柴油机进排气压力波动探究

林彬

摘要：进排气压力对泵气损失、充气质量等各方面都会产生非常重要的影响，为了对柴油机进排气压力的波动情况有一个全面的了解，本文以柴油机作为主要的研究对象，对各工况下排气管的压力进行简要分析。

关键词：柴油机；进排气压力波动；试验

前言

作为内燃机之一的柴油机是将柴油喷射到汽缸内与空气混合，燃烧得到热能转变为机械能的热力发动机，即依靠燃料燃烧时的燃气膨胀推动活塞作直线运动，通过曲柄连杆机构使曲轴旋转，从而输出机械功。柴油机功率大、经济性能好但是噪音大，随着人们物质生活水平的不断提高，相应的对环境质量提出了更高的要求，随着节能减排相关法规制度的日益完善，各类发动机的排气问题受到了人们的普遍关注，当然，柴油机也不例外。研究柴油机进、排气压力的目的是利用进、排气管内动力效应改善内燃机的换气过程，提高内燃机的充气效率，从而提高内燃机的动力性和经济性。只有弄清柴油进排气管中压力的变化规律，才能采用有效措施对发动机换气过程进行调整，以此提升发动机的充气效率。

一、高压共轨四缸柴油机概况

柴油燃油系统的发展经历了一个漫长的发展时期，从以往的机械式变成现在的电子式，经历了几次变革，即位置式、时间式及共轨系统。而高压共轨系统的出现，有效弥补了传统燃油系统存在的不足，实现了压力及喷射的分离，有效控制油量，从而可以进行多次喷射[1]。

对于四缸柴油机来说，因为气缸的排气歧管很多，都连接在一个排气管上，如果各气缸间隔进行排气，在排气管中会产生压力，使这种压力传输、反射。通过对压力波动情况的分析，以此对发动机换气过程进行适当的调整和改善，可以有效提升发动机的充气效率。然而，各气缸间歇性排气时，排气歧管中气体瞬态压力波动直接影响到废气的能量利用率和排气背压，从而影响缸内的废气排出，出现缸内燃烧变差，经济特性下降，增压器涡轮效率降低等现象。同时，各气缸在进排气的过程中，进排气压力波动的差异也会使得各缸内工作流程的差异，对整机参数的有效控制是非常不利的，更难以将整机的最佳性能发挥出来。并且，排气压力变化规律会影响泵气损失程度及废气能量的利用率[2]。

随着排放标准的逐渐提升，对柴油机的质量及性能要求也逐渐提高。目前国内使用的柴油机类型非常多，共轨、单体泵等等，与国外相比，虽然还存在一定的差异，但仍有很好的发展前景[3]。

二、高压共轨四缸柴油机进排气压力波动试验方案设计

对各工况下进排气压力波动情况主要使用的是压力波平均值、压力波均方根以及强度评价。柴油机输出功率的增加是依赖于增压或者是超高增压的方式来完成的，这样增加了发动机功率，让发动机的体积变小，从而使安装在车辆上的发动机更为紧凑。其中，涡轮增压对柴油机是非常有利的，主要是因为涡轮机调整了工作流程，使进排气工作更加高效。此外，在有些工况下，还能有效降低废气噪声污染，所以涡轮增压是目前柴油机最佳的动力源[4]。在具体试验时，主要使用的柴油机类型是缸径四缸高压共轨柴油机。对各工况条件下，柴油机进排气管的瞬态压力进行测量，测量时间要控制好，最好是隔0.1度对电力信号进行采集，模拟海拔高度，转速分别是2200r/min、4000r/min……。各转速有对应的最大负荷值，其中，最大的负荷值为75%。

三、高压共轨四缸柴油机进排气压力波动测试结果分析

1、排气管瞬态压力

经相关试验及有关资料得出，随着负荷的不断增加，压力波曲线也会随之提高，在转速相同，负荷不同的情况下，压力波曲线转角变化趋势是一样的，与波峰相对的取转角位置也是几乎不变的，这是由于柴油机负荷变化情况主要是由喷油量进行调节，而进到气缸中的空气量基本不会受到负荷变化的影响。如果发动机的负荷变大，喷油量也会随之增多，过量空气系数也会随之减小，其热量也会增加，缸内燃烧温度也会逐渐上升。所以，当负荷增加时，气缸就会排除大量的废气能量，波峰值也会随之提高[5]。

在柴油机进排气循环过程中，4个气缸在排气的过程中所产生的波峰值也存在一些差异，这是因为各气缸距压力波传感器距离的差异导致的。

在转速不同的情况下，排气时排气管入口压力会随着曲轴转角的变化而变变化。在转速增加时，排气压力相对的曲轴转角会随着往后移动，波峰值也会提升。这是因为在排气管中的压力波是用声速来传播的，排气长度不发生变化时，若转速增加，曲轴角度也会随之增加，所以，才会存在当转速增加时，压力波峰会向后移的情况。

2、进气管瞬态压力

在上述所提到的各转速、各负荷情况下，进气时，进气管随压力曲轴转角变化趋势：在负荷增加时，近期压力波峰值会随之上升；在转速不一样的情况下，进气压力波峰值基本不会随着曲轴转角的变化而变化，转角位置也大致不变。当负荷增加时，进气压力也会随着上升，在图中所示的两种工况下，进气压力值会随着减小，如果是外特性，3200r/min、4000r/min进气平均压力会有所不同，4000r/min进气平均压力会比2200r/min进气平均压力要小。并且，在负荷增加时，进气压力波均方根也会随之增加，但从进气波动的整体情况看，并未出现多大的波动[6]。

在各转速下，进气压力波动情况存在明显的差异，转速变化、进气波动强度也会随之改变，这和进排气系统整体构成、位置等有着密切的联系。

四、结论

（1）如果转速相同，负荷不同，进排气压力的变化规律大致是相同的，与波峰值相对的曲轴转角位置也大致是一致的，与负荷大小并无多大关系，在距进气门约270°的位置；在负荷增加时，压力波峰也会明显提升；而在外特性条件下，转速增加时，曲轴转角会向后移动，波峰值也会提升。

（2）当转速一样，负荷不同的情况下，排气压力的波平均值、压力波强度等都会随负荷的加大而逐渐加大。

（3）当转速一样，而负荷不同的情况下，波峰值会随着上升，进气压力波动曲线基本不会随曲轴转角的变化而變化，转角位置也大致相同；在进气压力波动规律大致一样，负荷变大时，进气压力值也会随之增大，但波动强度并无多大区别，变化很小。

进排气压力的瞬态特性对泵气损失、充气效率以及涡轮增压器废气能量利用有重要影响。由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷油规律进行柔性调节的特点，该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。这就需要我们加大对高压共轨系统的研究力度，使我国的柴油机水平跨上一个新的台阶。

参考文献

[1]周裕干，丁明，田伟.农用车和轻型机动车及其小缸径多缸柴油机的现状和动向[J].山东内燃机，2015，9（02）：215-218.

[2]杜巍，单文诣，刘福水.排气管结构对多缸增压柴油机进气不均匀性的影响[J].北京理工大学学报，2016，12（02）：580-584.

[3]刘慧杰，毕玉华，申立中，等.两缸增压中冷柴油机排气压力波动与影响因素研究[J].机械设计，2017，3（6）：130-135.

[4]姚春德，傅晓光，纪兆琳.进排气系统的阻力对车用柴油机性能影响的研究[J].小型内燃机与摩托车，2016，30（05）：125-129.

[5]韩固勇，邓建，周骏.泵气平均有效压力与排气压力波关系的试验研究[J].车用发动机，2017，9（05）：161-165.

[6]丁志国，赵威建，等.两缸增压中冷柴油机排气压力波动与影响因素研究[J].农业装备与车辆工程，2018，9（05）：251-259.

（作者单位：海军工程大学）