增壓柴油機排氣系統結構參數的仿真優化

劉楊，李國岫，刑衛東，胡力峰

（1.北京交通大學機械與電子控制工程學院，100044；2.柴油機高增壓技術國防科技重點實驗室）

增壓柴油機排氣系統結構參數的仿真優化

劉楊1，李國岫1，刑衛東2，胡力峰2

（1.北京交通大學機械與電子控制工程學院，100044；2.柴油機高增壓技術國防科技重點實驗室）

運用GT-POWER軟件建立了增壓柴油機工作過程仿真模型，深入研究了排氣系統結構參數(包括排氣管直徑、長度、截面變化)對柴油機性能的影響。并基于優化理論，以有效功率為優化目標，分別在標定工況和最大扭矩工況對排氣管路結構參數進行了優化計算，為排氣管的進一步優化設計提供了依據。

增壓柴油機排氣管結構參數優化

1 引言

渦輪增壓發動機是利用排氣能量驅動增壓器的，發動機增壓效果，除了渦輪增壓器的良好設計以外，在很大程度上取決于發動機排氣系統的設計。排氣系統的設計對排氣能量的利用有著重要的影響[1]，從而對發動機的泵氣功、增壓壓力、排氣壓力和燃油消耗率等都會帶來影響。

大量的試驗證明，壓力波的形狀主要是受到缸內壓力變化情況以及排氣管系統和渦輪結構參數的影響[2]。本文針對一臺4缸增壓中冷柴油機，運用GT-POWER軟件建立柴油機工作過程仿真模型，研究排氣系統的結構參數對其性能的影響，并在此基礎上對排氣系統的主要結構參數進行了優化設計。

2 仿真模型的建立

本文是基于某一增壓中冷4缸柴油機進行研究的，該柴油機的主要技術參數如表1所示。

在GT-POWER中建立的模型包括進氣系統、排氣系統、氣缸、曲軸箱、噴油器、中冷器、增壓器等。并根據試驗結果對模型進行校準，保證仿真模型的正確性和仿真結果的可靠性。圖1為在GT-POWER中建立的排氣系統模型圖。

表1 柴油機主要技術參數

圖1 增壓柴油機排氣系統模型圖

3 排氣管結構參數對柴油機性能的影響

對于增壓柴油機，從有效利用廢氣脈沖能量考慮，采用管徑較小、管長較短的排氣管，以減少排氣管容積。但是排氣管的管徑太小，會造成流動阻力增加，壓力波動太大，從而影響渦輪的效率；管徑太大則會增大排氣管的總容積，影響發動機的瞬態工作性能。

3.1 排氣管直徑對柴油機性能的影響

對于脈沖排氣系統而言，當排氣管長度一定時，減小排氣管容積，有利于增強排氣壓力波。排氣管截面積過大，可能產生排氣渦流，造成壓力能量的損失；排氣管截面積過小，將引起管道內氣流速度過高，從而引起嚴重的流動損失。因此，排氣管截面積的選取應兼顧這2種情況進行優化，選取適當的尺寸[3]。排氣管直徑主要包括排氣支管直徑和排氣總管直徑，下面將對這2個參數進行研究。

圖2給出的是標定工況下排氣支管直徑的變化對增壓柴油機燃油消耗率的影響。從圖中可以看到，管徑從30 mm增加到80 mm，燃油消耗率先急劇減小，當管徑大于50 mm后，降低得非常平緩。功率的變化規律與油耗相類似，因為在仿真過程中，循環噴油量保持不變，功率越大，燃油消耗率就越低。

當排氣支管直徑在30~50 mm范圍內時，對柴油機性能的影響比較大。為了更進一步研究排氣支管直徑對廢氣能量利用的影響，分析了不同管徑下排氣管內壓力波的變化情況。圖3給出了第1缸排氣支管內的壓力波在排氣階段的變化曲線。當管徑為30 mm時，在排氣過程中排氣管的壓力波幅是最大的，此時可利用的廢氣能量增大。但是，由于管徑過小，使得排氣管內氣流速度過高，流動時的摩擦損失增加，對廢氣能量利用反而不利。因此，排氣支管直徑為30mm時，功率最低，燃油消耗率最高；而管徑為40mm和50 mm時的壓力波動差別較小，盡管排氣管內壓力波幅下降，廢氣能量損失增加，但是泵氣功降低了，柴油機的性能反而提高了。

運用同樣的方法來研究排氣總管對柴油機性能的影響。從圖4可以看出，隨著排氣總管直徑的增加，柴油機的燃油消耗率先急劇下降，增大到60 mm后，油耗降低變得緩慢，幅度非常小，這與排氣支管直徑的影響規律相似，但排氣支管直徑對油耗的影響幅度較之更大。

圖2 排氣支管直徑對燃油耗率的影響

圖3 第1缸排氣支管壓力波

圖4 排氣總管直徑對燃油耗率的影響

從表2可以看出，當管徑為40 mm時，此時的泵氣平均有效壓力是最大的，為-1.60.5 kPa，所以導致功率最低，燃油消耗率最高。而管徑為50 mm和60mm時的泵氣損失有所降低，因此柴油機的性能反而提高了。

表2 排氣總管直徑對泵氣平均有效壓力

3.2 排氣管長度對柴油機性能的影響

當排氣管流通截面固定不變時，排氣管長度增大，則排氣管的容積增大，結果使得排氣管廢氣壓力建立得較慢，廢氣通過排氣門喉口的節流損失增大，而排氣管內波幅下降，廢氣能量損失增加。同時，還必須考慮排氣管長度對壓力波反射相位的影響。當排氣管長度不同時，反射波到達排氣門處的時間不同，壓力波的波形也不同，因此對廢氣能量的利用和對掃氣的影響也不同。

由圖5可知，在排氣支管管長相同時，功率隨著排氣總管長度的增加而降低，與此相應的燃油消耗率則隨之上升。當排氣總管長度為800mm時，功率比排氣總管為100 mm時下降了將近3 kW，燃油消耗率也升高了3.5g/(kW·h)。而當排氣總管管長相同時，隨著排氣支管長度的增加，功率呈下降趨勢，燃油消耗率也隨之上升。并從圖中可以看出，不管是排氣支管還是排氣總管，泵氣損失都是隨著管長的增加而增加，是柴油機性能隨著排氣管長度增加而惡化的原因之一。當排氣管較長時，排氣管的容積較大，廢氣的節流損失及流動損失都較大。除此之外，排氣管長度的變化對氣缸掃氣也有影響。當排氣管較長時，從渦輪反射回來的壓縮波在掃氣期間到達排氣門處，因而妨礙掃氣；當排氣管很短時，反射的壓縮波回來很早，反射波與前進波重合，增大了廢氣能量，且不影響掃氣，所以柴油機性能有所提高。

圖5 排氣管長度對柴油機泵氣損失的影響

3.3 排氣管截面變化對柴油機性能的影響

排氣能量在排氣系統中傳遞效率最高，不一定是柴油機的熱效率最高，因為其中還涉及到合適的泵氣功。對于通常的排氣支管、不帶縮口的排氣管結構，從排氣管直徑來說，往往與缸頭排氣出口相同，有時稍擴大以降低氣缸泵氣功；有時稍縮小，以改進柴油機的加速瞬態特性[4]。

下面將對不同截面形式的排氣支管進行研究，保持排氣支管入口直徑不變(d=40 mm)，改變其出口直徑，圖6為標定工況下排氣支管形式對柴油機性能的影響。從圖6可以看出，隨著排氣支管出口直徑的增大，即由漸縮管過渡到等截面管，再變成擴張管的過程中，柴油機的功率不斷升高，燃油消耗率也逐步降低。說明該增壓柴油機在標定工況下采用擴張排氣支管更有利于提高功率，降低油耗。這主要是由于排氣支管出口直徑的增大，使得泵氣平均有效壓力減小，從而提高了柴油機的性能。

但是，當排氣支管出口直徑增大到45 mm之后，柴油機功率略有下降，燃油消耗率也有所上升。由此可知，排氣支管的擴張度并不是越大越好，它存在一個限止值，超過這個值后，將使柴油機性能變差。

圖6 排氣支管截面變化對標定工況性能的影響

4 排氣系統主要結構參數的優化設計

目前發動機工作過程及性能模擬程序常采用的是數學優化方法，它具有較高的精度，很強的實用價值。本文主要是利用GT-POWER自帶的優化工具（即采用罰函數的優化算法），以排氣系統主要結構參數為優化變量、柴油機有效功率為目標函數，建立多變量、單目標有約束的最優化數學模型。

下面將研究排氣管結構參數的優化，包括了排氣支管直徑（包括入口與出口直徑）、排氣支管長度、排氣總管直徑、排氣總管長度，優化目標為有效功率最大。選取的計算工況分別為標定工況和最大扭矩工況。

4.1 標定工況的聯合尋優

圖7為標定工況下排氣支管進出口直徑、長度以及排氣總管直徑、長度的五變量聯合尋優結果。經過731次迭代計算，優化目標收斂。優化后該增壓柴油機排氣總管管長為131 mm；排氣支管管長為144 mm；排氣總管直徑為70mm；排氣支管為擴張管，入口直徑為61.2 mm，出口直徑為65 mm，這也驗證了在標定工況下采用略擴的排氣支管可提高柴油機的性能。優化后柴油機的有效功率為202 kW，而此時的缸內爆發壓力和最高燃燒溫度也均滿足約束條件。

圖7 標定工況排氣管結構參數的多變量聯合尋優

4.2 最大扭矩工況的聯合尋優

圖8為最大扭矩工況下排氣支管進、出口直徑和長度，以及排氣總管直徑和長度的五變量聯合尋優結果。經過731次迭代計算，優化目標收斂。優化后該增壓柴油機的排氣總管管長為100mm；排氣支管管長為155 mm；排氣總管直徑為57.5 mm；排氣支管為漸縮管，入口直徑為52.5 mm，出口直徑為45 mm，這說明略帶縮口的排氣支管有利于提高柴油機低速時的性能，因為管徑的減小增大了排氣管內氣體的流速，廢氣能量得到了提高。

圖8 最大扭矩工況排氣管結構參數多變量聯合尋優

4.3 優化前后參數對比分析

表3列出了標定工況和最大扭矩工況下優化前后的參數對比，從圖中可以看到經過優化后，該增壓柴油機的標定功率和最大扭矩均有所提高，燃油消耗率也得到了降低。優化后的2個工況下的排氣管路結構參數存在著差異，在實際設計排氣管時可以對這2個工況進行折中考慮。

5 結論

（1）運用仿真軟件建立增壓中冷柴油機工作過程的一維計算模型，在此基礎上進行仿真優化研究，可大大縮短產品開發周期，節約資源。

（2）對于該脈沖排氣系統，在排氣系統的結構參數中，排氣支管的直徑對柴油機性能的影響最大。支管直徑從30mm增加到50mm，功率可提高10%。

（3）增壓柴油機在高速工況采用擴張形式排氣支管，可提高柴油機的功率，降低燃油消耗率。但排氣支管的擴張度并不是越大越好，它存在一個限止值，超過這個值后，柴油機性能將變差。

（4）對排氣系統結構參數進行多變量聯合優化計算，可實現各參數的最佳組合，提高柴油機的性能，標定功率提高了2.3%，最大扭矩提高了1.13%。不同工況的優化結果存在差異，設計排氣管時需對其進行折中選取。

表3 優化前后排氣管結構參數及性能對比

1朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業出版社，1992.

2劉穎.柴油機原理[M].武漢：華中理工大學出版社，1984.

3徐元利，馬維忍，吳鋒等.4102ZQ增壓柴油機性能模擬計算[J].車用發動機，2005(6).

4顧宏中.渦輪增壓柴油機性能研究[M].上海：上海交通大學出版社，1998.

Optim ization of Structural Param eters of Exhaust System
for Turbocharged Diesel Engine

Liu Yang1,LiGuoxiu1,Xing Weidong2,Hu Lifeng2
(1.School of Mechanical and Electronic Control Engineering,Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China;
2.Key Laboratory of Defence-related Science and Technology of High Supercharge Diesel)

The calculation model of turbocharged diesel engine is established by GTPOWER and the effect of structural parameters of exhaust system(including diameter,length and section change of exhaust manifold,)on turbocharged diesel engine performance w as investigated.On the basic of optim ization theory,in order to attain higher pow er,the structural parameters of exhaust system are optim ized at different operating conditions.The calculation results can provide theoretic guidance for optimal designs of exhaust systems.

turbocharged dieselengine,exhaustmanifold,structuralparameter,optim ization

來稿日期：2009-02-23

劉楊（1984－），女，碩士研究生，主要研究方向為柴油機進排氣系統的優化匹配。