大型低速柴油机配气相位的优化计算

由图９可知，随着排气迟闭角的增大，柴油机的 最高燃烧压力先增大后减小，在排气迟闭角为４７℃Ａ 时，该柴油机的最高燃烧压力达到最大值。
通过上述分析，综合考虑柴油机的经济性和可 靠性，最佳的三个排气迟闭角应为５２，５７，７２℃Ａ。
７ ０００
６ ５００
６ ０００
旨５ ５００
静５ ０００ 吞
４ ５００
４ ０００
第１期 ２０１１年２月
内燃机
Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ
Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１ｌ
攀大型低速柴油机配气相位的优化计算≤
★★★
＾
’
，
一
。 ，
★★ｔ★★ｔ★★★★★★★★★★★ ★Ｊｒ
’
’
，
★★★★★★★
ｔ★
。
’
，
★★★ ★★ ★★★★★
★
●
”
￡
ｔ ｔ★★★★★
，
★
＿★
，
十 ｔ★
１３９．５３℃Ａ／２２０．４７℃Ａ，１４０．２８℃Ａ／２１９．７２℃Ａ，
１４１．１０℃Ａ／２１８．９０℃Ａ，１４１．９３℃Ａ／２１８．０７℃Ａ， １４２．７５。ＣＡ／２１７．２５℃Ａ，序号依次记为ｌ。１２。通过
·３６·
内燃机
２０１１年２月
模拟计算，得到不同负荷，不同进气正时下的柴油机 性能，见图１０、图１１、图１２、图１３。
万方数据
Fra Baidu bibliotek ·３４·
内燃机
—』半秽婴型哒攀翥卜
名称
参数
功率／ｋＷ 转速／（ｒ‘ｒａｉｎ。）
缸径／ｍｍ
７ １５０ １２７ ５００
有效油耗率（ｇ．ｋＷ叱ｈ一１） 发火ＪＩ顷序
１７１ １—４—３—２—５
器，Ｃ０１为中冷器，Ｐ１１为扫气箱，Ｐ１２为排气总管，
ＶＰｌ～ＶＰ５为曲轴箱，Ｃ１～ｃ５为五个气缸，ＭＰｌ～ＭＰ８
：２
四
山 ！
Ｒ 趟 蠼 《 Ｈ¨屹ｎ 惺 嚼ｍ
９
４０
５０
６０
７０
８０
９０
排气迟闭角／。ＣＡ
图９排气迟闭角对最高燃烧压力的影响
２．３进气正时的优化计算’
笔者研究的大型低速柴油机采用排气阀一扫气 口直流扫气的换气形式。在缸套的下部设有一圈扫
气口，由活塞的启闭来控制柴油机的进气。改变扫气 口在气缸套上的位置，柴油机的进气正时随之改变， 从中选取一个最佳位置，即最佳进气正时，使该柴油
·３５·
排气提前角为７９℃Ａ时，涡轮前排温达到最小值。 由图５可以看出，随着排气提前角的增大，最高
燃烧压力先增大后减小。排气提前角为８３℃Ａ时， 最高燃烧压力达到最大值。
通过上述分析，综合考虑柴油机的经济性和可靠 性，排气提前角宜选取７ｌ，７９，８３℃Ａ这三个角度。 ２．２排气迟闭角的优化计算
二冲程柴油机的过后排气阶段是指从扫气口关 闭到排气口关闭为止。在这一阶段，缸内的部分新鲜 空气将经开启着的排气口排至排气管，是一个新气 损失阶段，所以过后排气阶段不宜过长。但是如果这 一阶段过短可能导致废气排出不充分，气缸中残留 废气较多，柴油机燃烧恶化，降低了柴油机的性能。 因此，存在一个最佳的排气迟闭角，使柴油机的性能 最佳。保持其它配气相位角度不变，初步选取排气迟 闭角为４２—８７℃Ａ，每隔５℃Ａ模拟计算排气迟闭角 对柴油机性能的影响，以确定最佳排气迟闭角，见图 ６、图７、图８、图９。
★★ ★★★★★★ ｔ★★
★★★★★★★★★ ★ｔ★★★ ｔ★★ｔ★ｔ’★★★ ★－ｋ ★★★ｔ★ｔ ｔ★★★★★★★★ ★★ ｔ＇★★★★★★ｔ★ｔ
★由一燃巾ｔ ★★★★★★★★★★★ｔ★★★★★★★★★★★★★ ’ ， · ｔ★★★★★★ ★，★★★★★★★★★★★★★★★ Ｏｒ★
★★ Ｏｒ Ｊｒ★ ★★ ★★★★★ ｔ★ ｔ★★ｔ育★ ｔ ★ ★ ★
笔者采用ＡＶＬ ＢＯＯＳＴ软件，建立了整机的工作 过程模型，计算分析了排气提前角、排气迟闭角和进 气正时对柴油机性能的影响，以经济性和可靠性为 优化指标，对其进行了优化，最后将优化前后的柴油 机性能进行了比较。
１模型的建立
笔者研究的样机为ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ ５Ｓ５０ＭＣ型柴油 机，主要参数见表１。
根据ＭＡＮ Ｂ＆Ｗ ５Ｓ５０ＭＣ型柴油机的系统结构 特征，利用ＡＶＬ ＢＯＯＳＴ软件所建立的仿真模型见 图１。该模型燃烧室部分选择Ｖｉｂｅ燃烧放热模型、 Ｗｏｓｃｈｎｉ １９７８传热模型，增压器选择简单模式［５１。图１ 中，ＳＢｌ和ＳＢ２为系统边界，ＴＣＩ为废气涡轮增压
万方数据
８４
８２
８０
７８
７６
一。÷。渗÷ｏ薄罐露 ７４
幅堰掩７＂ ＂ ２
６５
７０
７５
８０
８５
９０
排气提前角代Ａ
图３排气提前角对油耗率的影响
Ｏ
Ｏ
０
０ Ｏ
琶赠靠柱暇 ０
Ｏ
臼醯卵的的甜∞配 ０
６５
７０
７５
８０
８５
９０
排气提前角／。ＣＡ
图４排气提前角对涡前排温的影响
１４
重１３
督１２ 霎 ，·
幄 略１０
９
６５
★★ ★★★★★★★★★★
★ｔ★
ｔ★ ★
★
★’
ｔ
★★
＾ ★－ｆｆ
＾★ ｔ ｔ★ ｔ★★■★★ ｉｔ－ ★★★ ｔ★★★★★★★★★★ｔ
★ｔ★★★★★★★★★★★ｔ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★ｔ★ｔ ｔ★★★★★★★★★★★★★★★★★
摘要：利用ＡＶＩ公司的ＢＯＯＳＴ软件建立了某大型低速二冲程柴油机的工作过程仿真模型，在三种不同的负荷工况下，
ＡＶＬ ＢＯＯＳＴ是一维发动机循环和气体交换的
作者简介：刘勤安（１９８４一），男，江西吉安人，助教，工学 硕士，主要从事柴油机工作工程及性能优化的研究。
收稿日期：２０１０—１０—１２
模拟软件。它可以模拟包括燃烧在内的发动机所有 循环和进排气系统的特性。它可应用于各种发动机 设计方案的优化，气门正时的优化，增压系统的设计， 各零部件的优化设计和发动机瞬态性能的评价等。
’７０
７５
８０
８５
９０
排气提前角／。ＣＡ
图５排气提前角对最高燃烧压力的影响
由图４可以看到，随着排气提前角的增大，涡轮
前排温先减小后增大。５０％负荷下排气提前角为８ｌ
。ＣＡ时，涡轮前排温达到最小值；７５％负荷下排气提前
角为８３。ＣＡ时，涡轮前排温达到最小值；１００％负荷下
第１期
刘勤安：大型低速柴油机配气相位的优化计算
机的性能达到最佳。改变扫气口在气缸套上的位置， 扫气口上下每移动５ ｍｍ计算一次，得到一组进气 开启角／进气关闭角为：１３４．５４℃Ａ／２２５．４６℃Ａ，
１３５．２０℃Ａ／２２４．８０℃Ａ，１３５．９３℃Ａ／２２４．０７℃Ａ，
１３６．６５℃Ａ／２２３．３５℃Ａ，１３７．３６℃Ａ／２２２．６３℃Ａ，
１３８．０８℃Ａ／２２１．９２℃Ａ，１３８．７９℃Ａ／２２１．２１℃Ａ，
由图１０可知，进气正时对柴油机功率的影响很 小。由图１１可知，二冲程柴油机的油耗率随扫气口在 缸套上位置的下移而先减小后增大。但负荷不同，使 柴油机油耗率达到最低值时的进气正时也不同。在 ５０％，７５％，１００％负荷时，使油耗达到最低值时的进气 开启角／进气关闭角分别为１４１．９３℃Ａ／２１８．０７℃Ａ，
·由图６可知，排气迟闭角对柴油机功率的影响 很小。由图７可以看出，随着排气迟闭角的增大，柴 油机的油耗率先减小后增大。在５０％，７５％和１００％ 负荷时，排气迟闭角分别为５２，５７，７２℃Ａ，柴油机的 油耗率最低，经济性最佳。
由图８可知，随着排气迟闭角的增大，柴油机涡 轮前排气温度先减小后增大。在５０％负荷和７５％负 荷下，排气迟闭角为７２℃Ａ时涡前排温达到最低 值；在１００％负荷下，排气迟闭角为６７℃Ａ时涡前排 温达到最低值。
★
★★ ★★ ｔ★ ★★ ★ ★ ★ ★ ， ★ ★＇ ★ ★★ｔ★ ＃ ｔ★
★★★★★＂ｏｒ★★★＂ｏｒ★ ｔ★★★★ ★★★★★★★★’盖Ｕ量Ｗ：寿 ｔ★ ★★ ｔ★ ★★★★Ｊｒ ｔ★★★ ９ｒ ★ ★ ★★★★★★★
ｔ：－：ｔ：－：ｔ：·：－：ｔ：ｔ：＋：＋：ｔ：ｔ：ｔ：《秀连海笋＞≤笔ｔ麓丰且乎程学院，疆Ｚ本连：｝｛６昵烈－：ｔ：ｔ：·：ｔ：＋：ｔ：，：ｔ：ｔ：，：ｔ：ｔ：ｔ：
为定义的八个测量点。１。２０为管段。
７’ ０００
６ ５００ ６ ０００ 溶５ ５００
喜５ ０００
１ ４ ５００ ４ ０００
３ ５００
２０１１年２月
图１ ＢＯＯＳＴ仿真模型图
２配气相位的优化计算
２．１排气提前角的优化计算 排气提前开启可减少排气损失和气缸内残余废
气量，这样既减少了推出废气的功消耗，又为增加新 鲜空气创造了有利的条件。为此，可适当加大排气提 前角。但是，排气提前角过大，就会影响活塞做功冲 程的进行，导致发动机动力性、经’济Ｊ陛下降。因此，存 在一个最佳的排气提前角。保持其它配气相位角度 不变，初步选定排气提前角为６７～８９℃Ａ，每隔２℃Ａ 模拟计算排气提前角对柴油机性能的影响，见图２、 图３、图４、图５。
Ｏ前言
配气机构是柴油机的重要组成部分，它直接关 系到柴油机运转的可靠性、振动和噪声，并影响柴油 机的动力性、经济性和排放等基本性能【１１。所以，合理 的配气相位是提高功率，降低油耗的一种有效方法， 对改善柴油机的技术状况，节约能源，提高经济效益 和降低排放都有十分重要的现实意义ｆ２１。目前对配气 相位优化设计主要有试验和数值模拟两种方法。通 过传统试验对配气相位进行优化将导致工作量过 大，耗费大量的人力和物力。随着计算机技术的发 展，以及预测模型的不断完善，数值模拟方法在柴油 机研制和开发中得到了广泛应用，并大幅度缩短了 研制周期【３’４】。
分别对排气提前角、排气迟闭角和进气正时进行了计算和分析，得到了不同工况下的最佳值，用正交试验法选出一组
最佳配气相位角度。最后对优化前后柴油机的性能进行了对比分析，结果表明，优化后该柴油机的性能得到了改善。
计算结果为柴油机的改进和优化提供了理论依据。 关键词：柴油机；配气相位；数值模拟；性能优化
中图分类号：ＴＫ４２２
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—６４９４（２０１１）０１—００３３—０６
Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ Ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ
（Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １ １ ６０２６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ ｔｗｏ－ｓｔｒｏｋｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｕｐ ｂｙ ｔｈｅ ＡＶＬ ＢＯＯＳＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｍｉｎｇ ｏｆ ｅｘｈａｕｓｔ ｏｐｅｎ，ｅｘｈａｕｓｔ ｃｌｏｓｅ，ａｎｄ ｉｎｔａｋｅ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｔ ｔｈｒｅｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉｍｕｍ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｅｎ ａ ｂｅｓｔ ｖａｌｖｅ ｔｉｍｉｎｇ ｗａｓ ｃｈｏｓｅ ｂｙ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ嘲．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ａｍｅ— ｌｉｏｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｏｎｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ Ｗａｓ ｉｍｐｍｖｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ、ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ；ｖａｌｖｅ ｔｉｍｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
３ ５００ ４０
５０
６０
７０
排气迟闭角／＂ＣＡ
８０
９０
图６排气迟闭角对功率的影响
万方数据
ｌ ｌ ｌ １
ｉ一。手。参÷３、鼯耀菩
４０
５０
６０
７０
８０
９０
排气迟闭角代Ａ
图７排气迟闭角对油耗率的影响
Ｏ
Ｏ
Ｏ
笔
０
赠Ｏ
辐
ｊ盂
Ｏ
蜒Ｏ
Ｏ
Ｏ
佗刀砷∞铝卵砸的甜∞ Ｏ
４０
５０
６０
７０
８０
９０
排气迟闭角／。ＣＡ
图８排气迟闭角对涡前排温的影响
由图２可知，排气提前角对柴油机功率的影响 很小。由图３可知，排气提前角对柴油机的油耗率影 响很大，排气提前角在６７～８９℃Ａ范围内变化时，油 耗率先减小后增大。当柴油机在５０％负荷和７５％负 荷下，排气提前角为７９℃Ａ时，柴油机的油耗率最 低；当柴油机在１００％负荷下，排气提前角为７ｌ℃Ａ 时，柴油机的油耗率最低。