环境温度对柴油机性能影响规律及调整方法

仲杰，李先南，张文正，陈玮，孙鋆

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引言

柴油机环境变化时，空气密度和进气温度发生变化，影响进入气缸的新鲜空气量与增压压力，使柴油机的爆压与排温发生变化。环境温度降低时，柴油机压比和爆压上升、排温下降，反之则压比和爆压下降、排温上升[1-2]，当机械负荷或热负荷超限时还会影响柴油机的安全运行。随着柴油机电控技术的发展，燃油系统的灵活可调为柴油机适应各种温度环境提供了方便[3-6]。

喷油正时能够影响柴油机的爆压与热负荷。喷油正时提前，燃烧前移，排温下降，但上止点附近燃烧的燃油增多，爆压上升；喷油正时推后，燃烧后移，爆压下降，但后燃导致排温上升[7-10]，缸套传热增加。因此，在制定喷油正时调整策略时需综合考虑喷油正时对爆压和排温的影响，必要时进行功率修正。

本文中以某电控柴油机为研究对象，采用GT-Power仿真软件计算不同环境温度对柴油机性能的影响，并通过开展喷油正时调整与功率修正实现柴油机在环境温度为5～45 ℃时额定负荷的爆压与排温均满足设计要求。

1 建模

为了研究不同环境温度对柴油机性能的影响规律，利用GT-Power软件搭建了某电控柴油机的一维仿真模型，并根据试验数据对模型进行了标定，结果如图1、2所示。

由图1、2可知，缸内压力与放热率的试验与仿真结果吻合较好，仿真模型精度达到95%以上，能够满足工程仿真预测的需求。

图1 100%负荷缸压标定结果 图2 100%负荷放热率标定结果

2 不同环境温度仿真计算

基于标定的仿真模型，通过改变环境进气温度，得到柴油机额定负荷时各参数随环境温度变化的曲线，如图3所示。

a)增压压力和爆压 b)涡前排温和缸盖排温 c)油耗和过量空气系数图3 环境温度对性能的影响

由图3可知：随着环境温度上升，空气密度降低，柴油机进气量会下降，导致柴油机增压压力下降，爆压下降，同时由于进气流量下降，过量空气系数会减小，燃烧恶化，油耗上升；环境温度下降时趋势则相反。环境温度每下降5 ℃，该柴油机额定负荷增压压力上升约7 kPa，爆压上升约0.23 MPa，当环境温度低于20 ℃，爆压超出限值；环境温度每上升5 ℃，涡前排温上升8 ℃左右，缸盖排温上升9 ℃左右，过量空气系数下降0.05，油耗上升0.8 g/(kW·h)，当环境温度高于38 ℃，涡前排温与缸盖排温超出限值。

为保证柴油机可靠运行，对因环境温度改变带来的爆压与排温超限问题，采用喷油正时调整与功率修正的方法解决。

3 不同喷油正时仿真计算

调整喷油正时可以改变燃烧始点，从而改变整个燃烧过程。通常喷油正时提前，爆压上升、燃烧提前、排温下降；喷油正时推迟，爆压下降、燃烧推后、排温上升。图4为不同喷油正时对柴油机额定负荷性能的影响规律。

由图4可知，喷油正时对柴油机爆压、排温及油耗影响明显，喷油正时每推迟1°，柴油机爆压下降0.5～0.6 MPa，排温上升3 ℃左右，油耗上升1.7 g/(kW·h)。由此可见，对于爆压超限的情况可采用推迟喷油正时的方法，对排温超限的情况可采用喷油正时提前的方法。

a)爆压与排温 b)油耗图4 不同喷油正时对柴油机性能的影响

根据不同环境温度下仿真计算结果，环境温度为5 ℃时，爆压超出限值0.8 MPa，但涡前排温低于限值50 ℃；环境温度为45 ℃时，爆压低于限值1 MPa，但涡前排温超出限值12 ℃；结合喷油正时对爆压与排温的影响规律，则低温时调整推迟喷油正时排温的风险较小，但高温时提前喷油正时存在爆压超限的风险。为使各环境温度下的爆压与涡前排温均不超出限值，首先应考虑使用高爆压。

4 不同环境温度等爆压计算

基于模型开展等爆压计算，通过调整喷油正时得到对应环境温度25 ℃爆压时不同环境温度下的柴油机性能，并与等正时情况进行对比，结果如图5所示。

图5 等正时与等爆压下的柴油机性能对比

由图5a)、5b)可知，以环境温度25 ℃爆压为目标，对其他环境温度下的柴油机喷油正时进行调整，低温时喷油正时推迟，高温时喷油正时提前；喷油正时调整后，不同环境温度下的爆压基本与环境温度25 ℃时一致，达到了控制爆压的目的。

由图5c)、5d)可知，由于喷油正时改变，涡前排温与缸盖排温也相应改变。低温环境下，喷油正时虽有所推迟，但涡前排温与缸盖排温仍低于限值；高温环境下，喷油正时提前，涡前排温与缸盖排温有所改善，但受爆压限制，喷油正时不能无限提前，当环境温度超过40 ℃，涡前排温与缸盖排温仍高于设计限值。

由图5e)可知，喷油正时调整后，不同环境温度下的油耗变化趋于平稳，高温下喷油正时提前有助于降低油耗。

表1 喷油正时随环境温度修正表

根据计算结果，形成不同环境温度喷油正时修正量如表1所示，柴油机在运行过程中应根据环境温度进行喷油正时的自动调整。

5 功率修正计算

由图5可知，当环境温度超过40 ℃后，涡前排温与缸盖排温仍高于设计限值，此时必须进行功率修正。环境温度为40～45 ℃时不同负荷下柴油机的排温仿真结果如图6所示。

a)涡前排温 b)缸盖排温图6 不同负荷下涡前排温和缸盖排温

由图6可知,随着环境温度上升，各种负荷下的涡前排温与缸盖排温均上升；同一环境温度下，负荷越低，涡前排温与缸盖排温越低。以涡前排温与缸盖排温限值为控制目标，环境温度超过40 ℃后，环境温度每上升1 ℃，功率需下降约1%，当环境温度为45 ℃时，最大功率为95%额定功率。由此得到随环境温度功率修正公式为：

式中：P为环境温度为T时的柴油机额定功率；P0为柴油机标况下的额定功率；T为环境温度。

6 结论

1)环境温度对柴油机性能影响明显，环境温度降低，爆压上升，排温下降；环境温度上升，爆压下降，排温上升；当环境温度变化超过一定数值时，柴油机机械负荷与热负荷会超出设计限值。

2)调整喷油正时能够有效改变柴油机爆压与排温，低温时喷油正时推迟，爆压下降，且排温风险不大；高温时喷油正时提前，排温下降，但爆压上升，喷油正时修正量会受爆压限制；以等爆压为目标，可以得到不同环境温度时对应的喷油正时修正值。

3)在极热条件下，如果喷油正时调整后柴油机热负荷仍超过设计限值，需进行功率修正。