曾響1 雷基林1 楊永忠 張寧 楊連寶 彭鵠

（1-昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室云南昆明650500 2-昆明云內動力股份有限公司）

某柴油機進氣歧管結構對各缸進氣均勻性的影響*

曾響1雷基林1楊永忠2張寧2楊連寶2彭鵠2

（1-昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室云南昆明650500 2-昆明云內動力股份有限公司）

發(fā)動機進氣過程中，管道內的氣體壓力波產生的氣體諧振效應會影響氣缸充氣效率和進氣不均勻度，柴油機進氣歧管的幾何結構直接影響管內氣體慣性效應、氣體壓力波傳播路徑長短以及殘余壓力波的相位。針對一款4缸電控高壓共軌柴油機，建立了進氣歧管、氣道、氣門和氣缸的一維三維耦合流動仿真模型，研究進氣總管長度、進氣總管內徑、進氣歧管長度、諧振腔容積對進氣不均勻性的影響，并對進氣歧管幾何結構進行了優(yōu)化設計。研究結果表明，增加進氣總管長度和進氣歧管長度，采用小管徑進氣總管和一定范圍內小容積諧振腔能有效地改善發(fā)動機進氣不均勻性，為進氣歧管的結構優(yōu)化提供了可能。

柴油機進氣不均勻性氣體諧振效應進氣歧管優(yōu)化設計

引言

進氣系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分，它的布置形式和結構參數(shù)對發(fā)動機的充氣效率、進氣阻力、進氣均勻性、缸內混合氣運動和燃燒過程有著重要的影響，從而影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性。因此，進氣系統(tǒng)的設計已成為發(fā)動機研發(fā)的關鍵技術之一，它在發(fā)動機產品的研發(fā)過程中，占有重要的地位。近年來，國內外學者對多缸柴油機進氣管內氣體流動進行了廣泛的研究[1-4]。

多缸發(fā)動機進氣流量和進氣不均勻性主要受到進氣壓力波的影響。進氣門打開時，進氣門前后壓差使氣體迅速流入氣缸，當氣缸內壓力達到最大值后，由于慣性作用氣體繼續(xù)向氣缸內流入。由此可見發(fā)動機各缸的進氣量是由氣缸與進氣管內的壓力差決定，同時氣體慣性作用也起到一定影響。進氣管路的結構參數(shù)如管徑、管長和容積等會影響諧振效應的發(fā)生規(guī)律，如果能合理地設計進氣管路結構，便能夠充分利用進氣諧振效應，提高充氣效率，改善進氣不均勻性，就能達到提高發(fā)動機整體性能的目的[5-8]。

分別以進氣總管長度、進氣總管內徑、進氣歧管長度、諧振腔容積等為結構變量建立三維仿真模型，同時依據(jù)實際工作情況按照該發(fā)動機的實際幾何結構及管道布置形式建立整體發(fā)動機一維熱力學模型，就不同進氣歧管幾何參數(shù)對柴油機各缸進氣不均勻性影響進行了仿真研究并對進氣歧管結構作出相應優(yōu)化。

圖1 發(fā)動機一維模型

1研究對象及其模型驗證

1.1 研究機型的性能參數(shù)

本文中的研究對象是某4缸電控高壓共軌柴油機，相關性能參數(shù)如下表所示。

表1 發(fā)動機主要性能參數(shù)

1.2 熱力學模型的搭建與驗證

根據(jù)所要模擬的實際環(huán)境，充分考慮燃料的多種熱力學性質，基于AVL BOOST軟件按照該發(fā)動機的實際幾何結構及管道布置形式建立整體發(fā)動機一維熱力學模型。AVL BOOST是采用模塊化的結構建立相應的模型，發(fā)動機氣缸、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)的各個部件均由相應的模塊表示，用線段代表管路連接各個部件，從而構成一個完整的發(fā)動機系統(tǒng)，如圖1所示。

發(fā)動機的主要參數(shù)如表1所示，可以通過對應的模塊輸入實際發(fā)動機所有結構參數(shù)。利用該軟件進行模擬仿真運算時，需要非常精確的發(fā)動機結構參數(shù)，因此，模型中管道長度、直徑、曲率等參數(shù)均從該發(fā)動機三維實體模型中提取，建模過程中需要對局部某些復雜的管道進行了相應的簡化處理。

為了確保仿真計算的可靠性、準確性，根據(jù)選用發(fā)動機試驗運轉的實際情況，對相關參數(shù)來進行標定。圖2給出，發(fā)動機功率和扭矩的試驗值，與計算值的比對情況，從中可以看出試驗值和計算值在整個運行工況基本吻合，其誤差均在3%以內。由此可以肯定模型的準確性，在此基礎上完成進氣不均勻性研究具有一定的可信度。

圖2 發(fā)動機外特性試驗結果與模擬計算結果對比

1.3 幾何模型的搭建與FIRE網(wǎng)格劃分

通過已選定的發(fā)動機中進氣系統(tǒng)各部件的實際幾何尺寸應用NX UG軟件建立三位實體幾何模型。由于柴油機進氣系統(tǒng)幾何結構比較復雜，曲面結構較多。構造曲面時，對基礎面和過渡面進行區(qū)分，按照不同的曲面質量要求分別進行構造，基礎面要有較好的光順性及較高的重塑精度，因此，其曲面質量要求較高，要避免不良反射，而過渡曲面只要盡量光順，沒有褶皺出現(xiàn)就可以。圖3a）為最終建立完成的發(fā)動機三維幾何模型。由于模擬時需要進行穩(wěn)態(tài)模擬，此時假定只有一個氣缸進氣，應對整體三維模型進行相應簡化，如圖3b）為第二缸進氣時簡化后的三維實體模型。

網(wǎng)格劃分是CFD應用于流場分析前處理中的關鍵一步，其質量會直接影響到計算時間、收斂速度、計算精度，從而影響到整個仿真計算的結果。因此，在條件允許的情況下，我們必須提高網(wǎng)格劃分質量，使仿真計算結果更加接近于真實工況。結構化、非結構化和分塊結構化網(wǎng)格是目前最常使用的三種網(wǎng)格。

圖3 進氣系統(tǒng)三維模型

課題計算模型的網(wǎng)格劃分主要采用AVL前處理功能，網(wǎng)格劃分功能模塊FAME Hybrid可以進行自動網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格總數(shù)約為70萬，如圖4所示。

圖4 進氣系統(tǒng)網(wǎng)格化分

2數(shù)據(jù)處理方法

多缸發(fā)動機進氣不均勻性主要表現(xiàn)為一個工作循環(huán)內各缸進氣量不同。為了能較好地反映出柴油機進氣均勻性的指標，在這里主要采用平均進氣量、進氣不均勻度來衡量：

式中：N為氣缸數(shù)；Ai為第i缸的進氣量；Amax為各缸中最大的進氣量；Amin為各缸中最小進氣量。

平均進氣量主要用來說明發(fā)動機的進氣能力。進氣不均勻度ΔA用來對發(fā)動機進氣差異進行詳細說明，其采用一個循環(huán)內進氣量最大與最小兩缸的進氣量差值與平均進氣量的比值來衡量進氣不均勻性。在評價過程中我們希望進氣不均勻度ΔA的值越小越好[9-11]。

目前眾多專家尚未對進氣不均勻度ΔA的值域進行具體劃分，通過進氣不均勻度ΔA的值來判定發(fā)動機進氣不均勻性的好壞主要是通過經(jīng)驗或者參考文獻，一般小于10%我們就可以認定其進氣不均勻性較為良好，大于10%就會對發(fā)動機性能產生嚴重影響。

表2 進氣外接管結構參數(shù)（方案1～3）

圖5 不同外接管管長流體速度分布云圖

圖6 不同外接管管長壓力分布圖

3計算結果與分析

研究機型外接支管長度為60 mm，外接支管內徑為45 mm，進氣支管長度為120 mm，諧振腔容積為650 mL。

3.1 進氣外接管對進氣不均勻性的影響

進氣歧管外接管是外界氣體與管內氣體連接的交界口，外界穩(wěn)壓氣體在外接管端口處就與管內氣體發(fā)生碰撞，產生波動效應，其幾何參數(shù)在一定程度上影響了進氣管路內的波動效應，進而對整個發(fā)動機進氣系統(tǒng)的建立產生影響。所以要想有效地利用動力效應就必須與進氣管進行合理的匹配。進氣外接管是入射波的起點，也是反射波的終點，這兩個波在進氣外接管內進行疊加，其動態(tài)效應進一步影響諧振腔內的氣體狀態(tài)，因此外接管的幾何結構對諧振腔中的波動效應有重要影響。

3.1.1 進氣外接管長度對進氣不均勻性的影響

設計方案如表2所示：

計算得到流速分布圖5與壓力分布圖6，對比得出：各缸整體進氣趨勢基本相同，總管進氣端氣體流速最小，壓力最大，氣體到達各缸進氣門處時，流速最大，壓力最小。當氣體從進氣總管進入諧振腔時，氣體不能立刻充滿諧振腔，由于2缸靠近外接總管，其流通路徑較短，而4缸離總管距離遠，其流通路徑較長，同時氣體在管內流動在管壁附近產生回流現(xiàn)象，形成局部渦流組織，阻礙氣體流通。綜合以上原因導致各缸進氣入口氣體壓降產生差異，2缸與4缸入口處壓力差值較大，而1缸和3缸入口壓力處差值基本相同。

從3種方案對比來看，隨著外接管長度的增加，在管壁邊緣形成的局部低速區(qū)域減少，這有利于減少氣體沿程的能量損失，提高進氣量。計算得出方案1進氣最大壓力差值為281 Pa，方案2進氣最大壓力差值為253 Pa，方案3進氣壓力最大差值為168 Pa。同時各進氣支管入口處的壓力值有略微增高。由此可見增長外接管管長有利于改善發(fā)動機進氣不均勻性。

各缸分別進氣時各支管內流場和壓力的變化趨勢基本一致。以一缸單獨進氣時的局部流速圖為例，如圖7所示?？梢钥闯鲭S著管長的增加，進氣管內流動速度稍有增加，進氣門口處流速加大，其中螺旋進氣道增速較快，速率提升了1.6%，切向進氣道中速率提升了1.1%。同時各缸進氣量也有所提升，以一個氣缸為單位，取對應氣缸的兩個進氣支管出口質量流量和為氣缸進氣質量流量，得出各缸進氣流量圖8。通過前面的介紹計算出最大不均勻度分別為11.3%，11.1%和10.6%。說明進氣外接管的長度增加對改善進氣不均勻性的效果。

圖7 局部流速分布云圖

圖8 各缸進氣流量

3.1.2 進氣外接管內徑對進氣不均勻性的影響

設計方案如表3所示。

表3 進氣外接管結構參數(shù)（方案4～6）

圖9 不同外接管管徑流速分布云圖

圖10 不同外接管管徑壓力分布圖

圖9、10、11為不同外接管管徑下各缸進氣流速云圖和壓力分布圖。可以看出方案4中氣體經(jīng)進氣外接管流入諧振腔后氣體流速加快，填充諧振腔的速率增快。在四缸進氣時，氣體已經(jīng)基本可以充滿整個諧振腔，增強了諧振腔內氣體波動效應。波動效應的增強使諧振腔內低速區(qū)域減少，能量損失降低，出口流速有一定的提高。方案4中的平均壓力降為1 030 Pa，最大壓力降出現(xiàn)在四缸進氣，壓力降低了1 130 Pa，最小壓力降為980 Pa，出現(xiàn)在第二缸進氣，偏差值為14.5%；而方案6的平均壓力降為1 005 Pa，最大壓力降和最小壓力降偏差值僅為10.3%。由此可見小管徑的進氣外接管有理由改善發(fā)動機進氣不均勻性。

圖11 局部流速分布云圖

由模擬計算獲得各缸進氣流量如圖12所示，可以看出在管徑增大的過程中進氣量也有所增加。通過進氣不均勻性的評價公式算出最大不均勻度分別為10.3%，11.3%和14.5%?？梢娦」軓娇梢垣@得更好的進氣均勻性。

圖12 各缸進氣流量

3.2 進氣支管長度對進氣不均勻性的影響

設計方案如表4所示。

表4 進氣支管長度結構參數(shù)（方案7～9）

圖13和圖14分別是不同進氣支管管長下各缸進氣的氣體流速云圖和壓力圖，圖15為局部流速分布圖。其壓力損失和流動阻力的規(guī)律與前面一樣。氣體從諧振腔流入進氣支管時流速開始加快，并沿著歧管走向逐漸加大。隨著管長的增加，出口處流速略有提高，各缸出口處流速都有3%左右的增幅，其中方案9中2缸流速最大為95.41 m/s，比方案7中2缸流速最大值增加了3.1%。

圖13 不同進氣支管管長流速分布圖

圖14 不同進氣支管管長壓力分布圖

圖15 局部流速分布圖

氣體進入歧管有兩種形式，一種在進氣過程前一段時間，氣體依靠缸內外進氣壓力差流入氣缸，另一種是依靠氣體本身的慣性進入氣缸。通過對氣體波動理論的分析可以知道慣性效應只發(fā)生在進氣歧管的支管中，并且其壓力波的相位由支管的長度來決定，同時由于波動效應在諧振腔內完成后再經(jīng)過進氣支管傳到進氣門，而這個傳播的時間也會隨著其傳播路徑而改變。而長管更有利于提高慣性效應。方案9中壓力降最大值為1 015Pa，平均值為920Pa，壓力偏差為9.8%，而方案7中壓力偏差為10.9%，方案8壓力偏差為10.3%。由此可知進氣支管的長度增加有利于改善發(fā)動機進氣不均勻性。

通過計算得出各缸進氣流量對比結果，如圖16所示。算出最大不均勻度分別為11.3%，10.9%和10.4%。因此可以看出進氣不均勻度隨著管長增加稍有改善。

圖16 各缸進氣流量

3.3 進氣歧管諧振腔容積對進氣不均勻性的影響

設計方案如表5所示：

表5 進氣歧管諧振腔結構參數(shù)（方案10～12）

一般諧振腔都選擇直管形式，而盡可能不選取非過渡彎管。同時考慮到發(fā)動機的有限布置空間，不宜對諧振腔的長度進行加長改動，因此，諧振腔的管徑變化實際上就是諧振腔容積的變化。

圖17 不同諧振腔容積流速分布云圖

圖18 不同諧振腔容積壓力分布圖

圖19 一缸局部流速分布

不同諧振腔容積流速分布云圖、壓力分布圖如圖17、18所示，一缸局部流速分布如圖19所示。諧振腔與進氣支管和外接管相連，相當于一個中轉站，將吸入的空氣匯聚后再分散到各支管中。隨著容積增大諧振腔內氣體壓力分布越來越穩(wěn)定。通過不同容積下諧振腔兩端的氣體流動狀態(tài)可以看出，在諧振腔管壁附近的回流現(xiàn)象隨著容積增大而減小。但大容積內的氣體流動空間增大，使得壓力波不能被良好利用。容積增大的過程中各進氣支管中流體速率變化較為接近，說明進氣均勻性有所提高[12-14]。

諧振腔容積增大的過程中我們可以看出方案12中的3缸和4缸進氣時，氣體已經(jīng)基本均勻地流動于諧振腔內，此時如果繼續(xù)擴大容積，那么諧振腔將真正地變成一個穩(wěn)壓裝置，使其腔內壓力基本維持在一個常數(shù)，這樣就使得諧振強度降低，降低了氣體的波動效應。

各缸進氣流量如圖20所示。算出最大不均勻度分別為9.6%，10.2%和11.3%。發(fā)現(xiàn)容積增大過程中進氣不均勻性有所好轉。

圖20 各缸進氣流量

3.4 進氣歧管幾何結構優(yōu)化設計

通過對進氣歧管進氣不均勻性的分析，發(fā)現(xiàn)在隨進氣歧管結構的改變過程中，發(fā)動機的進氣均勻性還有很大的改善空間。通過正交試驗的方法最終選定了一款相對較好的進氣歧管幾何結構。其結構參數(shù)如表6所示。

表6 進氣歧管結構參數(shù)優(yōu)化結果

圖21 改進前后各缸進氣流速分布對比

改進前后各缸進氣流速分布對比、壓力分布對比分別如圖21、22所示，改進前后各缸進氣量和進氣不均勻度如表7所示。改進后進氣不均勻度為6.9%。相比改進前的進氣不均勻度11.3%有明顯好轉。由溫度分布圖和流速分布圖可以對比看出：改進后各缸進氣時，在諧振腔內氣體流動速度分布明顯較改進前更加均勻，各缸進氣門處的流速分別為91.33 m/s，93.41 m/s，90.94 m/s，90.12 m/s。最大偏差值下降為5.5%。同時在改進前諧振腔內的大面積低速區(qū)域也有明顯減小，氣體在從進氣外接管流入諧振腔時，填充速度明顯增加。氣體壓降也有明顯改善，進氣壓力平均值提高了321 Pa，最大壓力差值也減小了50 Pa，在很大程度上提高了系統(tǒng)進氣量，并且改善進氣不均勻性。

圖22 改進前后各缸壓力分布對比

表7 改進前后各缸進氣量和進氣不均勻度

4結論

應用AVL BOOST和FIRE軟件，通過一維三維耦合計算，對進氣歧管幾何結構對多缸柴油機進氣不均勻性的影響進行了分析，并做出了優(yōu)化改進。

1）進氣歧管外接管的管長和管徑對發(fā)動機的進氣不均勻性都有較大程度的影響。隨著管長的增加，各缸進氣壓力最大差值減小了113 Pa，平均進氣流速增加了1.6%，進氣不均勻性降低到10.6%。進氣支管加長，可以提高氣體慣性效應。在管長增加的過程中，氣體流動速度增加，各缸進氣壓力差值減小，進氣不均勻度得到改善，達到10.4%。

2）諧振腔主要起到穩(wěn)壓作用，在體積過大時，使腔內氣壓處于一個穩(wěn)定值，不利于氣體動態(tài)效應。但容積過小就會使腔內氣體流動發(fā)生紊亂。在設計方案中，充分考慮了容積過小的影響，所以并未出現(xiàn)該狀況。由仿真結果可以看出在一定范圍內小容積諧振腔能更良好地利用氣體波動狀態(tài)，使每缸的進氣量都提升了0.5%以上，同時各缸進氣量差異減小，改善了進氣不均勻度，僅為9.6%。

3）通過正交試驗，最終選定了優(yōu)化方案。通過仿真計算，各缸進氣流速都較改進前提升了近1個百分點；進氣壓力平均值提高了321 Pa，最大壓力差值也縮減50 Pa；進氣均勻度為6.9%。較改進前的11.3%有明顯提升。

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Effect of Intake Manifold Structure on the Charge Homogeneity for Diesel Engine

Zeng Xiang1,Lei Jilin1,Yang Yongzhong2,Zhang Ning2,Yang Lianbao2,Peng Hu2
1-Yunnan Province Key Laboratory of Engines,Kunming University of Science and Technology (Kunming,Yunnan,650500,China)2-Kunming Yunnei Power Company Limited

During intake process of engine,the charging efficiency of cylinder and non-uniformity of intake air are affected by resonance effect which is produced by pressure waves in the intake manifolds.While inertia effect of gas,length of travel path of pressure waves and phase of residual pressure waves are directly influenced by geometry of intake manifold of diesel engines,based on a 4-cylinder diesel engine,geometric models of intake manifold and cylinder are established and one and three dimensional coupling calculation is carried out using AVL BOOST and FIRE to investigate effects of length and internal diameter of air inlet pipe,length of inlet manifold and resonator cavity on non-uniformity of intake process.Also,optimum designs of geometry of intake manifold are discussed.Results show that it could obviously ameliorate non-uniformity of intake air to increase the length of air inlet pipe and inlet manifold,use a minor-caliber inlet pipe and low-volume resonator cavity.which makes it possible to optimize the geometry of intake manifold.

Diesel engine,Non-uniformity of intake air,Resonance effect of gas,Intake manifold,Optimum design

TK422

A

2095-8234（2016）06-0049-09

2016-11-03）

國家自然科學基金項目（51105184）、云南省科技計劃重點項目（2014FA026）。

曾響（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為內燃機現(xiàn)代設計。