【船机帮】配气正时对船用柴油机低温起动性能的影响

随着船舶运行海域的扩大，船用柴油机工作环境变化幅度相应增大。

对于通常满足 5～10℃起动要求的船用柴油机，现在出现了环境温度-28℃甚至更低的应用需求。

而柴油机在低温环境下起动，存在转速低、摩擦阻力大、漏气量大、热量损失多等问题，对柴油机着火产生不利影响。

因此，有必要开展低温起动性能的相关研究，提高船用柴油机的环境适应性。 

影响柴油机低温起动性能的因素有很多，主要包括：

进气温度、起动转速、压缩比和配气正时等。

本文通过仿真分析，研究配气正时对船用柴油机低温起动性能的影响规律性。

1.研究对象 

本文以某型20缸船用柴油机为研究对象，通过仿真软件建立工作过程计算模型。

该型柴油机的相关参数如表1所示。

2.模型简化说明

低温起动过程具有瞬变特征，起动初期着火不稳定，起动力矩、转速、壁温等随时间变化，上一个循环对下一个循环的着火也有影响；

且瞬态计算模型的很多参数无法标定；

完整的油、水和壁面换热模型更为复杂，所以很难模拟发动机从0(r.min-¹ )到稳定运行过程的参数变化。

本模型以满足首循环着火为目标，不考虑上一循环对下一循环的影响，且在起动初期，增压器未介入柴油机的工作过程。

对仿真模型做如下简化：

(1)把瞬态模型简化为稳态模型，且忽略增压器、中冷器和沿程管路等对进气的阻力作用；

(2)假定活塞环开口间隙是漏气的唯一途径，气体流动假设为一维非定常可压缩绝热流动； 

(3)假定漏气过程恒定且满足等熵流动（流体系统每一部分的熵在运动过程中都保持不变的一种流动。）。缸套、活塞和活塞环间隙不随温度变形，活塞通道内的气体为理想气体；

(4)假定壁面温度恒定，不受多次循环对壁面温度的影响； 

(5)假定进气温度恒定，不受进、排气管系等传热的影响。

船用柴油机压缩终点温度的高低直接决定了起动性能的好坏，压缩终点温度越高着火环境越好，反之则说明柴油机起动更加困难。

所以在研究配气正时对柴油机低温起动性能的影响时，主要以压缩终点温度作为衡量起动性能的标准。 

1.进气门开启正时对柴油机低温起动特性的影响

进气门开启正时影响柴油机气门叠开角，气门叠开角过大会导致残余废气回流，使缸内压缩峰值温度升高，对柴油机着火性能产生重要影响。

在进气温度为0～-30℃、起动转速为220 (r.min-¹ )、压缩比为12时，计算分析进气门开启时刻变化对柴油机性能的影响。

进气门开启正时计算方案如表 2所示。 

图1 残余废气系数随进气门开启正时的变化

图2 充气效率随进气门开启正时的变化

从图 1和图 2可以看出：

残余废气系数和充气效率受进气门开启时刻影响较大，受柴油机进气温度变化的影响较小。

在进气门开启正时为319°CA左右时，残余废气系数最小而缸内充气效率最大；

进气门开启正时小于319°CA时，柴油机气门叠开角增大，高温废气回流，残余废气系数增大、缸内充气效率降低；

进气门开启正时大于403°CA时，气门重叠角过小，大量的高温废气无法排出，导致缸内充气效率降低，残余废气系数迅速增大。

图3 缸内最高温度随进气门开启正时的变化

由图 3可以看出：

在进气门开启时刻小于375°CA时，随着进气门开启正时的延迟，缸内压缩终点温度逐渐降低；

进气门开启正时为375°CA时，缸内最高温度最低，之后随着进气门开启正时的进一步延迟，缸内压缩终点温度急剧上升。

较高的压缩终点温度有利于柴油机的低温着火性能。

进气门开启正时对柴油机低温起动性能的影响，主要是柴油机残余废气和缸内充气效率共同作用的结果。

残余废气中含有大量较高温度的惰性气体 (H₂O蒸汽、N₂和 CO₂等)，高温废气对新鲜进气有一定的加热作用，但相比于新鲜的低温进气，惰性气体的比热容更大；在压缩过程中高温废气也吸收较多的热量，缸内压缩终点温度上升变慢。

当进气门开启正时不大于319°CA时，气阀重叠角过大，使残余废气回流，高温废气的加热作用使进气温度升高，压缩最高温度升高；

进气门开启正时在319～375°CA时，在残余废气和新鲜充量的共同作用下，基于废气中高比热容惰性气体的降温作用以及废气本身的高温加热作用，出现图3所示的随气阀重叠角减小残余废气系数减小，充气效率先增加后减小，缸内最高气体温度总体降低的现象；

当进气门开启正时大于375°CA，即气门重叠角过小甚至气阀重叠角为负时，缸内残余废气增加，随着进气门晚开，总的低温进气量也快速减少，高温废气的加热作用更加明显，使缸内压缩最高温度迅速升高，柴油机易于着火。 

2.进气门关闭正时对柴油机低温起动特性的影响

进气门关闭 (IVC)时刻直接影响柴油机有效压缩比，从而对柴油机压缩终点温度等产生影响。 

为了进一步研究进气门关闭时刻对柴油机低温起动性能的影响，设计进气温度为0～-30℃、转速为 220 (r．min-¹ )、压缩比为12时的计算配气方案 ，如表3所示。

图4 残余废气系数随进气门关闭正时的变化

图5 充气效率随进气门关闭正时的变化

从图4、图5残余废气系数、充气效率随进气门关闭正时的变化可以看出：

在进气门关闭正时不大于549°CA时，随着进气门关闭正时的增加，柴油机缸内新鲜充量增加，残余废气系数快速减小； 

随着进气门关闭正时的进一步增加，缸内残余废气系数逐渐减小，充气效率逐渐降低。

这是因为在下止点附近推迟进气门正时，能够利用进气惯性增加充量，但随着进气门关闭正时的进一步推迟，扫气效果不断增强，在正向压差的作用下，缸内的残余高温废气和部分新鲜空气排出，使残余废气系数减小，缸内充气效率降低。

图6 缸内最高温度随进气门关闭正时的变化

由图 6可以看出：

在相同的配气正时下，进气温度每降低 10℃，缸内最高温度降低约12℃；

气门关闭正时为549°CA左右时，缸内压缩终点温度最高，随着进气门关闭正时的提前或延后，缸内压缩最高温度均随之下降。

这主要是因为进气门关闭时刻影响柴油机缸内的新鲜进气量和高温废气量。

当进气门关闭过早时，进入气缸的低温空气较少，缸内残余废气增加，而残余废气多为比热容较大的惰性气体，过多的残余废气在压缩段吸收的热量较大，导致压缩最高温度降低；

相反，当进气门关闭过晚时，缸内扫气较为充分，新鲜空气带走了 较多的残余废气和缸内热量，使压缩最高温度降低，柴油机着火困难。

3.排气门正时对柴油机低温起动特性的影响

排气门提前开启会导致柴油机有较大的膨胀损失，且排气门开启 (EVO)正时主要影响缸内燃烧过程，对压缩终点温度影响不大，所以通过调节柴油机的排气门开启正时来影响其低温起动特性的作用不大。

但柴油机排气门关闭 (EVC)正时对于气阀重叠角有重要影响，通过调节气阀重叠角可以改变缸内残余废气系数和充气效率，从而改善柴油机的低温起动特性。

为了进一步分析排气门关闭正时对柴油机低温起动性能的影响，计算分析进气温度为0～-30℃、转速为220 (r· min-¹ )、压缩比为12时，排气门关闭正时变化对低温起动性能的影响，配气方案如表4所示。

图 7 残余废气系数随排气门正时的变化

图 8 充气效率随排气门正时的变化

从图 7和图 8可以看出：

缸内残余废气系数和充气效率受柴油机排气门关闭正时影响较大，随进气温度变化的影响较小。

当排气门关闭正时不大于367°CA时，随着排气门的晚关，气阀重叠角逐渐增大，缸内新鲜充量增加，残余废气量迅速降低； 

当排气门关闭正时大于367°CA时，过大的气阀重叠角会使高温废气回流，导致残余废气系数增大，缸内充气效率降低。 

图 9 缸内最高温度随排气门关闭正时的变化

从图 9可以看出：

柴油机缸内压缩终点温度随排气门关闭正时的延迟而降低，即柴油机缸内压缩终点温度随气阀重叠角的减小而升高，气阀重叠角为负时缸内最高温度急剧升高。

这主要是柴油机缸内新鲜空气和残余废气共同作用的结果。

随着柴油机关闭正时的延迟，柴油机气阀重叠角和缸内新鲜充量增加，高温废气减少，过多的冷空气带走了缸内的大部分热量，使压缩终点温度降低；

而柴油机排气门关闭正时过于提前甚至重叠角为负数时，大量的高温废气没有排出，从而对冷空气有一定的加热作用，同时伴随缸内新鲜充量的降低，进气温度整体升高，导致柴油机压缩终点温度升高。

END