進(jìn)氣總管各缸均勻性對非道路用柴油機性能的影響研究

賈鵬飛，農(nóng)柳霞

（廣東汽車檢測中心有限公司排放及發(fā)動機部，廣東 佛山 528000）

發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分，進(jìn)氣系統(tǒng)性能的好壞嚴(yán)重影響發(fā)動機和整車性能[1]。而進(jìn)氣總管是發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)最重要的部件之一，主要作用是通過節(jié)氣門將氣體均勻分配到發(fā)動機各個氣缸。對于多缸發(fā)動機，隨著進(jìn)排氣門的開閉，進(jìn)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(jìn)氣均勻性造成大的影響。各缸進(jìn)氣的均勻性將直接影響到各缸空氣與燃油的混合程度，從而影響燃燒過程的組織，使各缸的燃燒過程產(chǎn)生差異[2]。因此，對進(jìn)氣管進(jìn)氣均勻性的分析非常重要，通過優(yōu)化進(jìn)氣總管結(jié)構(gòu)，減小各缸進(jìn)氣不均勻性，有利于改善發(fā)動機的性能。

進(jìn)氣系統(tǒng)中的氣體運動是十分復(fù)雜的三維非定常流動，采用數(shù)值分析對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真不但可以提供足夠準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，而且更能節(jié)省試驗經(jīng)費，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，更重要的是它允許對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行可視化研究，找出流動損失的原因，為進(jìn)氣管的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)[3]。

基于某四缸非道路用柴油機，采用仿真計算和試驗驗證相結(jié)合的方法對比不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)（后端進(jìn)氣和中間進(jìn)氣）的進(jìn)氣總管進(jìn)氣均勻性的差異。同時，針對整車布置空間限制，對中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣總管進(jìn)行優(yōu)化驗證，以滿足發(fā)動機的性能開發(fā)指標(biāo)要求。

1 計算分析及驗證

在一臺四缸非道路用柴油機上進(jìn)行不同進(jìn)氣總管結(jié)構(gòu)的性能差異對比和進(jìn)氣總管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化工作。發(fā)動機進(jìn)氣總管包含進(jìn)氣入口段、穩(wěn)壓腔和4 個進(jìn)氣歧管。分別設(shè)計進(jìn)氣口在第四缸后的端面進(jìn)氣和進(jìn)氣口在第二、三缸之間的中間進(jìn)氣兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比驗證。發(fā)動機參數(shù)見表1。

表1 試驗發(fā)動機參數(shù)

本次仿真計算的主要目的是對比分析不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)（后端進(jìn)氣和中間進(jìn)氣）的進(jìn)氣總管的各缸進(jìn)氣均勻性差異，并結(jié)合臺架試驗驗證分析兩種進(jìn)氣總管對發(fā)動機燃油消耗率和排氣煙度的影響，從而給出進(jìn)氣總管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向。

渦流比為進(jìn)氣終了氣缸中渦流轉(zhuǎn)速與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速之比，代表氣道形成渦流的能力，是用來衡量發(fā)動機氣缸內(nèi)空氣運動的參數(shù)之一，因為它影響著空氣和燃油的混合過程和燃燒過程，保證各缸渦流比均勻性，也是保證排放性和經(jīng)濟性的重要一環(huán)[4]。進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果對比如圖1 所示、氣缸蓋氣道參數(shù)對比見表2。

圖1 進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果對比圖

表2 進(jìn)氣均勻性仿真計算結(jié)果

（1）中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的流量系數(shù)略高于后端進(jìn)氣，但是各缸渦流比明顯低于后端進(jìn)氣結(jié)構(gòu)。中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的渦流比均勻性很差，第1、3 缸的渦流比明顯低于第2、4 缸，不利于發(fā)動機的燃燒過程。

（2）后端進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的各缸渦流比均勻性好，基本都在1.8Rs 左右的水平。

針對兩種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺架驗證，對比兩種進(jìn)氣管在排氣煙度、油耗方面的差異。臺架驗證結(jié)果如圖2 所示。

圖2 排氣煙度和油耗對比

（1）不同噴油正時下的燃油消耗率和排氣煙度對比，發(fā)現(xiàn)采用后端進(jìn)氣結(jié)構(gòu)時發(fā)動機的燃油消耗率改善明顯，特別是在中速和低速方面燃油消耗率改善明顯，降低了6%，排氣煙度也得到明顯的降低。

（2）兩種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的八工況排放結(jié)果對比，中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的NOx 和PM 結(jié)果較差，排放對比結(jié)果見表3。

表3 八工況排放結(jié)果對比

結(jié)合仿真計算結(jié)果可知，中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的各缸渦流比差異大，進(jìn)氣均勻性差造成發(fā)動機燃油消耗率和排氣煙度差異。在相同的燃燒條件下，各缸進(jìn)氣量越均勻，柴油機整機性能受單缸的影響就越小。中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣均勻性無法滿足開發(fā)要求，因此需優(yōu)化中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)進(jìn)氣總管的各缸進(jìn)氣均勻性。

2 優(yōu)化設(shè)計

從仿真計算結(jié)果看出中間進(jìn)氣方案的第一缸、第三缸渦流比明顯偏低，渦流比均勻性差。原中間結(jié)構(gòu)進(jìn)氣總管和歧管的銜接方式容易造成氣流紊亂，加高進(jìn)氣總管，加長歧管與進(jìn)氣總管銜接的長度，可以改善氣流紊亂。同時加寬、加長進(jìn)氣總管，增加穩(wěn)壓腔的體積，可以避免進(jìn)氣歧管間氣流相互干擾，提高各缸進(jìn)氣充量系數(shù)。

2.1 方案一

由于整車布置空間限制，需采用中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣總管，因此在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以保證進(jìn)氣渦流比的均勻性。優(yōu)化方案一模型如圖3 所示，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加寬20 mm，加高5 mm，兩端加長20 mm。對此優(yōu)化方案進(jìn)行仿真計算，速度矢量圖如圖4 所示，該部分為主要流動區(qū)域，且產(chǎn)生旋渦，對1 缸無改善效果，各缸渦流比的計算結(jié)果見表4，通過計算結(jié)果可以看出第1、3 缸渦流比相對于第2、4 缸仍偏小，相對于原有方案1、2、4 缸渦流比變化不大，3 缸有所提高，仍然達(dá)不到優(yōu)化目標(biāo)。

圖3 優(yōu)化方案一

圖4 速度矢量圖

表4 優(yōu)化方案一各缸進(jìn)氣渦流比

2.2 方案二

優(yōu)化方案二如圖5 所示，在上述方案一基礎(chǔ)上繼續(xù)加高15 mm。對此優(yōu)化方案進(jìn)行仿真計算，速度矢量圖如圖6 所示，計算結(jié)果見表5。

圖5 優(yōu)化方案二

圖6 速度矢量圖

表5 優(yōu)化方案二各缸進(jìn)氣渦流比

繼續(xù)加高15 mm 后，第1 缸氣道入口氣流縱向方向的速度分量減弱，更多的是水平方向的速度分量，即氣流方向相對于未加高方向傾斜度更小了，這有助于提高渦流比。從計算結(jié)果看到一缸的渦流比從1.5 提升至1.87，提升了24.6%。同時其他缸的渦流比也有所提升，平均渦流比從1.6 提升至1.8 左右。而且方案二的渦流比絕對偏差更小，各缸渦流比一致性更好。因此加高進(jìn)氣總管的高度不僅對第1 缸有改善，且對提升各缸渦流比，改善各缸進(jìn)氣均勻性有明顯效果。

對優(yōu)化后的中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)與后端進(jìn)氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺架對比驗證，試驗結(jié)果對比如圖7。發(fā)動機燃油消耗量和排氣煙度基本一致，滿足開發(fā)要求。

圖7 中間進(jìn)氣優(yōu)化方案二和后端進(jìn)氣的油耗和煙度對比

3 結(jié)語

（1）通過對兩種進(jìn)氣總管進(jìn)行仿真計算和臺架驗證對比，說明進(jìn)氣管的各缸均勻性對柴油機的性能有著重要的影響，根本原因是影響柴油機空氣和燃油的混合程度，均勻性差不只是影響燃油經(jīng)濟性，對排放結(jié)果也有惡化。

（2）結(jié)果表明中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的各缸進(jìn)氣渦流比均勻性較差，不利于發(fā)動機進(jìn)氣和燃燒質(zhì)量。后端進(jìn)氣結(jié)構(gòu)可以保證各缸渦流比的均勻性，對發(fā)動機經(jīng)濟性和排氣煙度有明顯改善。

（3）考慮整車布置空間限制需采用中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，對原有中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣總管加寬20 mm，加高20 mm，兩端加長20 mm，可以提升各缸進(jìn)氣渦流比均勻性，且可以達(dá)到與后端進(jìn)氣方式相當(dāng)?shù)男阅芩?，滿足開發(fā)要求。