柴油機改裝為天然氣發(fā)動機的進氣管設(shè)計

婁宗勇，郭 珍，曼茂立，曹立新

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校人事處，河北 承德 067000;2.中國北方發(fā)動機研究所，天津 300400;3.承德運輸集團平泉客運有限公司，河北 承德 067000)

1 概述

目前開發(fā)的天然氣發(fā)動機多是在柴油機基礎(chǔ)上研制的，使用天然氣作為燃料會改善發(fā)動機的排放性能，尤其是減少顆粒物的排放。但是柴油機改裝成天然氣發(fā)動機后，由于燃料物態(tài)及供給形式改變，使得改裝后的天然氣發(fā)動機各個進氣歧管的進氣不均勻性大幅增加，從而影響天然氣發(fā)動機的動力性能。天然氣發(fā)動機進氣管中只有空氣流過，所以在進行進氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮進氣均勻性。進氣系統(tǒng)與發(fā)動機良好的動態(tài)匹配可使發(fā)動機的扭矩特性在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較大的提高。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)值模擬技術(shù)的不斷完善，發(fā)動機進氣系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化逐漸從傳統(tǒng)的依靠試驗確定，發(fā)展到利用各種現(xiàn)代設(shè)計方法和先進軟件進行模擬計算和分析，從而實現(xiàn)了方便快捷而準(zhǔn)確的設(shè)計。因此本文首先應(yīng)用Solidworks軟件設(shè)計天然氣發(fā)動機進氣管的三維模型，并將該三維模型導(dǎo)入Fire軟件中進行仿真計算，以分析各個進氣歧管中的空氣質(zhì)量流量。最終根據(jù)上述分析結(jié)果對天然氣發(fā)動機的進氣管進行改進設(shè)計，以提高天然氣發(fā)動機的動力性。

2 開發(fā)設(shè)計過程

2.1 進氣管設(shè)計要求

進氣管是發(fā)動機進氣系統(tǒng)重要的組成部分。進氣管設(shè)計的優(yōu)劣會直接影響發(fā)動機各缸進氣的均勻性。車用天然氣發(fā)動機進氣管除了滿足進出口尺寸的配合要求外，還應(yīng)滿足以下要求:1)能夠與進氣道進行準(zhǔn)確的連接;2)各缸進氣盡可能的均勻;3)進氣管的各個轉(zhuǎn)角處盡可能圓滑過渡以降低進氣阻力。

本文所設(shè)計的車用天然氣發(fā)動機是以柴油機為原型機改裝而成的。由于改裝后進氣道入口尺寸的改變，使得進氣管的出口尺寸也進行了相應(yīng)的修改。根據(jù)進氣管出口尺寸、進氣管進氣接口尺寸、發(fā)動機缸數(shù)及氣缸蓋相應(yīng)尺寸對進氣管進行了設(shè)計。圖1為利用Solidworks軟件設(shè)計的進氣管腔。

2.2 進氣不均勻性分析

將圖1所示的天然氣發(fā)動機進氣管腔三維圖導(dǎo)入Fire軟件進行網(wǎng)格劃分及歧管標(biāo)號如圖2所示:

分別設(shè)置如下邊界條件進行空氣質(zhì)量流量的計算:

1)天然氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時，邊界值設(shè)置為:進氣總管進口總壓為203 525 Pa、進氣歧管出口靜壓為202 418 Pa。計算結(jié)果如表1所示。由表1可以計算出各缸不均勻度最大為10.3%，歧管4出口流量最低。

表1 不同歧管的空氣質(zhì)量流量(n=2 200 r/m in)

2)天然氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 250 r/min時，邊界值設(shè)置為:進氣總管進口總壓為215 322 Pa、進氣歧管出口靜壓為213 557 Pa，計算結(jié)果如表2所示。由表2可以計算出各缸不均勻度最大為11.08%，歧管4出口流量最低。

通過對上述兩個天然氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速下不同歧管的空氣質(zhì)量流量的模擬計算，發(fā)現(xiàn)第四個進氣歧管出口流量是最低的，而且隨著轉(zhuǎn)速降低各缸進氣不均勻度程度增加。

為進一步觀察發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時，各進氣歧管內(nèi)的氣體流動及氣體狀態(tài)，本文針對所設(shè)計的進氣管，通過只打開一個歧管，其余歧管關(guān)閉的方式，對進氣歧管內(nèi)氣體流動進行仿真計算。其三維切片如圖3～圖8所示。

表2 不同歧管的空氣質(zhì)量流量(n=1 250 r/m in)

1)歧管1開，其余歧管關(guān)閉

2)歧管2開，其余歧管關(guān)閉

3)歧管3開，其余歧管關(guān)閉

4)歧管4開，其余歧管關(guān)閉

5)歧管5開，其余歧管關(guān)閉

6)歧管6開，其余歧管關(guān)閉

根據(jù)上述各進氣歧管三維切片的速度與壓力圖，可以看出:進氣歧管3、4內(nèi)空氣流動回旋較多，流動不暢;而進氣歧管1、6內(nèi)空氣流動較順暢。這主要是因為進氣歧管1、6遠(yuǎn)離進氣總管，干擾流動的因素較少。另外，在各個進氣歧管與總管的連接弧度相同的情況下，進氣歧管1、6內(nèi)的空氣流量最大，而進氣歧管3、4內(nèi)的空氣流量最小。

2.2 進氣管改進設(shè)計

根據(jù)上述仿真計算結(jié)果，采取以下措施針對天然氣發(fā)動機進氣管進行改進設(shè)計:加大進歧管3、4與進氣總管的連接弧度半徑，由原來的10 mm變改為20 mm，以降低進氣歧管3、4的流動阻力;同時歧管2、5連接弧度半徑由原來的10 mm改為14 mm;歧管1、6連接弧度半徑不變。改進后的進氣管三維模型如圖9所示:

將改進后的天然氣發(fā)動機進氣管三維模型導(dǎo)入Fire軟件進行空氣質(zhì)量流量計算。天然氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，邊界條件為:進氣總管進口總壓為203 525 Pa、進氣歧管出口靜壓為202 418 Pa。計算結(jié)果如表3所示。

表3 進氣管的不同進氣歧管的質(zhì)量流量

通過與表1對比分析可以看出，改進后的進氣管各缸不均勻度最大僅為1.48%，為最初設(shè)計進氣管不均勻度的14.4%，大大改善了該天然氣發(fā)動機的動力性。

3 結(jié)論

通過Solidworks軟件設(shè)計進氣管的結(jié)構(gòu)，并利用Fire軟件計算各進氣歧管的空氣質(zhì)量流量，以指導(dǎo)天然氣發(fā)動機進氣管的改進設(shè)計。改進后的天然氣發(fā)動機進氣管有效的降低了各缸進氣不均勻度，達(dá)到了設(shè)計要求。

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