柴油機(jī)進(jìn)氣管瞬態(tài)流動均勻性三維數(shù)值模擬

楊帥， 管志云， 薛良君， 魏亞男， 周毅

(1. 同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心， 上海 201804； 2. 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804；3. 中車戚墅堰機(jī)車有限公司， 江蘇 常州 213011)

柴油機(jī)進(jìn)氣管瞬態(tài)流動均勻性三維數(shù)值模擬

楊帥1,2， 管志云1,2， 薛良君3， 魏亞男1,2， 周毅1,2

(1. 同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心， 上海 201804； 2. 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804；3. 中車戚墅堰機(jī)車有限公司， 江蘇 常州 213011)

運(yùn)用計算流體力學(xué)方法對柴油機(jī)進(jìn)氣管瞬態(tài)流動過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，討論了在進(jìn)氣重疊期內(nèi)，不同工況下進(jìn)氣管內(nèi)部流場的變化情況。分析了柴油機(jī)進(jìn)氣增壓壓力、轉(zhuǎn)速以及進(jìn)氣重疊時間對各進(jìn)氣歧管出口空氣質(zhì)量流量、進(jìn)氣分配質(zhì)量、進(jìn)氣最大不均勻度的動態(tài)影響。計算結(jié)果表明：柴油機(jī)進(jìn)氣增壓壓力越低，進(jìn)氣最大不均勻度越大；進(jìn)氣重疊角越大，進(jìn)氣最大不均勻度也越大；柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速工作時的進(jìn)氣最大不均勻度要高于高轉(zhuǎn)速最大不均勻度。通過提高進(jìn)氣增壓壓力、合理優(yōu)化進(jìn)氣管幾何結(jié)構(gòu)，可以減小柴油機(jī)在進(jìn)氣過程中出現(xiàn)的進(jìn)氣分配不均勻現(xiàn)象。

增壓柴油機(jī)； 瞬態(tài)流動； 流動均勻性； 進(jìn)氣重疊； 數(shù)值模擬

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管系中的氣體流動情況十分復(fù)雜，一般視為可壓縮、非等熵、非定常流動。由于壓力波傳播的影響，氣體主要參數(shù)，例如壓力、流速、溫度和密度，其變化不僅是時間的函數(shù)，而且還因位置的不同而異。眾多文獻(xiàn)表明，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)性能、EGR廢氣均勻分配等有著重要影響[1-5]。進(jìn)氣不均勻?qū)⒅苯佑绊懜鞲卓諝馀c燃油的混合，從而影響燃燒過程，使各缸的燃燒過程產(chǎn)生差異。目前，將進(jìn)氣管內(nèi)流動視為一維非定常流動是研究進(jìn)氣管內(nèi)流動的主要方法，但對于尺寸較短的進(jìn)氣歧管，一維非定常模型不再適用。另外，一維模型不能考慮某些管道結(jié)構(gòu)特征，如管道截面形狀、總管與歧管接頭的傾角及位置等因素對發(fā)動機(jī)性能的影響[4-8]。CFD計算是當(dāng)前分析節(jié)氣門流動的主要手段，但是絕大多數(shù)方法只停留在穩(wěn)態(tài)計算，CFD動態(tài)計算要求較高，瞬態(tài)計算的研究方法較少見到。本研究以某490恒壓式增壓柴油機(jī)進(jìn)氣管為研究對象，按照進(jìn)氣管的實際幾何形狀，對進(jìn)氣管內(nèi)部氣體流動的瞬態(tài)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析不同工況下柴油機(jī)增壓壓力、進(jìn)氣重疊角等參數(shù)與各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣分配量之間的動態(tài)關(guān)系。

1 計算方法與邊界條件

本研究的柴油機(jī)進(jìn)氣管實物見圖1。為了減少回流干擾，進(jìn)氣歧管出口端長度在計算中被適當(dāng)延長，根據(jù)柴油機(jī)進(jìn)氣管實際參數(shù)建立的三維網(wǎng)格見圖2，體網(wǎng)格總數(shù)為290 934。計算過程中選用κ-ε湍流模型，采用SIMPLE算法，對不同工況下柴油機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)部流動過程進(jìn)行數(shù)值計算，計算工況見表1。設(shè)定進(jìn)氣管入口邊界條件為質(zhì)量流量，空氣入口溫度為333K，各歧管出口邊界條件為動態(tài)壓力邊界條件。空氣初始密度依據(jù)增壓壓力設(shè)定，初始黏度依據(jù)溫度設(shè)定，空氣密度和黏度在計算過程中不隨壓力和溫度變化而變化，空氣介質(zhì)按照不可壓縮流設(shè)定。

圖1 柴油機(jī)進(jìn)氣管實物

圖2 柴油機(jī)進(jìn)氣管計算網(wǎng)格

工況轉(zhuǎn)速/r·min-1進(jìn)氣增壓壓力pt(表壓)/Pa120001012002200071800310000

柴油機(jī)進(jìn)氣順序為C1—C3—C4—C2(C表示進(jìn)氣歧管)，柴油機(jī)有效進(jìn)氣持續(xù)期為232°，即各進(jìn)氣歧管之間的進(jìn)氣重疊角θ為26°(按式(1)計算)，進(jìn)氣形式示意見圖3。本次計算的流程見圖4。

(1)

圖3 柴油機(jī)進(jìn)氣形式示意

圖4 計算流程

從柴油機(jī)各進(jìn)氣歧管進(jìn)入到相應(yīng)氣缸的進(jìn)氣總質(zhì)量Q由式(2)計算得到，計算過程中采用的單步計算時間間隔由式(3)計算得到，并且分別對各進(jìn)氣歧管出口的空氣質(zhì)量流量函數(shù)q(t)進(jìn)行計算，利用積分方法即可以得到各缸在進(jìn)氣時間內(nèi)的進(jìn)氣總質(zhì)量，將式(3)代入式(2)可得到離散形式的各歧管進(jìn)氣總質(zhì)量(見式(4))。得出各缸的進(jìn)氣總質(zhì)量Q后，根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]，采用式(5)計算柴油機(jī)進(jìn)氣最大不均勻度E。

(2)

(3)

(4)

E=(Qmax-Qmin)/Qave。

(5)

式中：Q為空氣從各進(jìn)氣歧管出口進(jìn)入相應(yīng)氣缸的進(jìn)氣總質(zhì)量；q(t)為各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣質(zhì)量流量；n為計算迭代次數(shù)；Δt為計算時間間隔尺度；Qmax為空氣從歧管出口流出的最大質(zhì)量；Qmin為氣從歧管出口流出的最小質(zhì)量；Qave為空氣從各歧管出口流出的平均質(zhì)量。

2 進(jìn)氣管內(nèi)部流動過程的計算分析

2.1 增壓壓力對柴油機(jī)各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣均勻性的影響

在進(jìn)氣管計算分析過程中，主要針對各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣均勻性進(jìn)行研究分析。圖5示出柴油機(jī)在進(jìn)氣重疊時刻進(jìn)氣管縱向截面的流場瞬態(tài)變化云圖，進(jìn)氣順序為C1—C3—C4—C2—C1。對于每個進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣過程，在進(jìn)氣初始階段或進(jìn)氣末期，都會出現(xiàn)與其他兩個歧管進(jìn)氣重疊的現(xiàn)象。從圖5a、圖5b中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)進(jìn)氣流速的瞬態(tài)變化與增壓壓力有直接聯(lián)系，增壓壓力越大，氣流速度、湍流強(qiáng)度也越大。此外，在柴油機(jī)同一個進(jìn)氣循環(huán)過程中，各進(jìn)氣歧管內(nèi)的流場瞬態(tài)變化也有差別，這種差別最終影響了各缸的進(jìn)氣均勻性。為了便于對比，圖5c示出了柴油機(jī)在工況3與工況1，2處于相同曲軸轉(zhuǎn)角時刻的云圖，可以發(fā)現(xiàn)，與轉(zhuǎn)速和增壓壓力相對較高的工況1,2相比較，柴油機(jī)在工況3的氣體流速相對減小。

對柴油機(jī)處于不同工況時每工作循環(huán)內(nèi)各進(jìn)氣歧管出口質(zhì)量流量q(t)進(jìn)行了計算分析，圖6示出經(jīng)過濾波處理后，柴油機(jī)處于工況1時q(t)變化曲線。根據(jù)式(3)可以得到各歧管出口的有效流動時間Tin為0.019 3 s，由圖中可以看出，在氣體流出的初期和末期，各歧管的q(t)變化不同，而這種情況恰恰是發(fā)生在各缸的進(jìn)氣重疊期內(nèi)。為了便于對比分析，利用Matlab軟件分別將圖6中的曲線進(jìn)行平移、濾波、積分，得到了工況1每工作循環(huán)周期各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣流量、進(jìn)氣總質(zhì)量對比，如圖7所示。按照上述方法，分別得到了工況2，3每工作循環(huán)周期各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣流量、進(jìn)氣總質(zhì)量對比，如圖8和圖9所示。從以上各圖中可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)氣重疊期內(nèi)，柴油機(jī)各進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣情況是相互影響的，并且隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣管增壓壓力的不同，各進(jìn)氣歧管之間進(jìn)氣流量的相互影響程度也不同。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，進(jìn)氣增壓壓力降低時，各進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣流量隨之降低，進(jìn)氣總質(zhì)量也隨之下降，但在進(jìn)氣重疊期內(nèi)，各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣過程對流量的相互影響程度也隨之增強(qiáng)。

圖5 柴油機(jī)各缸進(jìn)氣重疊時刻進(jìn)氣流動瞬態(tài)變化云圖

圖6 柴油機(jī)處于工況1時每工作循環(huán)內(nèi)各進(jìn)氣歧管出口質(zhì)量流量q(t)變化曲線

圖7 工況1時每工作循環(huán)周期各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣特征

圖8 工況2時每工作循環(huán)周期各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣特征

圖9 工況3時每工作循環(huán)周期各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣特征

2.2 轉(zhuǎn)速對柴油機(jī)各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣均勻性的影響

當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，進(jìn)氣重疊時間隨之增加，各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣之間的相互影響時間也隨之增加。通過圖7a與圖8a的對比可以發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，各進(jìn)氣歧管之間的相互影響比高轉(zhuǎn)速時要嚴(yán)重，從而導(dǎo)致了柴油機(jī)各歧管進(jìn)氣總質(zhì)量差別更加明顯，進(jìn)氣最大不均勻度相對增加。由此可見，柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力同時相對偏低的條件下運(yùn)行時，各進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣均勻性較差，進(jìn)氣不均勻度比高轉(zhuǎn)速時要大很多。圖10示出柴油機(jī)進(jìn)氣最大不均勻度對比曲線，由圖可見，當(dāng)柴油機(jī)進(jìn)氣壓力降低時，進(jìn)氣最大不均勻度隨之大幅上升。計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柴油機(jī)從工況2過渡到工況3后，進(jìn)氣最大不均勻度從2.58%變化為5.73%。

圖10 不同工況下柴油機(jī)進(jìn)氣最大不均勻度對比

柴油機(jī)進(jìn)氣不均勻現(xiàn)象始終出現(xiàn)在各氣缸之間的進(jìn)氣重疊期內(nèi)，進(jìn)氣持續(xù)期的增加會帶來更大的進(jìn)氣效率，但進(jìn)氣重疊的時間也相對增加，會加劇進(jìn)氣不均勻效應(yīng)。計算結(jié)果表明，如果提高進(jìn)氣增壓壓力，進(jìn)氣總管進(jìn)氣質(zhì)量流量、流速隨之增加，柴油機(jī)進(jìn)氣不均勻程度相對減少，即較大的柴油機(jī)增壓比可以促進(jìn)柴油機(jī)各缸的進(jìn)氣均勻性，在柴油機(jī)處于低轉(zhuǎn)速區(qū)工作時，改善效果更為明顯。

3 試驗驗證

利用內(nèi)燃機(jī)氣道試驗臺(型號TUST102)對本次分析的柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了試驗驗證，將進(jìn)氣管與柴油機(jī)氣道連接，與工況3的計算結(jié)果進(jìn)行對比。柴油機(jī)氣門最大升程9.72mm，試驗環(huán)境當(dāng)?shù)貧鈮?01.09kPa，在氣門達(dá)到最大升程高度時測試發(fā)動機(jī)各缸的進(jìn)氣流量。各缸測試的進(jìn)氣體積流量結(jié)果見圖11，按照式(5)計算得到了此時的進(jìn)氣最大不均勻度E為5.4%，試驗結(jié)果與工況3下的計算結(jié)果相近。

圖11 柴油機(jī)各缸進(jìn)氣流量對比

4 結(jié)論

a) 進(jìn)氣重疊效應(yīng)對柴油機(jī)進(jìn)氣均勻性有著根本影響，進(jìn)氣不均勻分配現(xiàn)象發(fā)生在進(jìn)氣重疊期內(nèi)，進(jìn)氣重疊角越大，各進(jìn)氣歧管進(jìn)氣不均勻程度越大；

b) 提高柴油機(jī)進(jìn)氣增壓壓力，優(yōu)化進(jìn)氣管幾何結(jié)構(gòu)，可以減小由于進(jìn)氣重疊因素帶來的進(jìn)氣分配不均勻現(xiàn)象，有利于提高各進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣均勻性；

c) 柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速工作時，進(jìn)氣不均勻度比高轉(zhuǎn)速時要大，進(jìn)氣不均勻現(xiàn)象明顯。

[1] 張超，姚煒，王宏大，等.CFD技術(shù)在汽油機(jī)進(jìn)氣歧管優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2014,31(3)：33-36.

[2] 崔怡，高瑩，李君，等. 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)對進(jìn)氣不均勻性影響的仿真研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2009，38(2)：37-40.

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[編輯： 潘麗麗]

3D Numerical Simulation of Transient Flow Uniformity in Diesel Engine Intake Manifold

YANG Shuai1,2， GUAN Zhiyun1,2， XUE Liangjun3， WEI Yanan1,2， ZHOU Yi1，2

(1. New Energy Automotive Engineering Center， Tongji University， Shanghai 201804， China；2. School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804， China；3. Qishuyan Locomotive Co.， Ltd.， Changzhou 213011, China)

Three dimensional numerical simulation of transient flow for the intake manifold of diesel engine was carried out by using the computational fluid dynamics method and the change of internal flow field inside intake manifold under different working conditions was discussed during the period of intake overlapping. The influences of intake pressure, rotation speed and intake air overlapping time on outlet mass flow, intake air distributed mass and intake air greatest non-uniformity of each manifold were analyzed. The results show that the lower intake air pressure will lead to the higher intake air greatest non-uniformity. The larger intake air overlapping angle corresponds to the higher intake air greatest non-uniformity. Besides, the intake air greatest non-uniformity at low speed is higher than that of high speed. By means of increasing intake air pressure and optimizing intake manifold structure, the air distribution of intake manifold can be more uniform.

turbocharged diesel engine； transient flow； flow uniformity； intake air overlapping； numerical simulation

2016-06-28；

2017-01-18

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助交叉學(xué)科項目；同濟(jì)大學(xué)課程建設(shè)實驗教改資助項目；同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革資助項目；同濟(jì)大學(xué)精品實驗資助項目。

楊帥(1980—)，男，博士，研究方向為發(fā)動機(jī)控制與減排技術(shù)；mermaid04@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.016

TK423.45

B

1001-2222(2017)01-0088-05