1 前言

針對大中型柴油機，行業(yè)已基本形成“無機不增壓”的局面，渦輪增壓技術(shù)也逐漸覆蓋到中小型發(fā)動機。MPC增壓系統(tǒng)解決了脈沖排氣管存在的壓力波反射等問題，并且結(jié)構(gòu)簡單，整機易于安裝布置，同時具有排氣脈沖能量利用率高，渦輪效率高等優(yōu)勢，MPC系統(tǒng)已成為排氣管設(shè)計的主流技術(shù)

。原柴油機由于匹配的雙增壓器選型較大，轉(zhuǎn)動慣量較大，在柴油機瞬態(tài)工況條件下，增壓器的轉(zhuǎn)速變化較慢，增加了瞬態(tài)工況的響應時間，同時由于發(fā)火順序以及排氣管結(jié)構(gòu)的原因，導致各缸排溫不均勻，進而影響發(fā)動機的使用壽命

。重新匹配小型四增壓器后發(fā)現(xiàn)，排溫不均勻性依然存在，單列的最大溫差為156K，缸內(nèi)掃氣不暢成為影響各缸進氣量的主要原因。根據(jù)這些問題的提出，對MPC排氣管進行重新設(shè)計，利用仿真手段研究新設(shè)計MPC排氣管對柴油機排溫均勻性、低速外特性及瞬時工況響應性等方面的影響，并對進排氣閥升程曲線優(yōu)化，找出最優(yōu)排氣管方案。

2 研究對象

提出了兩種排氣管設(shè)計方案，即八缸共用一根排氣管(簡稱“八缸共管”)和四缸共用一根排氣管(簡稱“四缸共管”)。主要從排氣總管、縮口率的角度設(shè)計新型MPC排氣管，兼顧進氣正時選取合理的特征參數(shù)。排氣管縮口率對平均換氣損失壓力及容積效率的影響程度較大，對柴油機的功率、油耗及爆壓的影響卻較小，可按照設(shè)計準則進行選取

；排氣總管管徑的大小對柴油機的性能十分重要，小管徑在低速時可降低油耗，大管徑可提高高速時柴油機的性能。理論上，排氣管管徑選取越大，越有利于柴油機穩(wěn)態(tài)工況性能，但選取過大影響柴油機的瞬時工況響應性，應綜合考慮選取

；進氣閥開啟正時的大小影響柴油機的輸出功率、爆壓及油耗有不同程度的影響，但都會有最優(yōu)值的選取

。目前，進氣閥開啟正時為310°CA，調(diào)整進氣閥的開啟延遲，可以改變氣缸的掃氣條件，減少各缸的掃氣干擾，從而改變各缸排溫。進氣閥的開啟延遲過大，各缸排氣不均勻性越小，掃氣時間越短會造成排溫的升高，考慮排溫的限制，因此，將進氣閥開啟延遲控制在10°CA較為合理。采用八缸共管時，考慮連續(xù)兩缸排氣對掃氣的干擾，因此第三缸排氣管采用MMPC排氣管，排氣管設(shè)計方案特征參數(shù)選取見表1。

多學科交叉、多領(lǐng)域融合是高校學科發(fā)展的必然趨勢。多學科交叉與融合不單純體現(xiàn)在不同學科、專業(yè)人才之間的融合上，也體現(xiàn)在高層次人才培養(yǎng)方面，如中醫(yī)院校嘗試招收前置專業(yè)為非中醫(yī)專業(yè)（如文學、西醫(yī)學等專業(yè)）的中醫(yī)或中西醫(yī)結(jié)合類研究生。這類學生熱愛中醫(yī)、喜歡中醫(yī)，多數(shù)曾自學中醫(yī)，能跳出中醫(yī)專業(yè)學生的固有思維，從不同角度審視中醫(yī)，但沒有經(jīng)過系統(tǒng)的中醫(yī)學教育，中醫(yī)學基礎(chǔ)知識相對薄弱。

3 兩種方案對柴油機的性能影響

3.1 低速外特性

計算過程將柴油機的過量空氣系數(shù)最小值限定在1.2，當柴油機過量空氣系數(shù)小于該值時，認為燃料不能正常燃燒，柴油機不能正常工作。發(fā)動機在400～600r/min時，兩種方案的外特性參數(shù)結(jié)果見圖1。

由圖1可知，兩種方案的外特性排溫、缸壓以及過量空氣系數(shù)均未超過限制值，脈沖增壓相對于定壓增壓的優(yōu)勢在于在低工況時，脈沖增壓方式可以利用排氣的脈沖能量。當增壓比較高時，脈沖能量的損失可以忽略，脈沖增壓系統(tǒng)在渦前的壓力與溫度都周期性變化，進入葉片的氣流方向也周期性改變，造成局部撞擊能量損失，脈沖增壓系統(tǒng)效率降低

。

3.2 瞬態(tài)工況

圖2(a)中在10s時，增加缸內(nèi)噴油量，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從400r/min沿靠離特性加速至910r/min，扭矩3361.6N·m增加到17388N·m，四缸共管方案柴油機扭矩增加的速度略優(yōu)于八缸共管方案。兩種方案趨于穩(wěn)定所用時間相近，均在4s左右，原機雙增壓器的響應時間在8s。采用四增壓器對柴油機加速的響應提升較大，加速過程中采用四增壓器方案柴油機扭矩增加速度略快。圖2(b)中在10s時，減少缸內(nèi)噴油量，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從910r/min沿靠離特性減速至400r/min，扭矩從17388N·m減少到3361.6N·m八缸共管與四缸共管方案達到穩(wěn)定的時間均在6s左右，兩增壓器原機達到穩(wěn)定的時間8s，四增壓優(yōu)勢明顯。

發(fā)動機在靠離工況時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從400r/min增加到910r/min，靠離工況曲線為T=0.2101×n

。對該瞬態(tài)工況進行模擬，評估不同排氣管結(jié)構(gòu)的加速特性，由于發(fā)動機實際的轉(zhuǎn)動慣量無法得知，切換過程所用的時間只能作為不同管徑發(fā)動瞬態(tài)響應時間的相對比較，不是真實值。

針對柴油機進排氣閥升程曲線進行優(yōu)化，影響因子主要為：進氣閥開啟正時，進氣閥持續(xù)期系數(shù)，進氣閥升程系數(shù)，進氣閥峰值持續(xù)期，排氣閥開啟正時，排氣閥持續(xù)期系數(shù)，排氣閥升程系數(shù)，排氣閥峰值持續(xù)期。為了簡化計算，保持進排氣閥持續(xù)期系數(shù)和生成系數(shù)不變，對進排氣閥開啟正時以及峰值持續(xù)期進行優(yōu)化，其中排溫限制在560℃內(nèi)，過量空氣系數(shù)極小值為1.2，爆壓限制為120bar。各因子的取值范圍見表3。

3.3 排溫均勻性

排氣閥開啟正時是影響油耗和功率的主要因素，排氣閥開啟延遲越大，油耗越低，輸出功率越高。排溫和增壓壓力主要由排氣閥持續(xù)時間和排氣閥開啟延遲影響

。排氣閥開啟延遲增加，會增加柴油機的做功行程，發(fā)動機油耗逐漸降低，輸出功率增加，但相應的柴油機缸內(nèi)過量空氣系數(shù)會減小，延遲過大時，會低于過量空氣系數(shù)最低限制1.2，實際工作過程中會導致柴油無法正常燃燒，影響柴油機性能。

4 進排氣閥升程曲線優(yōu)化

八缸共管方案在各缸的排氣均勻性優(yōu)于四缸共管方案，在100%負荷，八缸共管方案的最高排溫771K(498℃)，而四缸共管方案最高排溫接近最高排溫限制，所以八缸共管方案的排溫特性更優(yōu),見圖3。

基于位置數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理下的網(wǎng)格，分別確定每個任務所在網(wǎng)格內(nèi)的任務數(shù)量、會員數(shù)量、會員平均能力。通過Matlab對任務和會員進行遍歷搜索，從而確定相應數(shù)值?？紤]到影響因子相似定義和求解思路，統(tǒng)一算法思想如下:對每個任務進行遍歷，確定一個任務下相對應的網(wǎng)格區(qū)域，進而對所有任務或者會員進行遍歷搜索，得到該網(wǎng)格內(nèi)相應任務 或會員數(shù)量以及會員能力。

隨機抽取16份稻谷樣品脫殼磨粉后用三種方法分別檢測鎘含量，以原吸法檢測鎘含量水平，從低到高編號，結(jié)果見表2。

由于現(xiàn)有大型鍛壓機械已無法在設(shè)備和工藝上進行大范圍的改動，因此，在設(shè)備、工藝及周圍環(huán)境已經(jīng)確定的情況下，隔絕噪聲的傳播途徑是降噪的主要措施。

若采用參數(shù)試驗、全因子設(shè)計、部分因子設(shè)計、正交數(shù)組、中心組合等方法需要計算試驗樣本點多。拉丁超立方設(shè)計

存在試驗樣本點分部不均勻的情況，為滿足較好的樣本點空間填充性和均衡性，本文采用最優(yōu)拉丁超立方生成樣本點。通過優(yōu)化表3內(nèi)參數(shù)，以達到功率、增壓壓力和過量空氣系數(shù)最高，油耗排溫最低的目標，最終得到表4中最佳進排氣閥參數(shù)。

對比兩種方案優(yōu)化后的柴油機各運行參數(shù)結(jié)果，見圖4。

優(yōu)化進排氣閥升程曲線可以改善柴油機低轉(zhuǎn)速外特性的性能，在400r/min時，八缸共管方案外特性功率從511kW提升至592kW，四缸共管方案外特性功率從481kW提升至541kW。除此之外，八缸共管方案平均排溫及油耗也優(yōu)于四缸共管方案。但是，進排氣閥升程曲線的優(yōu)化對柴油機高負荷和低負荷的影響較小，這是因為四缸共管在高速時由于管路短，較于八缸共管能及時作出響應，我廠所選用的配氣相位由于長期滿足中速機的開發(fā)，無法同時滿足高速情況下的負荷要求。在后續(xù)的開發(fā)中，還可綜合考慮其它部件對柴油機的影響，提高柴油機的高速性能。

5 總結(jié)

(1)對比兩種方案，八缸共管方案，排溫均勻性更好，100%負荷最高排溫更低，在螺旋槳工況的高轉(zhuǎn)速區(qū)域，八缸共管方案的油耗更低。八缸共管方案在低轉(zhuǎn)速外特性扭矩更高。靠離工況時，兩種方案響應性差別不大。

(2)對兩種方案的進排氣閥升程曲線進行優(yōu)化，解決了低轉(zhuǎn)速外特性輸出功率較小的問題。通過比較兩種方案改進后對柴油機的性能影響，可以發(fā)現(xiàn)，八缸共管方案在高工況條件下功率提升更高、油耗更低，并且排溫差異較為明顯，而低工況條件下，四缸共管方案的優(yōu)勢更為突出，從400r/min外特性角度分析，八缸共管的功率更高、排溫及油耗更低。因此，綜合分析八缸共管方案更適合所選柴油機。

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