進氣管結(jié)構(gòu)對柴油機性能影響的仿真研究

文春林，姜澤軍，黃 榮，陳英杰

（1.廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧530004；2.常州易控汽車電子股份有限公司，江蘇 常州 610010）

進氣管的結(jié)構(gòu)對提高柴油機各項性能具有重大意義。對于多缸發(fā)動機而言，隨著進排氣門的開閉，進氣管內(nèi)的氣體流動狀況非常復(fù)雜，容易在管內(nèi)造成劇烈的壓力波動，從而對各缸進氣不均勻性造成大的影響。在相同的燃燒條件下，各缸進氣量越均勻，柴油機整機性能受單缸的影響就越小。因而，柴油機進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計已成為提升發(fā)動機性能的關(guān)鍵技術(shù)。

近年來，越來越多的科研人員投入到進氣管的研究，研討進氣管對混合氣的形成、渦流的產(chǎn)生和各缸均勻性的影響[1-3]。

本文利用BOOST軟件建立某四缸柴油機的一維仿真計算模型，并通過試驗結(jié)果對模型進行驗證計算。然后以集氣腔容積、管長、管徑為變量，研究這些參數(shù)對柴油機性能的影響，并選出最優(yōu)值。

1 B OO S T模型的建立及驗證

1.1 搭建一維B OO S T模型

本文研究所用的柴油機是某型4缸柴油機，具體性能參數(shù)見表1.

表1 柴油機主要參數(shù)

本文運用BOOST軟件對柴油機的整機工作過程進行模擬仿真計算，基于柴油機實際工作情況搭建的一維熱力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動機一維模型

1.2 模型驗證

本文選取三個轉(zhuǎn)速，在全負荷條件下將功率與扭矩的模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，如表2、表3所示。可以看出，計算結(jié)果與實驗值之間的最大誤差為3.03%，說明所建立的BOOST模型能夠作為后續(xù)耦合仿真計算的基礎(chǔ)。

表2 全負荷下功率的實驗值和計算值

表3 全負荷下扭矩的實驗值和計算值

2 進氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

以集氣腔容積、管長、管徑為變量，研究這些參數(shù)對發(fā)動機性能的影響。所有的計算均在全負荷工況下進行，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 300 r/min.

2.1 集氣腔容積的優(yōu)化

該集氣腔即為圖1中的PL1.由圖2可知，隨著容積增大，充量系數(shù)隨之上升，但上升的斜率并不一致。以4 L為界，前期上升幅度大，后期上升幅度小。由圖3可知，扭矩隨容積的增大而增加，同樣以4 L為界，容積小于4 L時增長幅度大，后期增長幅度小。綜上所述，集氣腔容積增加后，柴油機的扭矩、充量系數(shù)均有提升，但容積太大對柴油機的整體布置有不利影響，因此集氣腔容積在4 L時最具有實際意義。

圖2 充量系數(shù)隨容積的變化線

圖3 扭矩隨集氣腔容積的變化曲線

2.2 管長的優(yōu)化

此處優(yōu)化的管在圖1中的編號為22～29號。

由圖4可知，管長小于120 mm時，扭矩幾乎不變，大于120 mm后幾乎呈線性降低；由圖5可知，管長小于120 mm時，充量系數(shù)隨管長增加而緩慢增加，120 mm之后急劇降低，說明管長對充量系數(shù)有重大影響；由圖6可知，有效燃油消耗率在管長小于120 mm時幾乎不變，管長大于120 mm之后呈線性增加，說明在同樣工況下管長增加會導(dǎo)致油耗增加。綜上所述，管長最佳為120 mm.

圖4 扭矩隨管長的變化曲線

圖5 充量系數(shù)隨管長的變化曲線

圖6 有效燃油消耗率隨管長的變化曲線

2.3 管徑的優(yōu)化

由圖7、圖8可知扭矩和充量系數(shù)的變化趨勢相似，以56 mm管徑為界，前期增長幅度大，后期增長幅度小；由圖9可知，有效燃油消耗率隨管徑的增加而減少，并且管徑大于28 mm時減少趨勢趨于平穩(wěn)。因此，最佳管徑取56 mm.

圖7 扭矩隨管徑的變化曲線

圖8 充量系數(shù)隨管徑的變化曲線

圖9 有效燃油消耗率隨管徑的變化曲線

3 總結(jié)

本文利用BOOST軟件對柴油機整機工作過程進行了模擬，發(fā)現(xiàn)集氣腔容積、管長和管徑對柴油機性能有比較大的影響，最后選根據(jù)試驗數(shù)據(jù)選出了最佳參數(shù)，為進氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提出了參考性意見。