柴油机压缩比对整机性能的影响研究(发表稿)

柴油机压缩比对整机性能的影响研究

马富康 董小瑞 张 翼

（中北大学 车辆与动力工程系，山西 太原 030051）

摘要：文中分别从理论分析和模拟计算的角度，定性、定量的分析了柴油机压缩比与其工作参数的关系和对整机性能参数的影响规律。通过分析计算，为柴油机压缩比的合理选择和燃烧系统准确设计提供了理论依据。

关键词：压缩比；增压柴油机；模拟计算；影响

Effects of Compression Ratio on Performance of Diesel Engine

MA Fu-kang Dong Xiao-rui Zhang Yi

(Dept. of Vehicle and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract ：The ways of the theory analysis and simulation calculation on the diesel engine are introduced in this article. The theoretical analysis and experimental research are performed in order to resolve the relations and effect rules between the compression ratio and the parameters working and performance. By the analysis and simulating calculation, the theory base is been provided for the selection of compression ratio with reason and the design of combustion system ． Key words ：Compression ratio ；Turbocharged diesel engine ；Simulating calculation ；Effect 1 概述

柴油机在压缩行程中以压缩比表示工质的容积变化，其值的大小直接影响柴油机循环热效率、平均有效压力、充气效率等。在整个研究过程中，一方面，从理论的角度定性分析了柴油机压缩比对整机性能参数的影响关系；另一方面，从模拟计算的角度，以WD615柴油机为例定量研究柴油机压缩比对其主要性能参数的影响以及其变化规律，并找出其最佳的匹配点[1]。本文对这些相互之间影响关系和变化规律作了系统的分析，以便了解压缩比对柴油机性能的影响，从而为确定燃烧室系统的型式和整机的匹配提供依据。 2 理论分析

2.1 压缩比对换气过程的影响关系

发动机换气过程的主要任务是尽量排除气缸内的废气并尽可能多的充入新鲜工质，每循

环进入气缸内的新鲜工质的量愈多，燃烧才能愈完全，以保证发动机的功率和扭矩[1]

。由柴油机原理可知，压缩比与充气效率和残余废气系数的关系为：

γεεξη+?

??-=111a a s s v T p p T (1)

r

a r

ρξερεργ-=

(2)

式中，v η为充气效率；γ为残余废气系数；r ρ为残余废气密度；a ρ、a T 、a p 为进气终了缸内气体的密度、温度和压力；s T 、s p 为进气状态下的温度和压力；ξ为补偿进气比。

由(1)、(2)式可见，压缩比减小，余隙容积增加，残余废气的相对量随之增加，充气效率降低，而废气系数增大，每循环的实际新鲜进气量减少，过量空气系数下降，换气质量变差，在发动机大负荷时燃烧会不完全，甚至冒黑烟。

2.2 压缩比对热力过程的影响关系

在发动机理论循环中，根据加热方式的不同可分为定容加热、定压加热和混合加热三种循环[2]，其中混合加热循环的理论循环热效率和平均有效压力的关系式为：

()()1111

11-+--?

-=-ρλλλρε

ηk k k tm (3) ()()[]tm a k

tm k k p p ηρλλεε?-+--?-=111

1 (4)

式中，η

tm 为理论循环热效率；

tm p 理论循环平均有效压力；ε为压缩比；λ为压力升

高比；ρ为预膨胀比；k 为绝热指数；a p 为压缩始点压力。

在其它参数不变的情况下，(3)、(4)式有：

111--=k tm c εη (5)

tm k

tm c p ηεε1

2-= (6)

式中，1c 、2c 均为常数。

由(5)、(6)式可以看出，随着压缩比的增大，可以提高循环平均吸热温度，降低平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，循环热效率和平均有效压力均增大，提高了理论循环经济性和动力性。

2.3 压缩比对燃烧品质的影响关系

在燃烧过程中，缸内最大爆发压力以及压力升高率取决于两个因素：一是着火延迟时间；另一个是着火延迟期内喷入气缸的燃油量。缩短延迟时间以及减少延迟期内的喷油量可以控制燃烧最大爆发压力和压力升高率，而着火延迟期又受压缩终了气缸内工质的压力和温度的影响。压缩终了气缸内工质的压力和温度愈低，着火延迟期愈长，燃烧品质差，工作粗暴。压缩比直接影响着压缩终了气缸内工质的压力和温度，具体的关系式为：

1-=n a c T T ε (7)

n a c p p ε= (8)

式中，a p 、a T 为进气终了气缸内工质的压力和温度；c p 、c T 压缩终了气缸内工质的压力和温度；n 为气缸内工质的多变指数。

由(7)、(8)式可以看出，压缩比减小，压缩终了气缸内工质的压力和温度降低，从而延长了着火延迟期，影响柴油机运转的平稳性和起动性。 3 模拟计算 3.1 计算模型的建立

为了更准确的分析研究柴油机的压缩比对其整机性能的影响情况，在研究过程中采用A VL 开发的柴油机性能、管系分析软件Boost 对WD615增压中冷柴油机性能模拟计算。先根据试验获得的基本性能数据，结合该机的一些主要结构数据，分别计算出最大扭矩点和标定点柴油机的性能参数；通过与试验数据的对比，获得上述转速点的整机性能参数。对WD615选择其最大扭矩点(1600 r/min)为匹配点，并结合6缸增压柴油机的特点采用了三脉冲增压系统，较好的利用了排气能量。

根据WD615的结构参数和试验测得的性能参数，采用Boost 软件的前处理程序建立计算模型如图１所示[3]。

图1 WD615柴油机计算模型

Fig. 1 The calculation model of WD615 diesel engine

3.2 模拟计算结果分析

根据原机试验获得的基本性能参数，结合该机的一些主要结构数据，分别计算出最大扭矩点和标定点柴油机的性能参数；通过与试验数据的对比，获得上述转速点的整机性能参数；在此基础上，以最大扭矩点为匹配点，标定点为参考点进行参数对比优化计算，得出不同的结构参数对该机性能的影响，从而为整机匹配和性能改进提供依据[4]。 3.2.1 计算结果对比分析

利用建立的计算模型，选取最大扭矩点(1600r/min)和标定点(2200r/min)进行原机性能模拟计算。计算结果与试验测量结果的对比见表1

表1 不同工况点计算结果与实测结果的对比实验

Tab.1 The contrast of calculation and experimentation result

in different working condition

从表1可以看出，主要性能参数的计算结果与实测结果基本相符，误差在允许的范围内。说明该计算模型与实际情况基本相符，以其作为基础进行的性能计算和分析具有可信性。 3.2.2 柴油机参数计算分析和优化

增压柴油机随着进气压力的提高，最高燃烧压力max P 和压力升高率p λ；也随之增加。为降低机械负荷，一般采用较小的压缩比；但压缩比过小，对于柴油机的燃烧性能和冷起动不利。因此需要综合考虑这两方面的因素，进行优化折衷[5]。

图2～4为WD615在1600r/min 时，不同压缩比条件下的柴油机性能变化规律。

图2 压缩比对最高燃烧压力和发动机功率的影响

Fig.2 The effects compression ratio

on the max combustion pressure and engine power

图3 压缩比对燃烧始点缸内温度和排气温度的影响

Fig.3 The effects compression ratio on the temperature of the combustion starting and exhaust

图4 压缩比对燃油消耗率的影响

Fig.4 The effects compression ratio on the fuel consume ratio

对燃烧室形状进行优化，有必要了解压缩比的变化对整机型性能的具体影响程度： 由图2可知：压缩比从14.5变化到16.5 的过程中，柴油机的max p 和e p 均呈上升趋势，且压缩比每增加0.5，最高燃烧压力约增加0.5 MPa 。

由图3可知：压缩比的增大能改善燃烧，提高柴油机的功率，提高燃烧始点的温度，排气温度略有下降。这说明提高压缩比还能改善柴油机的热负荷。

由图4可知：压缩比的增大能降低燃油消耗率，压缩比从14.5变化到16.5的过程中每增加0.5，燃油消耗率约降低1h KW g 。

综上，WD615的最高爆发压力出现在最大扭矩点(1600r/min)附近，通过性能模拟计算表明，压缩比为16(限值)时，最高爆发压力达13.4MPa ；而原机压缩比为15.5，最高爆发压力为12.95MPa ，距离限值13.5MPa 并无太大的提升空间。因此，原机在采用原有的燃烧室形状和喷油系统的条件下，己无法进一步提高压缩比来改善其燃烧品质和冷起动性能，降低燃油消耗率。 4 结论

压缩比作为柴油机燃烧室的形状参数，对整机热力过程的影响至关重要。合理设计燃烧室的结构型式、确定有效的压缩比来保证较好的换气质量，实现较高的燃烧品质，从而可以改善燃烧过程，提高柴油机的综合性能。

参考文献：

[1] 董 敬，庄 志，常思勤．汽车拖拉机发动机[M]．北京：机械工业出版社，1999． [2] 顾宏中．涡轮增压柴油机性能研究[M]．上海：上海交通大学出版社，1998年4月． [3] A VL BOOST User ’s Guide[M]．A VL LIST Gmbh ．December 1998．

[4] 吴 峰，强永平．内燃机工作过程模拟计算在大功率柴油机性能研究中的作用[J]．中国内燃机学会五届

一次学术年会论文集，2002．10:30-32．

[5] 顾宏中．柴油机增压参数估算[J]．上海内燃机学会第五届学术年会，1992．

作者简介：马富康（1979—），男，山西省五台县人，硕士研究生，主要从事内燃机总体技术及性能研究。

通讯地址：山西省太原市中北大学车辆与动力工程系 030051 联系方式：0351-******* 139********

E-mail: mfkang@https://www.wendangku.net/doc/0513037733.html,