凸轮轴优化对柴油机性能提升的试验研究_韩金辉.pdf

2 0 2 3年第8期凸轮轴优化对柴油机性能提升的试验研究韩金辉,潘发存,李晶磊,董 朵(潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 2 6 1 0 0 0)摘 要:凸轮轴作为柴油机配气机构的重要组成部分,其中主要作用之一就是控制气门的周期性开启、关闭,实现对柴油机进、排气过程的精确控制。合理的配气相位及凸轮轴型线设计对柴油机性能的提升有着至关重要的作用。本文通过对试验验证结果的分析,研究了不同的凸轮轴方案的气门重叠角及进气门升程对柴油机性能与排放的影响,研究表明,通过适当的增大气门重叠角和进气门升程,可以有效提高柴油机充气效率的同时降低排温,进而提升柴油机性能。这对于柴油机的性能优化提升具有重要的指导意义。关键词:柴油机;凸轮轴;配气相位;气门升程;重叠角;充气效率 中图分类号:U 4 6 4.1 3 4+.1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 0 4-0 3E x p e r i m e n t a l S t u d yo nt h e I m p r o v e m e n t o fD i e s e lE n g i n eP e r f o r m a n c eb yC a m s h a f tO p t i m i z a t i o nH a nJ i n-h u i,P a nF a-c u n,L i J i n-L e i,D o n gD u o(W e i c h a iP o w e rC o.L t d.,S h a n d o n gW e i f a n g2 6 1 0 6 1)A b s t r a c t:A s t h em a i np a r to f t h ev a l v em e c h a n i s m,o n eo f t h em a i nf u n c t i o n so f t h ec a m s h a f t i st oc o n t r o lt h ep e r i o d i co p e n i n ga n dc l o s i n go f t h ev a l v e,s oa s t or e a l i z e t h ep r e c i s e c o n t r o l o f t h ee n g i n e i n t a k ea n de x h a u s tp r o c e s s.R e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o np h a s ea n dc a m s h a f tp r o f i l ep l a ya ni m p o r t a n t r o l e i nt h e i m p r o v e m e n to fd i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c e.I nt h i sp a p e r,t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tv a l v eo v e r l a pa n g l e sa n d i n t a k ev a l v e l i f to nd i e s e l e n-g i n ep e r f o r m a n c e a n de m i s s i o na r e s t u d i e d t h r o u g he x p e r i m e n t s.T h e r e s u l t s s h o wt h a t p r o p e r l y i n c r e a s i n g t h eo-v e r l a pA n g l eo f t h ev a l v ea n d i n t a k ev a l v e l i f t c a ne f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e i n f l a t i o ne f f i c i e n c y,r e d u c e t h ee x h a u s tt e m p e r a t u r e a n d i m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f t h ed i e s e l e n g i n e.I t h a s c e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o rd i e s e l e n g i n ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n.K e yw o r d s:D i e s e l e n g i n e;C a m s h a f t;V a l v e t i m i n g;V a l v e l i f t;O v e r-l a p;V o l u m e t r i ce f f i c i e n c y作者简介:韩金辉(1 9 8 4)男,山东日照人,汉族,工程师,硕士,研究方向为内燃机燃烧与排放。0 引言凸轮轴作为柴油机配气机构中的重要组成部分,主要承担着进排气门的周期性的开关,实现对柴油机进气、排气的合理控制。因此对于凸轮轴这个部件而言,合理的型线设计及匹配,对于柴油机动力性、经济性以及排放等关键性能指标均有直接影响,因此在内燃机设计上,对于凸轮轴的研究就非常有必要。本文以仿真推荐及试验验证的形式,分别对比分析了不同凸轮轴配气相位及进气门升程对于柴油机性能与排放的影响,为柴油机性能优化提升及凸轮轴选型提供了理论指导和试验数据支撑。1 仿真研究及方案推荐通过仿真论证气门重叠角和气门升程对柴油机性能的影响趋势,仿真D O E结果推荐的优化方案A和优化方案B为后续试验验证方案。图1 柴油机燃油消耗率和充气效率随气门重叠角变化趋势仿真结果图1为柴油机低速1 0 0 0转某工况下,燃油消耗 率(B S F C)和充气效率随气门重叠角变化的仿真结果。从中可以看出,随着气门重叠角的增大,充气效率提升效果明显,对应的燃油消耗率先有较为明显降低,呈现先急后缓的变化趋势。同时仿真计算了不同进气门提前开启角度(I V O)和排气门延迟关闭角度(E V C)下,柴油机燃油消耗率和充气效率的D O E变化趋势。从图2仿真结果可以看出,随着进气门提前开启角度的减小,充气效率逐渐降低。如进气门提前开启角度为上止点前5 0(I V O为3 1 0)变化到上止点前0(I V O为3 6 0)时,充气效率由0.9 6降低至0.9 1,对于油耗约有4 g/k Wh左右的影响。趋势也佐证了随着进气门提前开启角度的增大,柴油机进气的越发通畅,越有利于提升进气充量。同时从图2可以看出,随着排气门延时关闭角度在活塞下止点后的增大,柴油机充气效率随之增大,意味着柴油机缸内排气更加充分,新鲜进气充量越高。因此在气门重叠角一定的情况下,合理的进气门提前开启角度和排气门延迟关闭角度组合,对柴油机进气效率及性能产生不同程度的影响。但是从开启和关闭角度趋势来看,对于充气效率的提升具有一定的敏感范围,通过仿真计算,推荐表1中的优化方案A为提升气门重叠角4DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.015内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n方案。同时,在推荐的优化方案A的基础上,为进一步提升柴油机充气效率,仿真计算了进一步提升进气门升程方案。仿真结果显示,进气门由当前的9 mm提升至1 0 mm(优化方案B),柴油机充气效率略有提升,对于经济性约有0.2%的贡献程度。图2 柴油机燃油消耗率和充气效率随进气门提前开启角度和排气门延迟关闭角度的仿真结果2 试验对象和试验方法本次试验是基于某直列6缸、4冲程、增压中冷柴油机为研究载体,通过台架试验对比了推荐的气门重叠角和气门升程对柴油机性能提升的影响。如表1所示,为原凸轮轴方案与优化方案A和优化方案B的主要参数信息。原凸轮轴气门重叠角为3 4 d e g,优化方案A的气门重叠角则为4 4 d e g,其中进气门开启角度提前了5 d e g,排气门关闭角度则推迟了5 d e g。优化方案B是在方案A的基础上提升进气门升程到1 0 mm。表1 凸轮轴验证方案参数原方案优化方案A优化方案B凸轮轴升程(mm)进9进9进1 0进气门开启角度/I V O(d e g)3 4 23 3 73 3 7排气门关闭角度/E V C(d e g)3 7 63 8 13 8 13 试验内容及结果分析通过外特性试验和台架D O E试验,进行原方案凸轮轴与优化方案A的性能对比,验证气门重叠角优化对柴油机性能的影响。通过优化方案A和优化方案B的D O E对比试验,则进一步验证了进气门升程对柴油机性能与排放的影响。3.1 气门重叠角对柴油机充气效率影响图3 外特性下气门重叠角对柴油机充气效率影响试验 结 果 显 示:优 化 方 案A的 气 门 重 叠 角 增 大1 0 d e g,对柴油机充气效率提升效果非常明显,如图3外特性下气门重叠角对柴油机充气效率影响变化趋势所示。柴油机转速越高,这种效果越明显,柴油机在2 3 0 0转下,可提升充气效率约3%。这是因为随着气门重叠角的增大,越有利于扫除缸内残余废气量,提高进气终了的进气量。柴油机转速越高,进气终了的进气压力越高,受进气惯性影响越明显,扫气效果也越明显。随着充气效率的提升,柴油机排气温度亦会呈现较为明显的下降趋势,越有利于降低柴油机零部件的热负荷,对于提高柴油机的整机可靠性有一定的效果。3.2 气门重叠角对柴油机性能与排放影响为进一步研究气门重叠角对柴油机性能与排放方面的影响,在原方案和优化方案A状态下,分别选取柴油机高速、中速、低速三个转速段对应的额定工况、常用工况及低速工况进行D O E数据采集试验验证,以此来充分对比不同气门重叠角下柴油机性能与排放的变化规律。如图4所示为额定工况下不同气门重叠角对柴油机性能影响的变化趋势。从图中能明显看出,匹配气门重叠角增大的优化方案A,柴油机涡轮后排温明显更低,这一点与图3趋势是吻合的。这是因为随着充气效率的提升,柴油机进气量增加,达到了降低柴油机排气温度的效果。图4 额定工况下气门重叠角对柴油机性能影响分析另外从图4中可以看出匹配气门重叠角增大的优化方案A,柴油机经济性有所改善但降幅较小,约有0.5%的降低。一方面是因为柴油机高转速下的过量空气系数原本较高,另一方面则是因为进气门开启角提前带来的进气阻力损失在高速更明显。在此综合影响下,高转速区域的经济性优化幅度相对较小。正如图4中的柴油机烟度散点对比所示,凸轮轴优化方案A对烟度降低幅度影响也是较小。从图5所示的柴油机常用工况(中间转速)下原方案和优化方案A的D O E数据对比分析来看。采用优化方案A进行验证,柴油机的涡轮后排温和燃油消耗率均有不同程度上的降低,在烟度方面优化方案A效果则相对优势比较明显。图5 常用工况下气门重叠角对柴油机性能影响分析从图6所示柴油机低速工况下原方案和优化方案A的D O E数据对比分析来看。增大气门重叠角的优化方案52 0 2 3年第8期A对于低速性能的提升效果更加明显。随着气门重叠角的增大,涡轮后排温降低趋势显著,燃油消耗率降低约在2%左右,并且烟度优化幅度达到4 0%以上。图6 低速工况下气门重叠角对柴油机性能影响分析从以上的高中低三个不同转速工况下的性能与排放随气门重叠角变化趋势来看,柴油机转速越低,气门重叠角增大带来的性能提升效果也越明显。因此合理的优化凸轮轴气门重叠角度可以实现提升柴油机低速性能的目的。3.3 气门升程对柴油机性能与排放影响在提高气门重叠角优化方案A的基础上,进一步验证提升进气门升程方案B对柴油机性能与排放的影响。从图7中可以看出,进气门升程增加,外特性充气效率进一步提升,这一点与仿真结果一致。不同的是柴油机转速越高,对充气效率的提升则越明显,这主要是因为转速高,气门升程提高越有利于进气脉冲惯性带来的进气增加。同样涡轮后排温呈现与充气效率相对应的变化趋势。从经济性方面来说,高转速区过量空气系数的进一步提升,反而不利于经济性提升。从外特性的经济性变化趋势来看,适当的提升进气门升程对于柴油机低速性能提升是有一定作用的。图7 外特性下气门升程对柴油机性能影响选择柴油机高中低三个不同转速工况进行D O E数据对比,从图8所示进气门升程变化对经济性的影响上来看,趋势与图7外特性变化基本一致。高速区域经济性变差,中低速区域的经济性均有不同幅度的提升,越往低速经济性降幅越明显。从进气门升程优化前后的对比来看,进气门升程提升对于柴油机中低速经济性提升具有一定作用。柴油机低速过量空气系数低,对于进气的敏感度更高,综上针对凸轮轴的两个优化方案,对于柴油机低速性能具有明显的优化效果。图8 气门升程对柴油机性能影响D O E对比结果4 结论通过仿真推荐方案及试验验证可以得出以下结论:凸轮轴作为配气机构的重要组成部件对柴油机的进排气过程起着至关重要的作用,合理的配气相位及凸轮轴型线有利于提升柴油机性能。从柴油机外特性来看,增加气门重叠角有助于提高柴油机的充气效率,且柴油机转速越高,充气效率提升效果越明显。适当增加气门重叠角可以降低柴油机燃油消耗率、烟度和涡轮后排气温度;增加重叠角对不同工况油耗、烟度和排温等影响程度不同,而且转速越低,影响越明显。针对凸轮轴进气门升程的进一步优化验证,从外特性及D O E试验结果对比来看,适当提升进气门升程,对于柴油机中低速性能提升较为明显。凸轮轴的优化主要通过影响柴油机进排气影响柴油机性能,因此根据不同用途的柴油机可通过匹配不同参数的凸轮轴来达到提高柴油机需求转速区域的性能。参考文献:1 郎晓姣,孙万超.基于常用工况的某柴油机性能优化研究J.农业装备与车辆工程,2 0 2 2,6 0(0 8):1 3 9-1 4 1+1 6 1.2 周生彬,吕亚斌,刘蒙,李晓鹏,魏喜龙.某机型柴油机性能优化J.内燃机与配件,2 0 2 2(0 5).3 叶慧飞,郝志勇,郭磊,景国玺,王玉兴,苗瑞刚.几种非对称凸轮型线在下置式凸轮轴高速柴油机中的设计研究J.内燃机工程.2 0 1 0(0 4).4 刘德昌.柴油机凸轮轴改进路线探索J.科技风,2 0 1 6(1 9).5 潘健,孙鹏,刘有峰.凸轮轴正时齿轮的工艺方案设计J.金属加工(冷加工),2 0 2 0(S 1):1 8-2 1.6 余伟,余彪,曹江怀.某发动机配气正时系统问题解决J.汽车实用技术,2 0 1 8.2 2.0 5 4.7黄勇,黄忠文,叶年业,穆建华,张俊,唐海娇,朱茂强.优化凸轮轴及进气歧管设计改善发动机性能J.小型内燃机与车辆技术,2 0 1 5.8(4 4)8王艳芳,王少辉,梁彦勇.凸轮型线对发动机性能影响的研究J.装备制造技术,2 0 1 5(0 8).6