位的方案,通过试验分析不同的配气相位对发动机动力,经济以及排放性能的影响。试验结果表明:较大的进气门开启角和排气门关闭角,较小的进气门关闭角和排气门开启角,发动机有更大的扭矩输出、较低的比油耗表现以及更低的烟度,CO,HC等排放表现;而较小的进气门开启角和排气门关闭角,较大的进气门关闭角和排气门开启角,发动机的NOx排放值更低。

关键词:柴油机;进排气门;气门正时;气门重叠角;燃烧

进气门相位排气门相位

现有方案

进气门开启角：

上止点24.8°

进气门关闭角：

下止点41.2°

排气门开启角：

下止点39.3°

排气门关闭角：

上止点30.7°

方案2

进气门开启角：

上止点22.8°

进气门关闭角：

下止点43.2°

排气门开启角：

下止点42.3°

排气门关闭角：

上止点27.7°

方案3

进气门开启角：

上止点20.8°

进气门关闭角:

下止点45.2°

排气门开启角：

下止点45.3°

排气门关闭角：

上止点24.7°

表1不同配气相位的试验方案

图23塑性应力振幅评估

最小计算安全系数SFA:1.43（R）/1.63（σm）

某双燃料发动机所有的目标参数都实现的情况下，此

设计开发缸盖是安全的，可以满足某双燃料发动机的性能

需求，不需要采取进一步优化设计。

参考文献:

[1]李俊，陈群，等.车用柴油机冷却系统的CFD分析[J].柴油

机学报，2003，21（2）：125-129.

[2]关跃，刘铁文，等.发动机缸盖的CFD-CAD设计方法.

[3]Kevin L,Susan Brasmer.The Use of Flow Visualization and

Computational Fluid Mechanics in Cylinder Head Cooling Jacket

Development.SAE891897.1989.

[4]廖日东，左正兴，等.对高速大功率柴油机用气缸盖机械负

荷有限元分析边界条件施加方式的探讨[J].兵工学报，2001（1）：

5-10.

Internal Combustion Engine &Parts

体上则是现有方案<方案1<方案2。

不同的配气相位对发动机的充气效率有较大影响，进气量的变化从而影响到发动机的动力性和经济性[5]。

3.314工况部分负荷排放对比

在3种不同配气相位的方案下，模拟整车驾驶循环结

果，选取14个工况点进行对比试验，对比各方案的排放情况，主要对比碳烟（soot ），氮氧化物（NOx ），碳氢化合物（HC ）以及一氧化碳（CO ）和二氧化碳（CO 2）等排放污染物。（表2）

从计算结果与图6中可以看出，总体上对于选取的14个工况点，现有方案的碳烟soot 、HC 及CO 的排放最低，方案2最大；而NOx 的排放则为现有方案最大，方案2最低。

与方案2的配气相位相比较，现有方案的进气门开启角大4°，排气门关闭角大6°，进气门关闭角小4°，排气门开启角小6°，同时soot 的排放要

低8.9%，HC 低38%，

CO

图5外特性曲线

图4外特性点充气效率

图3

方案

2凸轮轴与曲轴信号关系

图2方案

1凸轮轴与曲轴信号关系

图1现有方案凸轮轴与曲轴信号关系