柴油机配气相位的优化设计

流星雨

配气机构是内燃机的重要组成部分，它直接关系到内燃机运转的可靠性、振动和噪声，并影响内燃机的动力性和经济性等基本性能。在凸轮设计中，配气相位的选择影响到对气流惯性的应用，这对高速汽车柴油机的充气系数影响较大。

要确定一台新设计发动机的配气相位是比较复杂的。使用仿真模拟分析对柴油机的工作过程进行计算，可以对配气定时作出定量的分析，然后再在试验中予以检验，以减少试验工作量。

本文利用AVL-BOOST进行配气机构优化设计的模拟计算，并对原型发动机的配气相位进行了优化。

1 模型的建立

图1为某4缸增压直喷柴油机的BOOST计算模型，其结构参数以原机实际值输入，包括各管的直径、长度，燃烧室的结构参数及配气机构参数等；其初始化设置的参数均为原机的试验数据，包括空燃比、增压比、进排气初始温度、单循环喷油量等（模型中的MP为测量点，主要测量各管的压力、温度、流量、流速等）。


BOOST中燃烧放热率可以通过Table、VibeFunction、Vibe TWO Zone、Double Vibe Function等方程计算，在此模型中燃烧放热率计算选择维伯函数（Vibe Function），传热计算采用Woschni1978公式。

仿真计算中对缸内热力过程作如下假设：

（1）气缸内工质的状态是均匀的，即不考虑气缸内各区域工质的压力、温度和成分的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与缸内残余废气实现瞬时的完全混合；

（2）工质为理想气体，其比热、内能等热力学参数仅与气体温度和气体成分有关；

（3）燃料按照一定的燃烧规律喷入气缸内立即燃烧；

（4）空燃比从燃烧始点到燃烧终点逐渐减小。

2 配气相位优化计算

发动机配气相位的优化设计能提高发动机的经济性、动力性、排放等性能。在柴油发动机排气早开角、晚关角和进气早开角、晚关角这四个角度中，以进气晚关角和排气早开角更重要，进气晚关角对进气充量影响最大，排气早开角对换气损失影响最大。

进气晚关角对补充进气充量和进气效率的影响因素最明显，当增大进气晚关角时，也就增大了补充进气比和充气系数，有利于低速扭矩的增加，而过分增大进气晚关角则会引起空气倒流，降低充气效率。

补充进气量与转速和进气延迟角有关。对于某一确定转速，只有一个最佳进气延迟角；转速越高，这个最佳的进气延迟角也越大。对于使用转速范围较宽的柴油机，选择进气延迟角时不仅要考虑高速时的缸内充量，还要兼顾低速时缸内充量不会倒流入进气管。

对于车用增压柴油发动机，当匹配较小尺寸的涡轮时，应相应减小进气持续角，一般进气门开启持续期越长，过量空气系数和增压压力就越大，在标定工况下易引起过高的机械负荷。

排气提前角的选择与排气过程中缸内压力曲线的形状有关，这会影响自由排气损失和强制排气损失的分配。排气提前角越大，排气门开启越早，自由排气损失就越大，但此时缸内压力在下止点前已降得足够低，所以强制排气损失减少。反之，排气提前角减小，强制排气损失会增加，而自由排气损失则会减少。一般转速越高，最佳排气提前角也应当越大。

为优化原型柴油机的配气相位，模拟计算发动机在三个转速（1000r/min、1500r/min、2400r/min）工况下的过量空气系数、容积效率和比油耗相对于排气提前角和进气晚关角的变化，计算结果如图2、图3所示（Boost计算中，压缩上止点对应着0/720deg）。





由计算结果可以看到，45deg.CRA（BBDC）的排气门开启正时在额定转速点得到最低的比油耗，但这样同时也降低了整个转速范围内的容积效率。因此，为了得到更大的充气量，尤其是在低速段，推荐试用30deg.CRA（BBDC）的排气门开启正时。另外，发动机并不常在额定点运转，额定点比油耗的增加可由较低转速下降低的油耗抵消。

进气门关闭正时在5～15deg.CRA（ABDC）范围内比油耗变化较为平缓，都接近最经济正时点。因此，为了增加额定点容积效率、过量空气系数且不降低较低转速下的相应值，推荐试用进气门关闭正时15deg.CRA（ABDC）。

3 试验验证

根据BOOST软件计算优化所得结果重新设计凸轮轴，安装至原型发动机，并调整相关数据，使其在各转速下全负荷扭矩较原机不变。对该样机与原型机进行负荷特性试验，比较试验数据，试验结果如图4所示（图中实线为优化后样机，虚线为原型机）。


由图4可以得出，在中低速段，配气相位优化后的发动机经济性全面好于原型机，其油耗率优势在大多区域约为0.5～5g/（kW·h），高速全负荷附近凸轮轴优化后的发动机与原型机性能相当。

4 结论

本文利用AVL-BOOST软件进行了配气相位对发动机性能影响的模拟计算，对原型发动机的配气相位进行了优化，并通过实际试验验证了优化结果。

结果表明利用使用仿真模拟分析软件对发动机配气机构优化是可信的，且初见成效

sadan1911

谢谢楼主的分享，专业知识比较强，配气相位相对与柴油机来说相当的重要，但是这方面的试验非常的复杂，主要取决与配气凸轮的形线是关系到柴油机换气的重要保证没有大量的试验数据是拿不出结论的！楼主看来是这方面的专家．我有个问题一直没有答案就是楼主反复提的过量空气系数，和空燃比的问题．我知道汽油机它有个理想的化油器特性，怠速，小负荷，中等负荷，大负荷满负荷都有对应的理想的过量空气系数．还有就是近年来还出现了可变配气相位的传动机构，我想请教楼主的就是柴油机的空燃比是多少？汽油机的我知道是１４．８／１．还有就是各个负荷点对应的过量空气系数最好应该多大才能达到理想的燃烧？如果有人是这方面的专家或有这方面的资料请指点一二，小弟不胜感激．谢谢！

baby0341

我最近就在做汽油机VVT的试验，没有发现空燃比就一定是14.8的，它在一定的范围内调节的，不同的转速都有不同的空燃比，点火提前角等，都是需要去标定的，只不过是在一个范围内调节。