4缸柴油機(jī)排氣歧管分析與設(shè)計(jì)的研究*

龔金科，官慶武

(湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

前言

車(chē)用高速柴油機(jī)在采用渦輪增壓技術(shù)后，其排氣系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)柴油機(jī)的性能有重大影響。設(shè)計(jì)合理的排氣系統(tǒng)不但能更有效地利用排氣中的可用能，使之轉(zhuǎn)化為渦輪的動(dòng)能，而且能更好地滿足車(chē)輛的變工況和瞬時(shí)加速等特性的要求。因此，選擇和設(shè)計(jì)合理的排氣系統(tǒng)顯得十分必要。

1 渦輪進(jìn)口方案對(duì)比分析

由于車(chē)用渦輪增壓器的增壓比不會(huì)很高，此時(shí)排氣中脈沖能量所占比例較大，因而，相對(duì)穩(wěn)壓系統(tǒng)而言，脈沖增壓系統(tǒng)中可利用的排氣脈沖能量更多。采用脈沖增壓系統(tǒng)，會(huì)有較高的能量傳遞效率，因而更能滿足車(chē)輛的變工況和加速等特性的要求。車(chē)用渦輪脈沖系統(tǒng)進(jìn)氣口的布置主要有渦輪雙進(jìn)口(二脈沖系統(tǒng))和渦輪單進(jìn)口兩種方案，如圖1所示。

因?yàn)閱芜M(jìn)口脈沖系統(tǒng)渦輪前的壓力波動(dòng)較小，渦輪效率比二脈沖系統(tǒng)高，所以采用單進(jìn)口脈沖系統(tǒng)柴油機(jī)性能比雙脈沖系統(tǒng)會(huì)更好[1]。

2 增壓柴油機(jī)的一維仿真模型

本文中運(yùn)用適用于內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程和性能仿真的某大型分析軟件建立了某增壓柴油機(jī)(基本參數(shù)見(jiàn)表1)的仿真模型如圖2所示，其模型參數(shù)見(jiàn)表2。

運(yùn)用以上所建立的柴油機(jī)模型分別對(duì)雙進(jìn)口和單進(jìn)口布置方案進(jìn)行性能仿真。仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可見(jiàn)，標(biāo)定工況時(shí)，單進(jìn)口的燃油消耗率

表1 某增壓柴油機(jī)基本參數(shù)

表2 模型基本參數(shù)

表3 不同渦輪進(jìn)口布置方案下增壓柴油機(jī)性能

比雙進(jìn)口高1.119g/(kW·h);而最大轉(zhuǎn)矩工況時(shí)，單進(jìn)口的燃油消耗率比雙進(jìn)口低1.88g/(kW·h);為提高最大轉(zhuǎn)矩和加速性能，采用單進(jìn)口是可取的。標(biāo)定工況時(shí)，單進(jìn)口的渦輪進(jìn)口溫度下降了11K，最大轉(zhuǎn)矩工況時(shí)，單進(jìn)口渦輪進(jìn)口溫度下降了14K。標(biāo)定工況時(shí)，單進(jìn)口渦輪進(jìn)口壓力升高了0.2kPa，最大轉(zhuǎn)矩工況時(shí)，升高了0.1kPa。標(biāo)定工況時(shí)，兩種進(jìn)氣口方案的掃氣系數(shù)基本相同，最大轉(zhuǎn)矩工況時(shí)，單進(jìn)口掃氣系數(shù)比雙進(jìn)口的高了0.001。因?yàn)檐?chē)用渦輪增壓器，總效率不是很高，采用二脈沖系統(tǒng)，氣體的流動(dòng)損失更大。而4缸柴油機(jī)發(fā)火間隔剛好為180°CA，在掃氣重疊角內(nèi)掃氣困難，并且有可能引起廢氣的倒流。通過(guò)以上的對(duì)比分析，4缸柴油機(jī)用單進(jìn)口排氣管的脈沖系統(tǒng)是可取的。

3 單進(jìn)口排氣歧管管道設(shè)計(jì)

排氣歧管中氣流流動(dòng)方向的改變往往伴隨著能量的耗散。氣流在彎管中的流動(dòng)，其損失主要包括渦流損失和二次流損失。氣流在流入彎管段前，管截面上的壓力是均勻的，進(jìn)入彎管后，由于曲率的關(guān)系，氣體將受到離心慣性力的作用，使彎管內(nèi)側(cè)的壓力將低于彎管外側(cè)的壓力。在圖3中彎管外側(cè)AB區(qū)域的氣體壓力將升高，根據(jù)伯努利方程可知該區(qū)域氣體速度將相應(yīng)減小，而B(niǎo)C區(qū)域?yàn)閴毫χ饾u降低區(qū)。在圖3中彎管內(nèi)側(cè)ab區(qū)域?yàn)閴毫χ饾u降低區(qū)，bc區(qū)域?yàn)閴毫ι邊^(qū)。氣流流經(jīng)Cc截面后，進(jìn)入直管段，截面上的壓力又重新均勻分布，這樣在Aa截面與Cc截面之間出現(xiàn)AB和bc兩次升壓減速區(qū)，使氣體脫離壁面，在壁面附近形成渦流區(qū)，形成渦流損失。由于黏性的作用，使得管壁附近的流速慢，這些氣體質(zhì)點(diǎn)的彎曲流動(dòng)半徑將會(huì)有縮小的趨勢(shì)，表現(xiàn)為氣體沿管壁從外側(cè)向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，氣體的連續(xù)性使管中的氣體由外側(cè)B點(diǎn)分岔后沿兩個(gè)半圓管壁流向內(nèi)側(cè)b匯合折向中心，形成兩個(gè)半圓周的回轉(zhuǎn)環(huán)形流動(dòng)，如圖3中的Bb剖面。這樣形成旋轉(zhuǎn)方向相反的兩條半圓形螺旋狀氣流柱，延伸向下流動(dòng)，這種流動(dòng)稱為二次流。彎管的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[2]為

式中:ζ為阻力系數(shù);θ為彎角;r為彎管半徑;R為彎曲半徑。

從式(1)可知，彎角越大損失越大，管徑越大損失越大，彎曲半徑越大，損失越小。

根據(jù)以上分析，將對(duì)圖1(b)中的原排氣歧管做了如下改進(jìn):對(duì)1、4排氣支管，盡可能地加大它的彎曲半徑，考慮到排氣管的布置，將原彎曲半徑加大30%;并采用75%的縮口率，因?yàn)榇藭r(shí)，掃氣系數(shù)最大，低速小負(fù)荷工況下的泵氣功損失最小[3]。對(duì)圖1(b)中的2、3排氣支管，采用模件式多功能脈沖轉(zhuǎn)換渦輪增壓系統(tǒng)，即MMPC 系 統(tǒng)[4](modular multi-purpose pulse converter turbo charging system)，如圖4所示。

MMPC系統(tǒng)中由于總管中的氣流與下游氣缸排氣支管氣流夾角成0°，所以氣流擾動(dòng)損失小;在排氣總管中出現(xiàn)縮口，使上游總管的氣流壓力波峰在縮口處壓力能轉(zhuǎn)化成速度能，將在排氣支管出口上方出現(xiàn)速度較大的氣流，形成一個(gè)低壓區(qū)，使排氣支管中的氣體能更快速地流出，從而更利于掃氣。在2、3排氣支管出口處，排氣總管的縮口率取80%，縮口過(guò)大將會(huì)影響排氣總管的通流截面，縮口過(guò)小，一方面不能起到上述功效，另一方面將會(huì)造成排氣支管過(guò)短，給排氣歧管的布置帶來(lái)困難。對(duì)2、3排氣支管，和1、4排氣支管一樣采取75%的縮口率。實(shí)際上，上游氣缸排氣時(shí)，氣流是向上傾斜，因此結(jié)構(gòu)不會(huì)影響通流截面，反而可以阻止回流[5]。改進(jìn)后的排氣歧管如圖5所示。

4 排氣歧管流場(chǎng)特性分析

4.1 計(jì)算方法

本文中對(duì)新、舊排氣歧管分別建立了CFD仿真模型，并利用hypermesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量大約分別為70.9萬(wàn)個(gè)和57.4萬(wàn)個(gè)，計(jì)算采用k-ε模型的標(biāo)準(zhǔn)壁面湍流模型，計(jì)算方法采用segregated隱式算法，湍流動(dòng)能方程k和擴(kuò)散方程ε[6]為

式中:Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM為過(guò)渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)動(dòng)能;σk、σε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù);Sk、Sε為用戶自定義項(xiàng);C1ε、C2ε為常數(shù)。根據(jù)Launder等的推薦值及后來(lái)的試驗(yàn)驗(yàn)證:σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

對(duì)于本文中采用的標(biāo)準(zhǔn)壁面的湍流速度模型，湍流速度為

式中:Cμ為常量;ρ為流體密度。

4.2 邊界條件

為了使新、舊排氣歧管的計(jì)算結(jié)果具有可比性，新、舊方案均采用相同的邊界條件，入口給定總壓，出口給定靜壓，其余給為壁面條件，計(jì)算初始值均給為零初場(chǎng)。入口邊界:總壓214kPa;出口邊界:靜壓207kPa;計(jì)算流體:理想空氣。

4.3 計(jì)算結(jié)果和分析

圖6為新、舊排氣歧管速度矢量分布圖。在新排氣歧管中，由于2、3、4排氣支管中的氣流與總管氣流的夾角遠(yuǎn)小于舊排氣歧管，所以氣流的擾動(dòng)損失小;故在圖中可看到，新排氣歧管中的回流現(xiàn)象較少，并且氣流的流速也略大于舊排氣歧管中的氣流流速(新排氣歧管中氣流平均流速約為46.4m/s，舊排氣歧管中氣流平均流速約為45.2m/s)，這樣便能更好地滿足車(chē)用增壓柴油機(jī)的加速特性。

5 結(jié)論

本文中建立了某渦輪增壓柴油機(jī)的一維仿真模型。利用所建立的仿真模型，對(duì)比分析了增壓柴油機(jī)在不同渦輪進(jìn)口方案下的經(jīng)濟(jì)特性和加速特性。通過(guò)對(duì)排氣歧管中流動(dòng)損失的分析，設(shè)計(jì)了一種新的排氣歧管，并建立了新、舊排氣歧管的CFD三維仿真模型，利用所建模型分別對(duì)不同排氣歧管進(jìn)行了流場(chǎng)特性仿真。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的排氣歧管能更好地滿足車(chē)用增壓柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)和加速等特性要求。

[1]顧宏中．MIXPC渦輪增壓系統(tǒng)用于4缸柴油機(jī)[J]．柴油機(jī)，2003(3):1－4．

[2]張偉，陳文義．流體力學(xué)[M]．天津:天津大學(xué)出版社，2009．

[3]張有，顧宏中．車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)的選型及計(jì)算分析[J]．車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2001(6):24－28．

[4]胡伯宗．8V150柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)排氣管系設(shè)計(jì)研究[D]．上海:上海交通大學(xué)，2009．

[5]顧宏中．新開(kāi)發(fā)的MIXPC渦輪增壓系統(tǒng)排氣管系[J]．柴油機(jī)，2004(4):6－9．

[6]龔金科，吳鋼，王曙輝，等．徑向柴油機(jī)微粒捕集器流速分布特性數(shù)值分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010(4):119－125．