王 文，楊天軍，劉新華，陳東峰，張?zhí)杰?，諸 剛，金玉梅，郭海濱

（1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大同 037036；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442；3.駐河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司軍事代表室，河北 石家莊 050081）

單缸機(jī)試驗(yàn)臺(tái)作為整機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)匹配的基礎(chǔ)驗(yàn)證平臺(tái)，其試驗(yàn)技術(shù)研究是柴油機(jī)研制的重要工程基礎(chǔ)，是柴油機(jī)核心技術(shù)突破所必經(jīng)的研究階段。為滿(mǎn)足高功率密度柴油機(jī)研發(fā)需要，單缸試驗(yàn)技術(shù)的研究已刻不容緩，作為單缸試驗(yàn)技術(shù)突破的關(guān)鍵，在單缸柴油機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行整機(jī)進(jìn)、排氣特性的模擬成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

單缸機(jī)和多缸機(jī)氣缸數(shù)不同，進(jìn)、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不一致，其工作條件有很大差別，特別是在模擬脈沖增壓工況時(shí)，進(jìn)、排氣管中的壓力波波形和頻率是隨缸數(shù)和轉(zhuǎn)速變化的，所以要想做到單缸機(jī)的進(jìn)、排氣與多缸機(jī)完全一致是不可能的。本研究通過(guò)在單缸機(jī)進(jìn)氣管上加裝特定的模擬裝置，合理選擇參數(shù)，使其盡可能與整機(jī)進(jìn)氣相似，在單缸和整機(jī)之間建立一定的比對(duì)關(guān)系。

1 單、多缸柴油機(jī)進(jìn)氣壓力波特征分析

為準(zhǔn)確獲取單、多缸柴油機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)的壓力變化情況，利用仿真計(jì)算和臺(tái)架實(shí)測(cè)兩種手段進(jìn)行。在132系列單、多缸柴油機(jī)臺(tái)架上利用DEWETRON燃燒分析儀和KISTLER進(jìn)氣壓力波傳感器進(jìn)行了進(jìn)氣壓力波的測(cè)量，獲取了132系列單、多缸柴油機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)壓力變化曲線（見(jiàn)圖1和圖2）。根據(jù)1015系列單、多缸柴油機(jī)參數(shù)及進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)，利用一維仿真計(jì)算軟件boost建立仿真計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算獲取了理想狀態(tài)條件下的單、多缸進(jìn)氣管內(nèi)壓力變化曲線（見(jiàn)圖3和圖4）。

單缸柴油機(jī)采用模擬增壓進(jìn)氣系統(tǒng)，進(jìn)氣通過(guò)模擬增壓進(jìn)氣系統(tǒng)經(jīng)進(jìn)氣管直接進(jìn)入氣缸。由圖1可以看出，在單缸機(jī)的每個(gè)進(jìn)氣沖程內(nèi)，進(jìn)氣壓力逐漸衰減，直至進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉。而圖3為仿真計(jì)算的氣缸進(jìn)氣壓力變化情況，可以看出，在單缸機(jī)進(jìn)氣沖程內(nèi)，自進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟至關(guān)閉期間，進(jìn)氣壓力同樣也呈現(xiàn)出衰減趨勢(shì)，但卻與圖1實(shí)測(cè)壓力變化有很大區(qū)別。原因在于兩點(diǎn)：第一，兩者上止點(diǎn)定義不在同一個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角，為便于看清單缸機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的進(jìn)氣壓力波動(dòng)情況，采用燃燒分析儀測(cè)量進(jìn)氣壓力時(shí)，把排氣結(jié)束活塞達(dá)到上止點(diǎn)時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角定義成了“零度轉(zhuǎn)角”（見(jiàn)圖1）；第二，采用boost軟件仿真計(jì)算時(shí)，僅設(shè)定了單缸機(jī)某個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)氣壓力變化情況，沒(méi)有能模擬出整個(gè)工作循環(huán)的進(jìn)氣壓力變化情況，且一維仿真結(jié)果為理想壓力變化趨勢(shì)，進(jìn)氣沒(méi)有干擾因素。但通過(guò)圖1和圖3的對(duì)比分析可以看出，在單缸機(jī)的每一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，進(jìn)氣管內(nèi)的壓力均呈逐漸衰減趨勢(shì)，過(guò)渡平緩，有相似的變化趨勢(shì)。而通過(guò)圖2和圖4的對(duì)比分析，可看出仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果差異較大，原因在于理想狀態(tài)下的仿真計(jì)算忽略了其他氣缸的進(jìn)氣干擾和進(jìn)氣歧管本身結(jié)構(gòu)的影響，所以實(shí)測(cè)進(jìn)氣管內(nèi)壓力較理想狀態(tài)呈現(xiàn)出不規(guī)則波動(dòng)。

2 模擬方案的選擇

由上述測(cè)試與仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可知，多缸柴油機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)的不規(guī)則壓力波動(dòng)主要是由于其他氣缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)合對(duì)進(jìn)氣造成的壓力沖擊，同時(shí)受進(jìn)氣歧管自身結(jié)構(gòu)約束影響的結(jié)果，如若在單缸試驗(yàn)臺(tái)上模擬多缸柴油機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)的不規(guī)則壓力變化狀態(tài)，就需在單缸進(jìn)氣時(shí)在進(jìn)氣管內(nèi)增加外部不規(guī)則的氣流沖擊。

為在單缸試驗(yàn)臺(tái)上完成整機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)的模擬，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了諸多相關(guān)研究。通常是在單缸機(jī)缸蓋上安裝近似多缸機(jī)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣管或直接采用多缸進(jìn)氣歧管，在每個(gè)進(jìn)氣支管上引出放氣管路，其上安裝有電磁閥和氣體流量計(jì)，利用電磁閥的開(kāi)合來(lái)模擬多缸柴油機(jī)各氣缸氣門(mén)的開(kāi)閉，并同時(shí)測(cè)量排出的氣體流量（見(jiàn)圖5）。但目前電磁閥的開(kāi)合響應(yīng)速度無(wú)法趕上柴油機(jī)氣門(mén)開(kāi)閉的速度，柴油機(jī)氣門(mén)開(kāi)閉大約需42ms，而電磁閥開(kāi)合需要200～300ms，且電磁閥通徑越大，響應(yīng)速度越慢，故無(wú)法滿(mǎn)足模擬控制需要，導(dǎo)致單缸臺(tái)架上整機(jī)進(jìn)氣壓力模擬效果不佳。還有其他形式的模擬方案，比如采用整機(jī)缸蓋、外置氣源增減壓模擬控制等等，但都存在經(jīng)費(fèi)投入大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)用效果不明顯等問(wèn)題。

本研究采用進(jìn)氣“反射”原理來(lái)完成進(jìn)氣壓力波的模擬試驗(yàn)。在原有單缸柴油機(jī)進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，改變其結(jié)構(gòu)形態(tài)，使其在進(jìn)氣方向上生出多個(gè)“氣穴腔”，即形成進(jìn)氣壓力波模擬試驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖6）。進(jìn)氣管上“氣穴腔”的設(shè)置使得氣流通過(guò)時(shí)發(fā)生渦旋和氣體反沖，進(jìn)氣管內(nèi)的壓力隨之產(chǎn)生波動(dòng)，近似整機(jī)其他氣缸氣門(mén)開(kāi)合和進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣產(chǎn)生的影響。該模擬試驗(yàn)裝置可根據(jù)研究的需要，在一定范圍內(nèi)調(diào)整“氣穴腔”的數(shù)量和容積大小，以模擬出不同的壓力波形。

由于受條件所限，以前單缸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，對(duì)不同方案進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，擇優(yōu)選擇，無(wú)法進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展，利用仿真軟件對(duì)進(jìn)氣模擬系統(tǒng)進(jìn)行仿真和匹配計(jì)算成為可能。本研究利用Boost仿真軟件建立單缸機(jī)進(jìn)氣管帶有“氣穴腔”模擬進(jìn)氣系統(tǒng)模型，對(duì)“氣穴腔”容積進(jìn)行優(yōu)選。圖7示出仿真計(jì)算結(jié)果，從圖7與圖3的對(duì)比可知，氣穴腔的設(shè)置可以使進(jìn)氣管內(nèi)的壓力發(fā)生波動(dòng)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在制作模擬進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)，單缸機(jī)進(jìn)氣管主體結(jié)構(gòu)保持不變，在其上間隔布置不同規(guī)格的“氣穴腔”。為獲取“氣穴腔”容積及組合方式對(duì)進(jìn)氣壓力的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了容積分別為0.2L，0.32L和0.5L的3種規(guī)格的“氣穴腔”，兩兩組合安裝于單缸進(jìn)氣管上，形成6種形式的進(jìn)氣壓力波模擬裝置。進(jìn)氣管“氣穴腔”和單缸機(jī)進(jìn)氣模擬進(jìn)氣管見(jiàn)圖8和圖9。

在110單缸機(jī)上開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備包括Alpha160電渦流測(cè)功器、AVL415S油耗儀、FMT500－IG空氣質(zhì)量流量計(jì)、DEWETRON燃燒分析儀和KISTLER進(jìn)氣壓力波傳感器等。選取柴油機(jī)3600r／min時(shí)的標(biāo)定工況點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，待單缸機(jī)出水溫度保持在70℃、出油溫度保持在75℃時(shí)開(kāi)始進(jìn)行進(jìn)氣壓力波測(cè)量和性能數(shù)據(jù)記錄。

性能參數(shù)數(shù)據(jù)均在柴油機(jī)工況穩(wěn)定1min后同步記錄，主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。設(shè)置進(jìn)氣壓力傳感器采集頻率為0.1ms，在柴油機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)內(nèi)（即1／60s）采集2000多個(gè)進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)，然后繪制出進(jìn)氣壓力變化圖形。采用不同進(jìn)氣壓力波模擬裝置測(cè)試出的進(jìn)氣壓力變化曲線見(jiàn)圖10至圖15。

表1 進(jìn)氣模擬裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可看出，單缸機(jī)功率在60kW時(shí)，不同的進(jìn)氣模擬裝置對(duì)單缸性能產(chǎn)生了不同程度的影響，表現(xiàn)為進(jìn)氣量減小、油耗增高和排氣溫度上升等，并且“氣穴腔”容積越大、大容積“氣穴腔”距離柴油機(jī)進(jìn)氣口越近，上述現(xiàn)象越明顯。同樣，從進(jìn)氣壓力波形來(lái)看，“氣穴腔”容積越大、大容積“氣穴腔”距離柴油機(jī)進(jìn)氣口越近，進(jìn)氣波動(dòng)越大。不規(guī)則進(jìn)氣波動(dòng)的加劇，會(huì)影響缸內(nèi)進(jìn)氣量，進(jìn)而影響單缸柴油機(jī)性能，該方法的研究證實(shí)了通過(guò)單缸柴油機(jī)預(yù)測(cè)多缸柴油機(jī)性能的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在單缸柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展的進(jìn)氣管壓力波模擬試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了通過(guò)在進(jìn)氣管上布置“氣穴腔”來(lái)模擬整機(jī)進(jìn)氣壓力波動(dòng)的可行性?！皻庋ㄇ弧蹦M試驗(yàn)裝置可造成進(jìn)氣不規(guī)則的壓力波動(dòng)，模擬出不規(guī)則的整機(jī)進(jìn)氣壓力變化。但是，因有許多復(fù)雜影響因素，單缸模擬整機(jī)增壓進(jìn)氣壓力與實(shí)際情況難以做到完全相同，但通過(guò)該模擬方法的研究，在單缸機(jī)進(jìn)氣管上加裝特定的模擬裝置，并合理設(shè)計(jì)、精心調(diào)試，單缸模擬整機(jī)進(jìn)氣壓力試驗(yàn)仍然是研制和改進(jìn)柴油機(jī)設(shè)計(jì)的一種有效方法。為找到更準(zhǔn)確的單缸柴油機(jī)與多缸柴油機(jī)之間的對(duì)比關(guān)系，今后進(jìn)氣壓力波模擬研究需要結(jié)合排氣壓力模擬一起進(jìn)行。

［1］Cui Y，Pan W，Leylek J H，et al.Cylinder－to－cylinder variation of losses in intake regions of IC engines［C］.SAE Paper 981025，1998.

［2］王興海，謝程寧，寧 智.排氣壓力波對(duì)柴油機(jī)性能的影響分析［J］.柴油機(jī)，2007（5）：13－17.

［3］程慶瀾，吳小江.單缸柴油機(jī)進(jìn)氣管氣流運(yùn)動(dòng)和壓力波動(dòng)的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，1995，16（2）：46－49.

［4］杜 巍，劉福水，李志杰.增壓柴油機(jī)進(jìn)氣壓力波動(dòng)規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29（3）：37－40.

［5］李景淵.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)性能分析研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2005.

［6］劉敬平.進(jìn)氣壓力波動(dòng)與多缸發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率－轉(zhuǎn)速特性形態(tài)的關(guān)系研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1997，15（2）：138－152.

［7］Hyvonen，Haraldsson G，Ohansson B.Balancing cylinder－to－cylinder variations in a multi－cylinder VCR－HCCI engine［C］.SAE Paper 2004－01－1897.