基于常用工况的某柴油机性能优化研究

郎晓姣，孙万超

（261061 山东省 潍坊市 潍柴动力股份有限公司）

0 引言

整车用户对经济性的需求始终是越低越好，因此在保证过排放的条件下，如何降低用户循环经济性将是永恒的课题。目前降低油耗率的措施主要有提高爆压、轨压，增压器匹配，气道优化，配气相位优化，燃烧系统优化，隔热涂层，降摩擦等。如果通过研究一个工况点[1]的喷油提前角、喷油脉宽、增压压力、增压温度及EGR 率对发动机性能的影响，仅能体现额定工况变化规律，无法反应用户使用情况。从用户角度出发，研究使用工况，反推发动机性能优化方向是行之有效的。

本文从增压器匹配及气门升程优化两方面进行阐述，选取用户工况中的特征点及机型开发关注点，在试验开始前进行方案分析，从理论上分析各方案差异，提前预判能否达到降低经济性的目的。

1 特征点选取

从机型开发关注点及用户使用工况角度出发，选取万有特性中3 个特征点，如图1 所示。

图1 选取特征点Fig.1 Select characteristic points

2 增压器匹配

2.1 增压器方案分析

对增压器厂家提供的2 款增压器数据进行对比，数据分布如图2、图3 所示。

通过图2、图3 对比可知，01 方案压气机端同00 方案相比，流量相当，喘振线相当，效率相当，确保常用工况点在压气机的高效率区；01 方案涡轮机端同00 方案相比，流量增加8%左右，1.8 左右膨胀相比效率提高17%。涡轮增压器通过优化流量，提升效率[2-3]，可以降低进排气损失，达到降油耗的目的。

图3 涡轮机端数据Fig.3 Data of turbine

2.2 试验验证

在保证动力性、中冷后温度、排气压力、爆压不超限值、空调出口压力、温度、湿度不变的条件下，通过调整不同的轨压及提前角，对比不同增压器方案的优劣势，具体结果如图4—图6 所示。

由图4 可知，额定点时，2 个增压器方案对比，方案1 油耗率降低3 g/(kW·h) 左右，烟度降低0.1 FSN 左右，涡轮后排温降低40 ℃左右。

图4 额定点性能对比Fig.4 Performance comparison of maximum power point

由图5 可知，常用工况1 点时，2 个增压器方案对比：方案1 油耗率降低2 g/(kW·h)左右，烟度相当，涡轮后排温降低5 ℃左右。

图5 常用工况1 点性能对比Fig.5 Performance comparison of common operating point 1

由图6 可知，常用工况2 点时，2 个增压器方案对比：方案1 油耗率降低0.5 g/(kW·h)左右，烟度相当，涡轮后排温相当。

图6 常用工况2 点性能对比Fig.6 Performance comparison of common operating point 2

通过不同增压器方案对比可知，在保证NOX比排放相同的条件下，高效率增压器可以降低油耗率，降低排温，烟度保持相当，但是油耗降低幅度随着转速降低而降低，负荷降低而降低，主要原因是不同增压器方案的效率及流量在各工况点不同，导致泵气损失不同，表现为油耗率降低幅度不同。

3 气门升程优化

3.1 气门升程方案分析

在原气门升程的基础上，仅将进气门升程提高1 mm，如图7 所示。适当增加气门升程，从而增大时面值，提高流通能力，降低经济性[4-5]。

图7 气门升程对比Fig.7 Valve lift contrast

3.2 试验验证

试验重点关注常用工况区，在保证动力性、中冷后温度、排气压力、爆压不超限值、空调出口压力、温度、湿度不变的条件下，进行配气相位相关试验，主要考察对油耗率的影响，具体结果详见图8 所示。

图8 常用工况区油耗率对比Fig.8 Comparison of fuel consumption rate in common operating points

由图8 可知，通过提升进气门升程[6]，常用工况区油耗优势＜0.5 g/(kW·h)，主要原因是气门升程的提升部分已经到了气门的大开度，流通能力提升不明显，但仍有所提升。在保证可靠性的前提下，建议设计进气门升程到最大。

5 结论

通过方案分析、试验验证得到如下结论：

（1）通过不同增压器方案对比，在保证NOX比排放相同的条件下，高效率增压器可以降低油耗率，降低排温，烟度保持相当，但是油耗降低幅度随着转速降低而降低，负荷降低而降低。主要原因是不同增压器方案的效率及流量在各工况点不同，导致泵气损失不同，表现为油耗率降低幅度不同；（2）通过提升进气门升程，常用工况区油耗优势＜0.5 g/(kW·h)，主要原因是气门升程的提升部分已经到了气门的大开度，流通能力提升不明显。在保证可靠性的前提下，建议设计进气门升程到最大。