柴油機改裝為天然氣發動機的進氣管設計

婁宗勇，郭 珍，曼茂立，曹立新

(1.承德石油高等專科學校人事處，河北 承德 067000;2.中國北方發動機研究所，天津 300400;3.承德運輸集團平泉客運有限公司，河北 承德 067000)

1 概述

目前開發的天然氣發動機多是在柴油機基礎上研制的，使用天然氣作為燃料會改善發動機的排放性能，尤其是減少顆粒物的排放。但是柴油機改裝成天然氣發動機后，由于燃料物態及供給形式改變，使得改裝后的天然氣發動機各個進氣歧管的進氣不均勻性大幅增加，從而影響天然氣發動機的動力性能。天然氣發動機進氣管中只有空氣流過，所以在進行進氣管結構設計時，應充分考慮進氣均勻性。進氣系統與發動機良好的動態匹配可使發動機的扭矩特性在較寬的轉速范圍內有較大的提高。

隨著計算機技術的飛速發展和數值模擬技術的不斷完善，發動機進氣系統的設計與優化逐漸從傳統的依靠試驗確定，發展到利用各種現代設計方法和先進軟件進行模擬計算和分析，從而實現了方便快捷而準確的設計。因此本文首先應用Solidworks軟件設計天然氣發動機進氣管的三維模型，并將該三維模型導入Fire軟件中進行仿真計算，以分析各個進氣歧管中的空氣質量流量。最終根據上述分析結果對天然氣發動機的進氣管進行改進設計，以提高天然氣發動機的動力性。

2 開發設計過程

2.1 進氣管設計要求

進氣管是發動機進氣系統重要的組成部分。進氣管設計的優劣會直接影響發動機各缸進氣的均勻性。車用天然氣發動機進氣管除了滿足進出口尺寸的配合要求外，還應滿足以下要求:1)能夠與進氣道進行準確的連接;2)各缸進氣盡可能的均勻;3)進氣管的各個轉角處盡可能圓滑過渡以降低進氣阻力。

本文所設計的車用天然氣發動機是以柴油機為原型機改裝而成的。由于改裝后進氣道入口尺寸的改變，使得進氣管的出口尺寸也進行了相應的修改。根據進氣管出口尺寸、進氣管進氣接口尺寸、發動機缸數及氣缸蓋相應尺寸對進氣管進行了設計。圖1為利用Solidworks軟件設計的進氣管腔。

2.2 進氣不均勻性分析

將圖1所示的天然氣發動機進氣管腔三維圖導入Fire軟件進行網格劃分及歧管標號如圖2所示:

分別設置如下邊界條件進行空氣質量流量的計算:

1)天然氣發動機轉速為2 200 r/min時，邊界值設置為:進氣總管進口總壓為203 525 Pa、進氣歧管出口靜壓為202 418 Pa。計算結果如表1所示。由表1可以計算出各缸不均勻度最大為10.3%，歧管4出口流量最低。

表1 不同歧管的空氣質量流量(n=2 200 r/m in)

2)天然氣發動機轉速為1 250 r/min時，邊界值設置為:進氣總管進口總壓為215 322 Pa、進氣歧管出口靜壓為213 557 Pa，計算結果如表2所示。由表2可以計算出各缸不均勻度最大為11.08%，歧管4出口流量最低。

通過對上述兩個天然氣發動機轉速下不同歧管的空氣質量流量的模擬計算，發現第四個進氣歧管出口流量是最低的，而且隨著轉速降低各缸進氣不均勻度程度增加。

為進一步觀察發動機轉速為2 200 r/min時，各進氣歧管內的氣體流動及氣體狀態，本文針對所設計的進氣管，通過只打開一個歧管，其余歧管關閉的方式，對進氣歧管內氣體流動進行仿真計算。其三維切片如圖3～圖8所示。

表2 不同歧管的空氣質量流量(n=1 250 r/m in)

1)歧管1開，其余歧管關閉

2)歧管2開，其余歧管關閉

3)歧管3開，其余歧管關閉

4)歧管4開，其余歧管關閉

5)歧管5開，其余歧管關閉

6)歧管6開，其余歧管關閉

根據上述各進氣歧管三維切片的速度與壓力圖，可以看出:進氣歧管3、4內空氣流動回旋較多，流動不暢;而進氣歧管1、6內空氣流動較順暢。這主要是因為進氣歧管1、6遠離進氣總管，干擾流動的因素較少。另外，在各個進氣歧管與總管的連接弧度相同的情況下，進氣歧管1、6內的空氣流量最大，而進氣歧管3、4內的空氣流量最小。

2.2 進氣管改進設計

根據上述仿真計算結果，采取以下措施針對天然氣發動機進氣管進行改進設計:加大進歧管3、4與進氣總管的連接弧度半徑，由原來的10 mm變改為20 mm，以降低進氣歧管3、4的流動阻力;同時歧管2、5連接弧度半徑由原來的10 mm改為14 mm;歧管1、6連接弧度半徑不變。改進后的進氣管三維模型如圖9所示:

將改進后的天然氣發動機進氣管三維模型導入Fire軟件進行空氣質量流量計算。天然氣發動機轉速為2 200 r/min，邊界條件為:進氣總管進口總壓為203 525 Pa、進氣歧管出口靜壓為202 418 Pa。計算結果如表3所示。

表3 進氣管的不同進氣歧管的質量流量

通過與表1對比分析可以看出，改進后的進氣管各缸不均勻度最大僅為1.48%，為最初設計進氣管不均勻度的14.4%，大大改善了該天然氣發動機的動力性。

3 結論

通過Solidworks軟件設計進氣管的結構，并利用Fire軟件計算各進氣歧管的空氣質量流量，以指導天然氣發動機進氣管的改進設計。改進后的天然氣發動機進氣管有效的降低了各缸進氣不均勻度，達到了設計要求。

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