船舶柴油机排气管性能优化设计研究

1 前言

针对大中型柴油机，行业已基本形成“无机不增压”的局面，涡轮增压技术也逐渐覆盖到中小型发动机。MPC增压系统解决了脉冲排气管存在的压力波反射等问题，并且结构简单，整机易于安装布置，同时具有排气脉冲能量利用率高，涡轮效率高等优势，MPC系统已成为排气管设计的主流技术

。原柴油机由于匹配的双增压器选型较大，转动惯量较大，在柴油机瞬态工况条件下，增压器的转速变化较慢，增加了瞬态工况的响应时间，同时由于发火顺序以及排气管结构的原因，导致各缸排温不均匀，进而影响发动机的使用寿命

。重新匹配小型四增压器后发现，排温不均匀性依然存在，单列的最大温差为156K，缸内扫气不畅成为影响各缸进气量的主要原因。根据这些问题的提出，对MPC排气管进行重新设计，利用仿真手段研究新设计MPC排气管对柴油机排温均匀性、低速外特性及瞬时工况响应性等方面的影响，并对进排气阀升程曲线优化，找出最优排气管方案。

2 研究对象

提出了两种排气管设计方案，即八缸共用一根排气管(简称“八缸共管”)和四缸共用一根排气管(简称“四缸共管”)。主要从排气总管、缩口率的角度设计新型MPC排气管，兼顾进气正时选取合理的特征参数。排气管缩口率对平均换气损失压力及容积效率的影响程度较大，对柴油机的功率、油耗及爆压的影响却较小，可按照设计准则进行选取

；排气总管管径的大小对柴油机的性能十分重要，小管径在低速时可降低油耗，大管径可提高高速时柴油机的性能。理论上，排气管管径选取越大，越有利于柴油机稳态工况性能，但选取过大影响柴油机的瞬时工况响应性，应综合考虑选取

；进气阀开启正时的大小影响柴油机的输出功率、爆压及油耗有不同程度的影响，但都会有最优值的选取

。目前，进气阀开启正时为310°CA，调整进气阀的开启延迟，可以改变气缸的扫气条件，减少各缸的扫气干扰，从而改变各缸排温。进气阀的开启延迟过大，各缸排气不均匀性越小，扫气时间越短会造成排温的升高，考虑排温的限制，因此，将进气阀开启延迟控制在10°CA较为合理。采用八缸共管时，考虑连续两缸排气对扫气的干扰，因此第三缸排气管采用MMPC排气管，排气管设计方案特征参数选取见表1。

多学科交叉、多领域融合是高校学科发展的必然趋势。多学科交叉与融合不单纯体现在不同学科、专业人才之间的融合上，也体现在高层次人才培养方面，如中医院校尝试招收前置专业为非中医专业（如文学、西医学等专业）的中医或中西医结合类研究生。这类学生热爱中医、喜欢中医，多数曾自学中医，能跳出中医专业学生的固有思维，从不同角度审视中医，但没有经过系统的中医学教育，中医学基础知识相对薄弱。

3 两种方案对柴油机的性能影响

3.1 低速外特性

计算过程将柴油机的过量空气系数最小值限定在1.2，当柴油机过量空气系数小于该值时，认为燃料不能正常燃烧，柴油机不能正常工作。发动机在400～600r/min时，两种方案的外特性参数结果见图1。

由图1可知，两种方案的外特性排温、缸压以及过量空气系数均未超过限制值，脉冲增压相对于定压增压的优势在于在低工况时，脉冲增压方式可以利用排气的脉冲能量。当增压比较高时，脉冲能量的损失可以忽略，脉冲增压系统在涡前的压力与温度都周期性变化，进入叶片的气流方向也周期性改变，造成局部撞击能量损失，脉冲增压系统效率降低

。

3.2 瞬态工况

图2(a)中在10s时，增加缸内喷油量，发动机转速从400r/min沿靠离特性加速至910r/min，扭矩3361.6N·m增加到17388N·m，四缸共管方案柴油机扭矩增加的速度略优于八缸共管方案。两种方案趋于稳定所用时间相近，均在4s左右，原机双增压器的响应时间在8s。采用四增压器对柴油机加速的响应提升较大，加速过程中采用四增压器方案柴油机扭矩增加速度略快。图2(b)中在10s时，减少缸内喷油量，发动机转速从910r/min沿靠离特性减速至400r/min，扭矩从17388N·m减少到3361.6N·m八缸共管与四缸共管方案达到稳定的时间均在6s左右，两增压器原机达到稳定的时间8s，四增压优势明显。

发动机在靠离工况时，发动机转速从400r/min增加到910r/min，靠离工况曲线为T=0.2101×n

。对该瞬态工况进行模拟，评估不同排气管结构的加速特性，由于发动机实际的转动惯量无法得知，切换过程所用的时间只能作为不同管径发动瞬态响应时间的相对比较，不是真实值。

针对柴油机进排气阀升程曲线进行优化，影响因子主要为：进气阀开启正时，进气阀持续期系数，进气阀升程系数，进气阀峰值持续期，排气阀开启正时，排气阀持续期系数，排气阀升程系数，排气阀峰值持续期。为了简化计算，保持进排气阀持续期系数和生成系数不变，对进排气阀开启正时以及峰值持续期进行优化，其中排温限制在560℃内，过量空气系数极小值为1.2，爆压限制为120bar。各因子的取值范围见表3。

3.3 排温均匀性

排气阀开启正时是影响油耗和功率的主要因素，排气阀开启延迟越大，油耗越低，输出功率越高。排温和增压压力主要由排气阀持续时间和排气阀开启延迟影响

。排气阀开启延迟增加，会增加柴油机的做功行程，发动机油耗逐渐降低，输出功率增加，但相应的柴油机缸内过量空气系数会减小，延迟过大时，会低于过量空气系数最低限制1.2，实际工作过程中会导致柴油无法正常燃烧，影响柴油机性能。

4 进排气阀升程曲线优化

八缸共管方案在各缸的排气均匀性优于四缸共管方案，在100%负荷，八缸共管方案的最高排温771K(498℃)，而四缸共管方案最高排温接近最高排温限制，所以八缸共管方案的排温特性更优,见图3。

基于位置数据网格化处理下的网格，分别确定每个任务所在网格内的任务数量、会员数量、会员平均能力。通过Matlab对任务和会员进行遍历搜索，从而确定相应数值。考虑到影响因子相似定义和求解思路，统一算法思想如下:对每个任务进行遍历，确定一个任务下相对应的网格区域，进而对所有任务或者会员进行遍历搜索，得到该网格内相应任务 或会员数量以及会员能力。

随机抽取16份稻谷样品脱壳磨粉后用三种方法分别检测镉含量，以原吸法检测镉含量水平，从低到高编号，结果见表2。

由于现有大型锻压机械已无法在设备和工艺上进行大范围的改动，因此，在设备、工艺及周围环境已经确定的情况下，隔绝噪声的传播途径是降噪的主要措施。

若采用参数试验、全因子设计、部分因子设计、正交数组、中心组合等方法需要计算试验样本点多。拉丁超立方设计

存在试验样本点分部不均匀的情况，为满足较好的样本点空间填充性和均衡性，本文采用最优拉丁超立方生成样本点。通过优化表3内参数，以达到功率、增压压力和过量空气系数最高，油耗排温最低的目标，最终得到表4中最佳进排气阀参数。

对比两种方案优化后的柴油机各运行参数结果，见图4。

优化进排气阀升程曲线可以改善柴油机低转速外特性的性能，在400r/min时，八缸共管方案外特性功率从511kW提升至592kW，四缸共管方案外特性功率从481kW提升至541kW。除此之外，八缸共管方案平均排温及油耗也优于四缸共管方案。但是，进排气阀升程曲线的优化对柴油机高负荷和低负荷的影响较小，这是因为四缸共管在高速时由于管路短，较于八缸共管能及时作出响应，我厂所选用的配气相位由于长期满足中速机的开发，无法同时满足高速情况下的负荷要求。在后续的开发中，还可综合考虑其它部件对柴油机的影响，提高柴油机的高速性能。

5 总结

(1)对比两种方案，八缸共管方案，排温均匀性更好，100%负荷最高排温更低，在螺旋桨工况的高转速区域，八缸共管方案的油耗更低。八缸共管方案在低转速外特性扭矩更高。靠离工况时，两种方案响应性差别不大。

(2)对两种方案的进排气阀升程曲线进行优化，解决了低转速外特性输出功率较小的问题。通过比较两种方案改进后对柴油机的性能影响，可以发现，八缸共管方案在高工况条件下功率提升更高、油耗更低，并且排温差异较为明显，而低工况条件下，四缸共管方案的优势更为突出，从400r/min外特性角度分析，八缸共管的功率更高、排温及油耗更低。因此，综合分析八缸共管方案更适合所选柴油机。

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