基于CFD穩(wěn)態(tài)分析的小柴油機進氣系統(tǒng)優(yōu)化研究

朱成明，胡華強，栗 娟

（菲亞特動力科技研發(fā) （上海）有限公司，上海 201807）

0 引言

利用計算機輔助技術(shù)CFD來模擬優(yōu)化發(fā)動機關(guān)鍵零部件的開發(fā)已成為當前世界上比較流行的趨勢。通過流體動力學軟件對建立的數(shù)值模型進行分析計算，不僅在發(fā)動機開發(fā)前期有前瞻性作用，而且在發(fā)動機甚至整車的研發(fā)過程中都能起到重要的指導(dǎo)作用，能夠節(jié)約大量人力物力，使有限的研發(fā)成本投入到關(guān)鍵的作用點上。本文通過某款乘用車柴油發(fā)動機開發(fā)的實例，詳細闡述了進氣系統(tǒng)仿真計算的全過程。

1 建立數(shù)學模型以及邊界條件

本文以一款渦輪增壓小柴油機的進氣系統(tǒng)為例進行分析研究。在考慮了機艙內(nèi)發(fā)動機的布置約束、發(fā)動機生產(chǎn)線上的裝配需求、產(chǎn)品開發(fā)周期以及成本要求后，確定了鑄鋁制造的工藝方向，并完成了三維模型的初始設(shè)計。本研究的目標是進一步分析對比有無EGR擴散器的兩種方案對進氣系統(tǒng)的影響，以選取更能滿足該柴油發(fā)動機性能和排放要求的方案。

1.1 建立數(shù)學模型

定義無EGR擴散器方案為方案1，有EGR擴散器方案為方案2。鑄鋁進氣歧管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，A為進氣歧管的進氣口，入口直徑為Φ35 mm；B為EGR廢氣的進氣口，入口直徑為Φ22mm，部分廢氣經(jīng)過EGR冷卻器冷卻后經(jīng)B直接進入歧管；C為通往4個氣缸的8個氣道。

圖1 鑄鋁進氣歧管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 邊界條件

本次計算考慮發(fā)動機工況為3 000r/min，燃油流量為6.41kg/h。進氣口A的增壓空氣流量為47.097g/s，溫度為50.11℃；EGR進氣口B的廢氣流量為7.63g/s，溫度為270.6℃。

計算過程中設(shè)每次僅有一個氣缸打開，其余都為關(guān)閉。打開次序簡單定義為缸1、缸2、缸3和缸4，如圖1（d）所示。統(tǒng)一設(shè)置打開的氣缸進氣道出口的壓力為1.86bar（絕對壓力，186kPa），溫度為96.14℃。

2 計算結(jié)果與分析

對方案1和方案2采用相同氣缸定義以及相同的邊界條件以對比計算結(jié)果。

2.1 歧管內(nèi)廢氣分布

圖2為方案1歧管內(nèi)廢氣分布情況，大部分的廢氣流入了氣缸打開的進氣道。新鮮空氣與EGR廢氣在歧管內(nèi)的混合程度在缸4打開時較好，缸2打開時最差，在EGR廢氣入口的后面有一個遲滯點，廢氣在此會有遲滯現(xiàn)象。圖3為方案2歧管內(nèi)廢氣分布，氣體在歧管內(nèi)的混合程度總體而言更均勻，但是靠近主進氣口的兩個氣缸打開時的表現(xiàn)會優(yōu)于較遠的氣缸，這主要是由于該歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計的特殊性。

2.2 進氣道溫度分布

圖4為方案1歧管內(nèi)溫度分布，混合氣體的溫度分布與EGR廢氣的混合程度較類似，其主要原因是EGR廢氣的溫度遠高于增壓的新鮮空氣。圖5為方案2歧管內(nèi)溫度分布，由于采用EGR擴散器后，廢氣在歧管內(nèi)的總體分布更均勻，因此整個系統(tǒng)溫度分布相對均勻，且總體溫度較方案1更低。

圖2 方案1歧管內(nèi)廢氣分布

圖3 方案2歧管內(nèi)廢氣分布

2.3 進氣道出口廢氣及溫度計算結(jié)果

當依次打開各氣缸時，各氣道出口的廢氣百分比及溫度如圖6～圖9所示。由圖6可知，在方案1中，各氣道出口的廢氣百分比在13%～14.1%之間，基本上各缸出口廢氣擴散效果類似。由圖7可知，缸1～缸3的出口廢氣百分比介于11%～14%之間，但是第4缸打開時，其廢氣百分比為9.6%，略微低于其他各缸，主要原因是該氣缸離歧管主進氣口最遠。

圖4 方案1歧管內(nèi)溫度分布

圖5 方案2歧管內(nèi)溫度分布

由圖8可知，當缸1和缸3的氣門打開時各氣道的出口溫度比較均勻，而當缸2和缸4的氣門打開時各氣道的出口溫度差異較大，原因是缸2離主進氣口最近，而缸4離主進氣口最遠。由圖9可知，當缸2、缸3和缸4打開時，各進氣道的出口溫度相對平均。而其中最顯著的特征為各進氣道的出口溫度峰值從方案1的95℃降低到80℃，同時各缸出口平均溫度從75℃降低為65℃。

圖6 方案1的氣道出口廢氣百分比

圖7 方案2的氣道出口 廢氣百分比

圖8 方案1的氣道 出口溫度

圖9 方案2的氣道 出口溫度

3 結(jié)論

總體而言，廢氣在各氣缸內(nèi)的擴散效果在方案2中得到了改善，雖然對出口界面上的溫度而言，方案2沒有方案1那么均勻，這是由于加入擴散器后主流道結(jié)構(gòu)略有區(qū)別。一個重要結(jié)果是，在引入EGR擴散器后，進氣混合物的總體溫度大大降低，峰值從95℃降低到80℃，而平均溫度從75℃降低為65℃，主要原因就是EGR擴散器在進氣歧管內(nèi)起到了積極的改善廢氣與新鮮空氣混合程度的作用。

在前期設(shè)計中，由于該進氣歧管方案受到諸多條件的約束而導(dǎo)致主進氣口相對4個氣缸并不對稱，目前的模擬計算也指出，如果能夠使得主進氣口的位置盡量相對缸2和缸3對稱的話，將進一步改善該進氣系統(tǒng)性能。

后期發(fā)動機臺架實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后帶有EGR擴散器的方案2進氣系統(tǒng)不僅滿足了發(fā)動機性能方面的要求，也保證了該柴油機的排放順利達到了國四法規(guī)標準。

［1］王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

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［3］周龍保.內(nèi)燃燒學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996.