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基于燃油消耗最小化的柴油機結(jié)構(gòu)研究

目前，發(fā)動機燃油消耗已經(jīng)引起了眾多發(fā)動機制造商的關(guān)注。設(shè)計新系列發(fā)動機往往需要投入眾多人員和資本，并需要進行相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和銷售市場擴展。因而，各發(fā)動機制造商都在進行發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以使所生產(chǎn)的發(fā)動機在滿足未來燃油經(jīng)濟性和排放法規(guī)要求的同時不需要做出較大改動。如英國里卡多公司已經(jīng)開發(fā)出一個中型發(fā)動機的通用機構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)其它類型的中型發(fā)動機，同時對其它配置的發(fā)動機優(yōu)缺點進行評估。本文對發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)進行了研究，仿真分析氣缸數(shù)、單氣缸氣門數(shù)及缸徑行程比變化對發(fā)動機燃油消耗的影響。

以一臺排量為1.5L的柴油機為例對該發(fā)動機的氣缸數(shù)、單氣缸氣門數(shù)以及缸徑行程比進行不同的配置，共14種（表1）。

表1　柴油機的14種不同配置

根據(jù)里卡多公司制定的發(fā)動機標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，發(fā)動機壓縮比設(shè)為定值16，缸內(nèi)峰值壓力設(shè)為16MPa。汽車數(shù)據(jù)取自同級別汽車的平均值，質(zhì)量為1400kg、輪胎半徑為0.31m，空氣阻力系數(shù)與迎風(fēng)面積的乘積為0.675m2。仿真循環(huán)工況包括新歐洲行駛循環(huán)工況（NEDC）、世界輕型車循環(huán)工況（WLTC）、美國高速循環(huán)工況（US06）和美國城市瞬態(tài)循環(huán)工況（FTP75）。采用WAVE軟件模擬發(fā)動機進排氣過程、FAST軟件對發(fā)動機進行快速摩擦分析，并利用傳遞路徑分析方法確定汽車NVH特性。分析結(jié)果顯示，所給出的14種發(fā)動機配置中，燃油消耗最小的配置為3缸、每缸4氣門，缸徑?jīng)_程比為0.95～1.05；每缸4氣門的燃油消耗優(yōu)于每缸2氣門。對于給定的發(fā)動機容量和氣缸數(shù)，由于噴油嘴位置和氣門尺寸的限制，每缸2氣門結(jié)構(gòu)較易實現(xiàn)；中轉(zhuǎn)速時，3缸發(fā)動機振動優(yōu)于4缸發(fā)動機；高轉(zhuǎn)速時，4缸發(fā)動機的燃油消耗小于3缸發(fā)動機；缸徑?jīng)_程比對燃油消耗的改善較小，按照傳統(tǒng)值可設(shè)為0.9～0.95之間。

Richard Cornwell et al.SAE 2015-24-2519.

編譯：李臣