配气定时对柴油机性能优化的仿真分析

徐忠康，李明海，王娟

（116028 辽宁省 大连市 大连交通大学 机车车辆工程学院）

0 引言

人们对环境保护的日益重视，以及高铁的快速发展，都对机车柴油机提出了更加严苛的要求。在节能减排的优化中，配气定时对柴油机的运转有着关键性的影响，影响着缸内的燃油是否能有充足的氧气进行燃烧，而且这将影响柴油机的有效功率（Brake Power）、平均有效压力（BMEP）、燃油消耗率（BSFC）、碳烟（SOOT）的排放量和氮氧化物（NOX）的排放量。为了优化该机型的部分性能，使用建模仿真手段对该机型进行模拟仿真[1-8]，有助于快速计算出各优化方案对柴油机性能的影响，进而寻找出综合情况最优的方案，然后再进行实机验证，可以缩短周期，节约经费，加快优化研究进程。

1 模型的建立与验证

1.1 模型建立

采用由美国GAMMA 公司开发的发动机仿真软件GT-Power，建立16V280 型柴油机的仿真模型，如图1 所示。该型柴油机的参数如表1 所示。

图1 16V280 型柴油机的仿真模型Fig.1 Simulation model of 16V280 diesel engine

表1 16V280 型柴油机参数Tab.1 Parameters of 16V280 diesel engine

1.2 模型验证

在标定转速下对负荷率为25%，50%，75%，100%的工况进行仿真值与实验值[9]的比较，得到有效功率、燃油消耗率、平均有效压力的对比图，如图2 所示。

图2 仿真值与实验值对比图Fig.2 Comparison of simulation value and experimental value

从上面的实验值与计算值的对比图可以看出，该仿真模型能够在允许的误差范围内仿真出整机工作时的数据，因此该模型的建立是准确、可靠的，能够在此模型的基础上进行配气定时优化的研究。

2 方案确立与仿真结果

在寻找最优方案过程中，考虑的变量、因素越多优化后结果准确性越高、可靠性越好，但同时也增加寻找难度与工作量。因未对该机型进行大的改动，依旧采用原机的进排气门升程曲线。为减少计算量，对配气定时进行±8 °CA 范围内的局部优化，以部分改善该机型的油耗和排放[10-11]。原机型进气凸轮定时角为442.5 °CA,排气凸轮定时角为268 °CA，气门重叠角为120 °CA。原机的进排气门升程曲线如图3 所示。

图3 进排气门升程曲线Fig.3 Intake and exhaust valve lift curve

2.1 进，排气凸轮定时角优化方案

排气门提前开启可以减少排气阻力，使排气更加干净；进气门延迟关闭，可以延长进气时间，增加进气量。气门重叠角适当时，可以在气缸内达到很好的扫气效果，以减少气缸内的残余废气，达到降低排放的目的。所以，对进排气凸轮定时角进行优化方案设计[12-14]，以达到改变气门重叠角的目的，以便寻找较优的气门重叠角。

进气凸轮定时角优化方案如表2 所示，排气凸轮定时角优化方案如表3 所示。

表2 进气凸轮定时角优化方案Tab.2 Timing angle optimization scheme of inlet cam

表3 排气凸轮定时角优化方案Tab.3 Timing angle optimization scheme of exhaust cam

2.2 DOE 优化及后处理

使用DOE 对上述的进排气凸轮定时进行组合计算，组合后得到的优化方案包括81 个不同的进、排气凸轮定时的组合方案，而每个方案又包括25%，50%，75%，100%共4 个负荷工况，共计324 个优化方案。计算完成后进行数据处理与结果分析。

不同组合对有效功率的影响结果如图4所示，不同组合对燃油消耗率的影响结果如图5 所示。

从结果可以分析出，在所有优化方案中进气凸轮定时角越小、排气凸轮定时角越大时，有优化效果越好的趋势，但是无法准确判断出综合情况最优的方案。于是将计算完成后的方案，使用有效功率、燃油消耗率、氮氧化物排放量和碳烟排放量作为寻优条件，分别对每个工况下的81个方案进行寻优，找出每个工况下每个条件最优的5 个方案，再通过对已寻优完成的方案，进行最后的综合分析。方案寻优结果如图6 所示。

图5 不同组合对燃油消耗率的影响Fig.5 Effects of different combinations on specific fuel consumption

图6 方案寻优结果Fig.6 Optimization results of the scheme

由上述寻优结果，在每个工况下的重复性分布通过分析可得，组合优化方案中的方案73 在4种负荷工况下优化覆盖率2-4-4-4 最高，优化的工况范围最广，所以综合来看方案73 是最优的方案。方案73 的优化组合为，进气门凸轮定时434.5 ° CA，排气门凸轮定时角276 ° CA，气门重叠角136 ° CA。这一优化组合结果符合上面云图分析出的趋势。对比方案73 与原机型方案41，结果如图7 所示。该方案虽然在有效功率方面改善不明显，但对燃油消耗率，氮氧化物的排放量和碳烟的排放量有了一定程度的改善。

3 结论

（1）优化计算结果表明，方案73 的效果最好，使得燃油消耗率平均降低了1%，在25%负荷时降低了2.1%；氮氧化物的排放量平均降低了3%，在100%负荷时降低了4.1%，在75%负荷时降低了4.2%；碳烟的排放量平均降低了34%，在50%负荷时降低了40%。

（2）在进排气凸轮安装时，可以通过旋转、调整凸轮轴的安装角度，即可以达到本文中最终的优化方案设计效果，极大节省了实机优化的时间与成本。

（3）由于设备和计算时间的限制，只分析了9 个进、排气定时角组合的影响，不完全也不充分，只是在有限的条件下得到了最优的改进方案，有条件的话可以进行更细致的优化，以得到更好的优化方案。