1、调整参数对柴油机性能影响的试验研究第 24 卷第 6 期2003 年 n 月江苏大学(自然科学版)JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition)Vo1.24No.6NOV.2003调整参数对柴油机性能影响的试验研究衣丰艳,何仁,周丛钜(1.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013;2.广西大学机械工程学院,广西南宁 530001)摘要采用多因素正交回归旋转设计方法进行柴油机优化设计和调整.以 N485Q柴油机为研究对象,选用配气相位,进气门间隙,排气门间隙,转速和负荷等 5 个因素作为调整因子,设计因素5 水平试验方案.建立柴油机功
2、率,油耗率和烟度随调整参数而变化的数学模型,定量描述各调整参数对柴油机动力性,经济性和碳烟排放的影响.通过对模型的主效应分析,确定对柴油机性能影响程度较大的因素;通过模型的交互效应分析,找出配气相位和气门间隙对柴油机烟度排放的交互影响.关键词 柴油机 ;配气相位 ;气门间隙;主效应分析中图分类号TK413.4 文献标识码 A文章编号16717775(2003)06002905柴油机经过长期运转后,由于配气机构的磨损,变形,装配关系和气门间隙的改变,均会使配气相位发生改变,引起气门的不正常开闭和持续角变化,进而影响进,排气效率,并直接影响柴油机的动力性,经济性和废气排放性.配气相位的调整方法很多
3、,通常有偏移凸轮轴键位法(偏位键法),改变凸轮轴正时记号法,凸轮轴正时齿轮轴向位移法及气门间隙调整法等.其中效果最显着的属前两种.利用偏位键来调整配气相位,在常用的方法中相对来说较可取,其制作简单,负效应少.作者用偏位键调整配气相位,通过改变固定正时齿轮与凸轮轴的半圆键的断面形状,实现配气相位的调整.将该键的矩形断面改制成阶梯形,这样键的左右有所偏移,使正时齿轮与凸轮轴的配合位置变动一个与键的偏移量相应的角度.因此,凸轮轴的转动就使配气相位有所变动.键的偏移量可按下式近似计算:s=式中 S 为键的偏移量 ,mm;d 为凸轮轴装正时齿轮轴颈直径,mm;Aa 为需要调整的配气相位度数(以曲轴转角计
4、).为此,加工 4 个偏位键,它的度数分别是 2.,4.,6.,8.可正反方向安装,这样共得到 8 个不同的配气相位角度,再加上原来的配气相位角度,一共得到 9 个配气相位角度,利用这 9 个配气相位角度进行试验,研究配气相位角度变化对柴油机性能的影响.加工的偏位键的形状和安装方法如图 1 所示.(a)推迟配气相位(b)提前配气相位图 1 偏位键安装图Fig.1Asemblygraphicsofkey偏位方向的确定:采用偏位键调整配气相位的方法较为简便且有成效,但必须注意键安装方向.若方向装错,则效果可能比调整前更差.图 1 中,凸轮轴的旋转方向为逆时针方向,推迟配气相位时,键顺凸轮轴方向转向
5、偏移,反之为提前.1 试验方法在柴油机优化设计和调整试验中,经常涉及到多因素的优化组合问题,诸如燃烧室各设计参数的优化组合或燃烧室与柴油机高压油泵柱塞各设计参收稿日期2003053O基金项目 江苏省社会发展基金资助项目(BS2000383)作者简介 衣丰艳 (1972 一). 女,山东莱阳人.博士生.主要从事汽车环保与综合节能的研究30 江苏大学(自然科学版)第 24 卷数的最佳匹配问题,内燃机各调整参数(供油提前角,喷油定时,气门间隙,配气相位)的最佳调整问题.按传统的单因素寻优法,不能全面客观地反映其内在规律,且试验工作量极大.若采用正交法试验,虽可大大简化试验,但有一个基本的缺点,其二次
6、回归的方差强烈地依赖于试验点在因子空间中的位置.由于试验误差的干扰,就不易由预测值直接寻找最优区域.而采用回归旋转设计试验方法,使得在与试验中心距离相等的点上,也就是分布在同一球面上的试验组合的预测值具有相同的方差,即所谓“旋转性 “,它克服了上述正交试验法的缺点 ,又可使试验次数大大缩减,工作量大为减轻.2 试验设计大量使用中的柴油机检测结果表明,气门间隙和配气相位的变化较大,对柴油机性能影响显着.以某柴油机厂生产的 N485Q 柴油机为例,此柴油机进气门在上止点前 12.开始打开,下止点后 38.关闭,进气持续角为 230.;排气门在下止点前 50.打开,上止点后 14.关闭,排气持续角为
7、 244.据检测资料分析,若以偏差在 10.以内为合格,则进气门配气相位合格率仅为 36.4%,排气门配气相位合格率仅为 23.7%.其中约 1/4 是由凸轮磨损等因素引起,而大部分则为气门间隙过大所引起.同时还了解到,在调整气门间隙时多数不用厚薄规测量,偏差较大.N485Q 柴油机规定,冷车进,排气门间隙,各为 0.35mm,0.42mm.以上下偏差 0.05mm 为合格,两者都合格的也仅占 22.7%,大多数在用柴油机不同程度地存在气门间隙偏大的现象.上述问题的存在,主要原因是缺乏对配气凸轮,气门间隙和配气相位的全面认识.气门间隙和配气相位是决定气缸能否“排尽吸足 “的关键因素 ,对柴油机
8、动力性,经济性和废气排放特性影响较大.研究表明,在配气相位角中,以进气门迟闭角对充气系数影响最大.选取配气相位(进气门迟闭角)为试验因子,同时选取进气门间隙,排气门间隙作为调整参数,再加上转速和负荷,共选取上述 5 个参量进行试验.因子的水平设计,依靠专业知识,确定试验范围,并使各试验水平等距分布在 3 个半径不等的球面上.试验各因子的设计水平及编码见表 1.根据试验计划进行 N=+2P+.次试验,其中是 2 型全因子试验或其部分实施的试验次数,.是中心点的试验次数(为了获得方差估计,一般都在中心点安排几次重复试验).由于进行正交旋转组合设计,根据 P=5,=2p,据文献3表 6.4 查得 .
9、=10,=16,总试验次数 N=+.=36.由文献3可得到 36 个试验点的设计和计算表.表 1 因子的设计水平及编码表Tab.1Designlevelandcodingtableoffactor注:(1)原机配气相位 (进气迟闭角 38.)定为 0.(2)以原机配气相位为基准,配气相位提前为正,配气相位迟后为负.(3)X 负荷的单位是 N?m.3 回归方程的建立实验采用 5 因素二次正交回归旋转设计试验方法,其回归方程一般形式为PPPY=b.+6XJ+6XXJ+bi,X,式中 b.为常数项,bj 为线性项系数,b 为交互项系数,b 为平方项系数,P 为因子个数 .由统计软件 SPSS 和所测
10、试验数据可求出功率,油耗率和烟度的回归方程Y1=14.226+0.126X1+1.445X4+4.763X50.151X1X3+0.553X4X51.151X1 一0.978X2 一 0.944X3 一 0.098X 一0.099X5Y2=218.1920.588X1+2.626X43.115X5+0.935X1X2+0.884X1X30.521X1X4+1.074XlX51.001X2X30.63X3Xs+4:663X1+3.203X2 一 1.305X+3.984X5Y3=2.195+0.129X1+0.054X2+0.122X+0.294X50.056X1X20.039X1X.+0.24
11、6X1X5+0.042X2X40.036X3X5+0.073X4X5+0.159X1+0.040X2+0.035X3+0.126X4+0.164X5第 6 期衣丰艳等:词整参数对柴油机性能影响的试验研究 314 模型分析4.1 主效应分析因试验采用正交旋转设计,可采用降维分析.4.1.1 对功率的影响固定 4 个因素为零水平,得到另一个因素与功率的关系ylXl=14.266+0.126Xl 一 1.151XlylX2=14.2660.978X2y1X3=14.2660.944X3ylX=14.266+1.445X40.O98X4ylX5=14.266+4.763X50.099X5式中,各个参数
12、依次取 5 个水平,可得功率主效应,见表 2.表 2 功率主效应表Tab.2Majoreffecttableofpower由功率主效应表,可绘出功率主效应图,如图 2所示.图 2 功率主效应图Fig.2Majoreffectfigureofpower分析功率主效应:(1)当其余因素为零水平时,由式 y,X,=14.266+0.126X.一 1.151X】,对 X.求导,可得功率最大值出现在 X=0.055 处,即配气相位比原机提前 2.这是因为发动机使用一段时间后,随着各传动件和配气凸轮的磨损,引起气门迟开早闭.(2)当其余因素为零水平时,由图 2 可看出,功率最大值出现在 x 取负水平.所以
13、,为增大功率,应适当减小进气门间隙.(3)当其余因素为零水平时,由图 2 可看出,功率最大值出现在 X,取负水平,说明为增大发动机功率,应适当减小排气门间隙.(4)当负荷一定,随转速的增大,功率增大.说明转速是影响发动机功率的主要因素.4.1.2 对燃油消耗率的影响固定 4 个因素为零水平,得到另一个因素与燃油消耗率的关系:y2X.=218.1920.588Xl+4.663Xly2X2=218.192+3.203X2y2X4=218.192+2.626X41.305X4y2X5=218.1923.115X5+3.984X5式中各个参数依次取 5 个水平,可得油耗率主效应,见表 3.表 3 油耗
14、率主效应表Tab.3Majoreffecttableofoilconsumptionrate由油耗率主效应表,可绘出油耗率主效应图,如图 3 所示.一32 一 l0l23水平图 3 燃油消耗率主效应图Fig.3Majoreffectfigureofoilconsumptionrate分析油耗率主效应:(1)当其余因素为零水平时,配气相位无论是提前角还是落后角增大,油耗率都升高,说明配气相位是影响油耗率的重要因素.并且配气相位落后角越大,曲线变化越陡峭,燃油消耗率上升越快.因此,为减小柴油机的油耗率,应适当提前配气相位.(2)当其余因素为零水平时,进气门间隙过大过小都使油耗率升高,可见,进气门间
15、隙是影响油耗率的重要因素.排气门间隙对油耗率影响的线性项和一次项都不显着.说明排气门间隙对发动机油耗率影响不大.由于进气门间隙对发动机油耗率的影响比配气门间隙影响大,因此在日常维护中,更应重视进气门间隙的检查和调整.(3)当其余因素为零水平时,随转速的增大,油耗率增大,且在转速高时变化更明显.32 江苏大学(自然科学版)第 24 卷(4)当其余因素为零水平时,由式 yX=218.1923.115X5+3.984X5,对 x5 求导,可得油耗率最小值出现在 X=0.39 处,即负荷的67.8%附近 ,曲线变化速率大,是影响油耗率的主要因素,且在高速时影响更显着.4.1.3 对烟度的影响固定 4
16、个因素为零水平,得到另一个因素与烟度的关系:y3Xl=2.195+0.129X1+0.159XlyX,=2.195+0.054X,+0.040X,yX=2.195+0.035X3y3X=2.195+0.122X4+0.126X4y3X5=2.195+0.294X5+0.164X5式中,各个参数依次取 5 个水平,可得烟度主效应,见表 4.表 4 烟度主效应表Tab.4Majoreffecttableofsmokeemission烟度(FSN)水平2l3XtyjX2y3X3y3X4y3X52.5732.2482.2302.4552.2632.2252.1812.3352.1992.0642.t9
17、52.1952.1952.1952.1952.4832.2892.2302.4432.6533.0892.4632.3352.9433.439由烟度主效应表,可绘出烟度主效应图,如图 4所示.图 4 烟度主效应图Fig.4Majoreffectfigureofsmokeemission分析烟度主效应:(1)配气相位提前角或落后角增大,烟度都增大,可见,配气相位是影响烟度的主要因素.由式y3X1=2.195+0.129X1+0.159X1,对 x1 求导,可得烟度最小值出现在 X=一 0.41 处,即配气相位与原机相比落后 1.6.处.这是因为配气相位落后关闭时,进排气门迟闭角增大,而进气门迟闭角增大,使发动机的充气系数增大,排气门迟闭角增大,使排气损失减小,废气残余量减小,烟度降低.(2)在其余因素为零水平时,随气门间隙的增大,烟度亦随着缓慢增加,曲线相对来说较平缓,说明气门间隙对烟度有一定影响,但影响不是很大.(3)在其余因素为零水平时,由式 yX:2.195+0.122X+0.126X4,对 X 求导,可得烟度
