某V型8缸雙增壓發(fā)動機進氣管布置形式優(yōu)化分析

楊棟，劉俊龍，閆利利，馮新剛，韓美瑩

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

隨著對發(fā)動機瞬態(tài)響應要求的提高， 8缸及以上多缸發(fā)動機的增壓系統(tǒng)一般匹配多個增壓器，一方面增加增壓器數(shù)量可以提高發(fā)動機的瞬態(tài)響應性，另一方面多個增壓器的成本低于相同排氣量需求的單個增壓器[1-2]。多個增壓器匹配時需要同步對發(fā)動機的進、排氣管進行優(yōu)化設計，多缸發(fā)動機的發(fā)火間隔相對較小，各氣缸的進、排氣過程存在較大的重疊期，導致各缸進、排氣互相干擾，發(fā)動機各缸均勻性較差；多缸柴油機的進氣均勻性對提高柴油機的充氣效率和改善各缸燃燒的均勻性有重要作用。發(fā)動機排量相同，進入氣缸內(nèi)的新鮮進氣量越多，可噴入的燃油量越多, 在同樣的燃燒條件下可以輸出更多有效功，所以各缸進氣量越均勻，整機性能受到單缸排氣溫度和最高燃燒壓力限制的可能性越小，對外做功的潛力越大[3-6]。

國內(nèi)外學者對多缸柴油機缸內(nèi)及進、排氣管內(nèi)的氣體流動進行了研究，分析認為，合適的發(fā)動機進氣管長度能夠充分利用進氣的慣性效應和諧振效應，增加充氣效率，改善換氣質(zhì)量，提高發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性[7-9]。因此，多缸發(fā)動機進氣管設計成為改善發(fā)動機性能的關鍵，仿真技術為發(fā)動機進排氣系統(tǒng)設計提供了有效的參考[10-11]。本文中以V型8缸發(fā)動機為例，采用GT-Power軟件建立發(fā)動機的熱力學模型，仿真研究不同進氣管布置形式對柴油機性能及增壓器特性的影響。

1 進氣管布置方案

為了研究不同進氣管布置形式對發(fā)動機和增壓器性能的影響，在某柴油發(fā)動機上進行3種進氣管布置形式的對比分析。該發(fā)動機為8缸V型布置，標定轉(zhuǎn)速為1800 r/min;為改善發(fā)動機的瞬態(tài)加載能力，匹配2個增壓器[12-13]。3種進氣管布置方案對應的熱力學模型如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為進氣管布置形式。

a)方案A b)方案B c)方案C

由圖1可知：1)方案A進氣管的布置形式為8個氣缸共用1個進氣管，新鮮空氣經(jīng)過2個增壓器增壓后進入中冷器冷卻，冷卻后的新鮮空氣進入同1個進氣管，經(jīng)進氣歧管分別進入各氣缸；2)方案B為發(fā)動機兩側(cè)氣缸進氣完全分開的布置形式，其中第1～4缸共用1根進氣管，第5～8缸共用1根進氣管，新鮮空氣經(jīng)過2個增壓器增壓冷卻后，經(jīng)完全獨立的兩路進入兩側(cè)的進氣管，然后進入各氣缸；3)方案C也是采用2個完全分開的進氣管，與方案B的不同之處是第1、4、6、7缸共用1根進氣管，第2、3、5、8缸共用1根進氣管，新鮮空氣經(jīng)過2個增壓器增壓冷卻后由完全獨立的兩路進入2根進氣管，然后進入各氣缸。

2 不同進氣管布置方案仿真分析

根據(jù)發(fā)動機的進、排氣系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)及尺寸，利用一維熱力學軟件GT-Power建立熱力學模型，分別對3種進氣管布置方案的發(fā)動機性能進行仿真分析，計算工況：發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1800 r/min，發(fā)動機負荷率分別為100%、75%、50%和25%。

2.1 各缸進氣均勻性

該發(fā)動機各缸的發(fā)火順序為1—8—4—3—6—2—7—5，由于8缸機的發(fā)火間隔曲軸轉(zhuǎn)角為90°，遠小于發(fā)動機進氣持續(xù)期，不可避免地存在進氣干擾或搶氣的問題，因此進氣管布置形式直接影響發(fā)動機的進氣均勻性，從而影響各氣缸的燃燒和排氣均勻性。各缸進氣不均勻直接影響缸內(nèi)燃燒，使各缸的最大爆壓差別較大，影響發(fā)動機曲軸平衡，甚至導致曲軸化瓦等嚴重的可靠性問題，因此進、排氣系統(tǒng)的設計應盡量保證發(fā)動機各缸進氣均勻性[14-16]。通常要求各缸進氣質(zhì)量流量均勻性偏差在±3%以內(nèi)。

3種進氣管布置形式在發(fā)動機負荷率為100%時的各缸進氣質(zhì)量流量相對偏差(每缸的進氣質(zhì)量流量與8個缸的平均進氣質(zhì)量流量的比)對比如圖2所示。

圖2 不同進氣管布置形式對應的各缸進氣量偏差

由圖2可知：方案B對應的各缸進氣質(zhì)量流量最大相對偏差為5%，超過偏差要求，進氣均勻性最差；方案A對應的第8缸的進氣質(zhì)量流量相對偏差為3.3%，超出偏差要求；方案C的各缸進氣質(zhì)量流量相對偏差均在2%以內(nèi)，滿足偏差要求。根據(jù)各缸進氣質(zhì)量流量均勻性，方案C最優(yōu)。

方案A的8缸共用1個大的進氣管，由于發(fā)火間隔曲軸轉(zhuǎn)角僅為90°，同側(cè)相鄰的2個缸搶氣，特別是連續(xù)發(fā)火的2個缸，當進氣管容積設計較大時，可以減小搶氣對各缸進氣均勻性的影響。

方案B的進、排氣管路完全分開，每側(cè)的進氣管容積減半，當發(fā)動機的單缸進氣量需求不變時，各缸搶氣嚴重；按該發(fā)動機的發(fā)火順序，第4缸進氣未結(jié)束時同側(cè)的第3缸開始進氣，由于進氣管容積相對較小，使得第4缸的進氣量減小；此外在第4缸排氣未結(jié)束時第3缸排氣門開啟并排氣，此時第3缸的排氣壓力高于第4缸，導致第4缸排氣不暢，缸內(nèi)殘余廢氣增加，導致第4缸的新鮮進氣量減少，如圖3所示。同時由于第5缸和第7缸也是同側(cè)連續(xù)發(fā)火，也會出現(xiàn)如同第3缸和第4缸的進氣搶氣和排氣干擾問題，使得第7缸的新鮮進氣量減小。

圖3 方案B第3、4缸的排氣質(zhì)量流量對比

方案C的一側(cè)進氣管連接第1、4、6、7缸，按順序2缸之間的發(fā)火間隔曲軸轉(zhuǎn)角為180°，接近發(fā)動機的進、排氣持續(xù)期，可以有效避免方案B存在的進氣搶氣和排氣干擾的問題，另一側(cè)的進氣管連接第2、3、5、8缸，同理，各缸均勻性相對更好。

一般V型8缸機的發(fā)火順序有1—5—4—2—6—3—7—8、1—5—4—8—6—3—7—2、1—8—4—2—7—3—6—5、1—8—4—2—7—3—6—5、1—5—4—8—7—2—6—3、1—2—7—3—4—5—6—8、1—8—4—3—6—2—7—5等，這幾種發(fā)火順序的曲軸平衡性較好，但這幾種發(fā)火順序都存在某一側(cè)氣缸連續(xù)進氣發(fā)火的問題，方案C的進氣管布置形式可以滿足以上所有發(fā)火順序的進氣需求而不出現(xiàn)進氣搶氣的問題。

2.2 一次加載率

進、排氣管路的布置形式以及結(jié)構(gòu)尺寸對發(fā)動機的一次加載率影響較大，進、排氣管路的容積相對越小，越有利于減小進、排氣時的彈性緩沖效應，即進、排氣充滿管路容積的時間更短，響應性越好[17]；各缸進氣均勻性越好，各缸的燃燒越均勻，總?cè)紵室矔M一步提高，有效改善發(fā)動機的瞬態(tài)響應性。

對3種不同進氣管路布置形式的一次加載能力進行計算分析， 一次加載率目標為50%負荷， 主要評價轉(zhuǎn)速波動率和轉(zhuǎn)速恢復時間，其中轉(zhuǎn)速波動率為瞬態(tài)加載或卸載過程中最高瞬時轉(zhuǎn)速或最低瞬時轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的相對百分比。一次加載到相同負荷率時，轉(zhuǎn)速波動率越小，轉(zhuǎn)速的恢復時間越短，響應性越好。不同進氣管布置形式對一次加載率的影響計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同進氣管布置形式對一次加載率的影響

由表1可知：方案A的響應性最差，方案B其次，方案C最優(yōu)，但方案B、C相差不大。主要是由于方案A的每個增壓器對應的進氣管容積最大，彈性緩沖效應最大，新鮮空氣充滿進氣管的時間最長，響應最慢；方案B、C每個增壓器對應的進氣管的容積比方案A小一半，所以2個方案的響應性均較好，但方案C的布置形式解決了進氣搶氣的問題，響應性最好。

2.3 渦輪增壓器性能

方案B、C的各缸進氣均勻性以及一次加載率表現(xiàn)均優(yōu)于方案A，因此對方案B、C的增壓器性能進行進一步分析。方案B由于該發(fā)動機的發(fā)火順序存在第1～4缸的一側(cè)連續(xù)發(fā)火，同時導致第5～8缸的一側(cè)不發(fā)火，且兩側(cè)氣缸對應的進、排氣管路完全分開，所以當?shù)?～8缸的一側(cè)不發(fā)火時，此時該側(cè)氣缸不進氣，但此時進氣管內(nèi)的壓力變化響應較慢，由于不進氣導致進氣流量減小甚至產(chǎn)生回流，氣體在壓氣機的葉輪或擴壓器入口處出現(xiàn)邊界層分離，分離渦迅速擴展到壓氣機通道的其他部分，氣流出現(xiàn)強烈的振蕩，引起工作葉輪的強烈振動，并產(chǎn)生很大的噪聲，引起第5～8缸側(cè)的增壓器出現(xiàn)喘振。方案C各缸連續(xù)進氣并發(fā)火，不會出現(xiàn)某一側(cè)不進氣的現(xiàn)象，所以不會出現(xiàn)喘振問題。

方案B、C的第5～8缸側(cè)進氣管在4個沖程中的瞬時進氣質(zhì)量流量如圖4所示。

圖4 方案B、C第5～8缸單側(cè)進氣質(zhì)量流量

由圖4可知：方案B出現(xiàn)進氣流量為0甚至回流(進氣質(zhì)量流量為負)的問題，方案C的進氣質(zhì)量流量與發(fā)火順序?qū)蚁鄬鶆颉?/p>

2.4 整機性能

不同進氣管布置形式對發(fā)動機整機性能的影響不同，3種進氣管方案對應的發(fā)動機充氣效率的對比如圖5所示、發(fā)動機燃油消耗率如圖6所示。

由圖5、6可知：方案C由于進氣均勻且無進排氣干擾，充氣效率最高，方案C的充氣效率比方案A高2%左右、比方案B高1%左右，優(yōu)勢明顯。充氣效率高意味著相同進氣壓力情況下進入氣缸的新鮮空氣更多，發(fā)動機可以輸出更多的有效功，油耗率進一步降低；方案C的油耗率最低，75%負荷工況點，方案C的燃油消耗率比方案A低1.2 g/(kW·h)左右，比方案B低0.5 g/(kW·h)左右。

圖5 不同進氣管布置形式的發(fā)動機充氣效率 圖6 不同進氣管布置形式的發(fā)動機燃油消耗率

3 結(jié)論

對3種進氣管布置方案的某V型8缸雙增壓柴油機的進氣均勻性、一次加載率、增壓器性能以及整機性能進行計算分析，進氣管的最佳布置形式為方案C。

1)方案A、C的進氣均勻性相對較好，方案B的進氣均勻性最差。

2)方案C的一次加載率最優(yōu)，其次為方案B，方案A最差。

3)方案B存在增壓器喘振問題，方案C的增壓器不會喘振。

4)與方案A、B相比，方案C的發(fā)動機整體性能表現(xiàn)較好，充氣效率比其他2種方案提高1%～2%，燃油消耗率降低0.5～1.2 g/(kW·h)。