趙峰,肖有強(qiáng),杜偉康

濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

凸輪軸是配氣機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，按照點(diǎn)火順序定時(shí)控制各缸進(jìn)、排氣門的開(kāi)啟和關(guān)閉，保證燃燒過(guò)程中氣缸內(nèi)存在充足的新鮮空氣，最大限度降低缸內(nèi)殘余廢氣量[1]，凸輪軸的設(shè)計(jì)及理論研究對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能有重要意義[2-3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者借助軟件實(shí)現(xiàn)配氣相位的仿真優(yōu)化，楊樹(shù)彬[4]通過(guò)AVL Timing Drive軟件對(duì)凸輪軸型線進(jìn)行多項(xiàng)式仿真，為凸輪軸設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)；王一[5]分析了凸輪軸運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度闡釋凸輪軸型線的最優(yōu)設(shè)計(jì)。孫建軍[6]通過(guò)試驗(yàn)方法，對(duì)比分析了氣門升程和氣門重疊角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的影響。

渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在氣門重疊期間，進(jìn)氣端、活塞、排氣端連通，利用中冷后進(jìn)氣壓力與渦前排氣壓力的壓力差實(shí)現(xiàn)掃氣功能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)殘余廢氣系數(shù)，但氣門重疊角過(guò)大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)減少，燃燒惡化，整車動(dòng)力性下降[7-8]。排氣提前角增大，能夠降低強(qiáng)制排氣階段的泵氣損失，但會(huì)影響做功效率[9]。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況設(shè)計(jì)合理的配氣相位，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，降低泵氣損失，改善油氣混合比，提高升功率，降低排放污染。

本文中采用不同配氣相位的凸輪軸，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析不同工況下，氣門重疊角和排氣提前角對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率及煙度排放的影響。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用渦輪增壓中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備布置結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)進(jìn)氣空調(diào)控制環(huán)境溫度、壓力，冷卻系統(tǒng)控制進(jìn)氣溫度、機(jī)油溫度，保證試驗(yàn)邊界的一致性；采用測(cè)功機(jī)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩；燃燒分析儀確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)；483煙度計(jì)測(cè)量排放氣體中的煙度；氣體分析儀測(cè)量尾氣中NOx。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備布置

表2 凸輪軸配氣相位關(guān)鍵參數(shù) (°)

選取3種不同配氣相位的凸輪軸進(jìn)行試驗(yàn)，記為方案1、2、3。3種凸輪軸對(duì)應(yīng)的配氣相位關(guān)鍵參數(shù)如表2所示，表中所有參數(shù)均以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算。

選擇4種不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的工況點(diǎn)表示發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩、中轉(zhuǎn)速中轉(zhuǎn)矩、中轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩，控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，保證噴油提前角、噴射壓力、放氣閥開(kāi)度在一定邊界范圍內(nèi)，4種工況點(diǎn)的標(biāo)定參數(shù)邊界如表3所示。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)邊界

在保證模型精度的基礎(chǔ)上，避免采用全因子抽樣法出現(xiàn)組合指數(shù)增長(zhǎng)的問(wèn)題，本文中用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiments，DoE)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行組合，DoE可基于統(tǒng)計(jì)學(xué)實(shí)現(xiàn)多自變量組合，采用拉丁超立方抽樣法降低試驗(yàn)次數(shù)[10]，計(jì)算得出變量最優(yōu)組合。采集每個(gè)工況點(diǎn)在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)的40個(gè)變量組合數(shù)據(jù)，結(jié)合Cameo軟件進(jìn)行多變量數(shù)據(jù)建模，優(yōu)化輸入對(duì)象，生成發(fā)動(dòng)機(jī)trade-off趨勢(shì)線。

為了分析不同氣門重疊角、不同排氣提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，研究不同凸輪軸方案在4種工況點(diǎn)的燃油消耗率、煙度排放隨NOx排放的變化，結(jié)合文獻(xiàn)[11]要求，4種工況點(diǎn)的NOx比排放為9～11 g/(kW·h)時(shí)，符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率與煙度排放的量綱不同，無(wú)法準(zhǔn)確反映NOx排放對(duì)燃油消耗率與煙度排放的影響，為了消除不同參數(shù)量綱的影響，增加參數(shù)可比性，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理：

式中：xnew為歸一化后數(shù)值，x為所測(cè)實(shí)際數(shù)值，xmin為所測(cè)數(shù)據(jù)中最小值，xmax為所測(cè)數(shù)據(jù)中最大值，歸一化處理后，所有參數(shù)映射到[-1,1]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氣門重疊角對(duì)性能的影響

4種工況下，凸輪軸方案2、3所對(duì)應(yīng)的燃油消耗率及煙度排放隨NOx排放的變化曲線，如圖2所示。

圖2 凸輪軸方案2、3在4種工況下所對(duì)應(yīng)的燃油消耗率及煙度排放隨NOx排放的變化曲線

由圖2a)可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工況1時(shí)，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的燃油消耗率減小，燃油消耗率變化曲線基本重合；隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的煙度排放減小，方案2的煙度排放比方案3降低28.6%。由圖2b)可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工況2時(shí)，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的燃油消耗率逐漸減小且趨于平緩，燃油消耗率變化曲線差別不大；隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的煙度排放減小，方案3煙度排放比方案2降低了45.8%。由圖2c)可知:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工況3時(shí)，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案3的燃油消耗率比方案2降低了6.25%；隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2、3的煙度變化比較平穩(wěn)，煙度排放變化曲線基本一致。由圖2d)可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工況4時(shí)，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案2和3的燃油消耗率減?。浑S著NOx排放增加，方案3煙度排放下降幅度高于方案2。

測(cè)量凸輪軸方案2、3在4種工況下對(duì)應(yīng)的中冷后進(jìn)氣壓力與渦前排氣壓力，結(jié)果如表4所示。

表4 不同工況、方案下中冷后進(jìn)氣壓力與渦前排氣壓力結(jié)果 kPa

由表4可知：工況1時(shí)，凸輪軸方案2、3的中冷后進(jìn)氣壓力比渦前排氣壓力低40～50 kPa，不能發(fā)揮氣門重疊角的掃氣功能，導(dǎo)致排氣管內(nèi)高溫廢氣回流到氣缸內(nèi)，倒流進(jìn)氣管中，方案3中進(jìn)氣提前角增大，增加了廢氣回流的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致缸內(nèi)廢氣增多，燃燒惡化，出現(xiàn)方案3煙度高的現(xiàn)象；工況2時(shí)，凸輪軸方案2、3的中冷后進(jìn)氣壓力比渦前排氣壓力低5～15 kPa，高溫廢氣回流滲透現(xiàn)象不明顯，方案3中進(jìn)氣提前角增大有利于提高充量系數(shù)，煙度排放略有下降；工況3時(shí)，凸輪軸方案2、3的中冷后進(jìn)氣壓力比渦前排氣壓力高30 kPa左右，氣門重疊角掃氣能力強(qiáng)，改善了缸內(nèi)燃燒環(huán)境，2種方案均降低了燃油消耗率和煙度排放；工況4時(shí)，凸輪軸方案2、3的中冷后進(jìn)氣壓力與渦前排氣壓力相當(dāng)，同一工況下NOx排放降低時(shí)，造成缸內(nèi)燃燒環(huán)境惡化，高溫廢氣能量高，導(dǎo)致中冷后進(jìn)氣壓力與渦前排氣壓力相繼提高，加快中冷后進(jìn)氣壓力增長(zhǎng)速率，弱化大氣門重疊角掃氣能力，方案3煙度排放下降更明顯。

2.2 排氣提前角對(duì)性能的影響

4種工況下，凸輪軸方案1、2所對(duì)應(yīng)的燃油消耗率及煙度排放隨NOx排放的變化曲線如圖3所示。

圖3 凸輪軸方案1、2在4種工況下所對(duì)應(yīng)的燃油消耗率及煙度排放隨NOx排放的變化曲線

由圖3a)可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工況1時(shí)，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1與方案2的燃油消耗率的差逐漸趨于穩(wěn)定；隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1和2的煙度排放相差不大。主要原因是：工況1時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快，排氣時(shí)間縮短，方案1排氣提前角增大，降低了缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，提高了熱效率，曲軸轉(zhuǎn)角為30°～40°時(shí)處于做功后期，排氣提前角增大并未損失過(guò)多的有效功，改善了強(qiáng)制排氣階段功率損失，方案1燃油消耗率低于方案2。由圖3b)可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工況2時(shí)，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1與方案2燃油消耗率的差相比工況1逐步縮?。环桨?與方案2的煙度排放下降趨勢(shì)基本重合。主要原因是：方案1排氣提前角增大，降低了缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，改善了燃燒環(huán)境，降低了燃油消耗率；但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，縮小了方案1排氣提前角增大的自由排氣時(shí)間，對(duì)比工況1，方案1燃油消耗率優(yōu)勢(shì)減弱，2個(gè)方案的燃油消耗率的差逐步縮小。由圖3c)可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工況3時(shí)，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1燃油消耗率比方案2降低16.7%；隨著NOx排放增加，方案1比方案2煙度排放降低35.7%左右。主要原因是：工況3時(shí)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，減弱了方案1排氣提前角增大帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，隨著NOx排放增加，噴油提前角增大、噴射壓力提高，減少有效功損失，方案1、2的燃油消耗率出現(xiàn)曲線重合現(xiàn)象。由圖3d)可知：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工況4時(shí)，隨著NOx排放增加，凸輪軸方案1、2的燃油消耗率曲線基本重合；方案2歸一化煙度排放比方案1低0.11。主要原因是：工況4時(shí)，循環(huán)噴油量較少，過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大，缸內(nèi)稀薄燃燒導(dǎo)致平均溫度較低，不利于NOx形成；NOx排放相同時(shí)，方案2的噴油提前角比方案1大，提高了噴射壓力，降低了煙度排放。

3 結(jié)語(yǔ)

1)氣門重疊角對(duì)燃油消耗率影響不明顯，對(duì)煙度排放的影響與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、中冷后進(jìn)氣壓力和渦前排氣壓力的差具有明顯相關(guān)性；轉(zhuǎn)速越高，氣門重疊角過(guò)渡時(shí)間越短，氣門重疊角掃氣能力減弱，氣門重疊角增大，煙度排放增高；中冷后進(jìn)氣壓力高于渦前排氣壓力時(shí)，壓差越大，更利于提高氣門重疊角掃氣能力，增大氣門重疊角能降低煙度排放。

2)排氣提前角對(duì)燃油消耗率和煙度排放的影響取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速升高，增大排氣提前角有利于降低缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，提高熱效率，降低燃油消耗率；轉(zhuǎn)速降低，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)大，減小排氣提前角，在一定程度上降低煙度排放。