排氣系統關鍵參數對柴油機性能的影響

劉艷斌， 諸葛偉林， 張樹勇, 喻　武

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072; 2. 汽車安全與節能國家重點實驗室, 北京 100084；3. 中國北方發動機研究所, 天津 300400)

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排氣系統關鍵參數對柴油機性能的影響

劉艷斌1， 諸葛偉林2， 張樹勇3, 喻武1

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072; 2. 汽車安全與節能國家重點實驗室, 北京 100084；3. 中國北方發動機研究所, 天津 300400)

摘要：排氣系統設計是影響高增壓柴油機全工況性能的重要因素，排氣系統關鍵設計參數對整機性能影響規律是系統優化設計的關鍵。通過建立柴油機整機通流仿真模型，分析了全工況下柴油機排氣相位、關鍵設計參數對柴油機性能的影響規律。結果表明：排氣相位通過工質能量的分配影響進氣及有效平均壓力，整機性能隨排氣相位變化呈現先增大后減小的趨勢；排氣總管直徑、排氣歧管直徑、排氣歧管長度及渦前管路長度影響柴油機充氣效率、排氣能量傳遞效率及排氣波動性，進而影響整機最大扭矩及功率。

關鍵詞：柴油機； 排氣系統； 充氣效率； 能量傳遞效率； 排氣波動

為實現節能減排，柴油機需大幅提高功率密度和廢氣再循環率(Exhaust Gas Recirculation，EGR)，這要求柴油機必然采用高增壓技術，壓比甚至達到5以上[1]。高增壓將帶來排氣系統控制與系統設計、系統部件內部流動過程耦合作用增強，從而影響柴油機總能利用效率。劉毅等[2]通過試驗分析了不同排氣系統參數對能差函數的影響，并對排氣系統進行了優化設計，但因排氣系統關鍵參數多，采用試驗方法具有周期長、費用高等缺點。黃澤好等[3]分析了某發動機排氣歧管三維流動，根據三維流場對排氣歧管進行了優化設計。該方法改善了排氣歧管流動特性，但是三維流動模擬計算量過大，無法進行以整機性能為目標的排氣系統優化。因此，應考慮以整機性能為目標進行排氣系統優化設計計算研究。筆者通過建立柴油機仿真模型，深入研究了排氣系統控制參數及設計參數對排氣系統部件性能及整機性能的影響規律，以期為排氣系統一體化設計、提高柴油機功率密度及改善排放提供基礎。

1柴油機仿真模型的構建

針對某型12 V高功率密度柴油機，建立了柴油機整機通流仿真模型，其平臺主要由柴油機氣缸工作過程仿真模型、進排氣系統流動仿真模型、增壓器通流模型以及中冷器流動和傳熱仿真模型組成。氣缸工作過程模型采用容積法建立，缸內燃燒模型采用雙韋伯放熱規律模型，缸內傳熱采用Woschni傳熱模型，中冷器用多根細直管來模擬，渦輪增壓器采用零維性能MAP圖[4]。排氣系統流動仿真采用一維非定常流動計算模型[5]，流動控制方程組如下：

連續方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

式中：p為排氣管內氣體的壓力；u為排氣管內氣體的速度；ρ為排氣管內氣體的密度；A為管路截面積；qw為壁面傳熱，排氣管路視為絕熱時qw=0；

(4)

為壁面摩擦力，其中λf為壁面摩擦因數，V為排氣管路體積,D為排氣管路直徑。

通過求解式(1)-(4)，可得到排氣管路內部熱力學參數。計算時，首先將排氣管路離散成一系列小的容積；然后將控制方程應用于每一個基本的控制容積，對每個控制容積采用有限差分的形式導出一組離散的控制方程，使用有限容積法進行求解。

2排氣系統關鍵參數影響分析

2.1排氣相位影響分析

排氣相位直接決定了缸內工質做功能力的分配，其指示熱效率和平均有效壓力隨排氣相位的變化曲線分別如圖1、2所示?？梢钥闯觯弘S著排氣相位的后移，柴油機指示熱效率和平均有效壓力均先增大后減小，在56.5 °CA時達到最大值。這表明：排氣門早開，渦輪能量增加帶來的進氣增大，使柴油機的燃燒質量得到改善，從而使柴油機性能得到改善；排氣門早開過大，柴油機工質能量轉移給渦輪的部分增大，減少了整機對外做功，同時由于渦輪增壓器效率以及循環供油量的限制，過多的排氣能并不會使整機做功能力增加，從而其指示效率和平均有效壓力都隨之減小。

圖1排氣相位對指示熱效率的影響

圖2排氣相位對平均有效壓力的影響

2.2排氣管路關鍵設計參數影響分析

確定了排氣系統主要設計參數[6-8]，基于柴油機仿真模型，研究了標定功率及最大扭矩工況下設計參數對排氣能量傳遞效率、充氣效率以及排氣波動性的影響規律，得到排氣系統關鍵設計參數對整機性能及工況的敏感程度。

2.2.1排氣總管直徑影響分析

排氣總管直徑決定了排氣管路容積,進而影響整個排氣管路能量傳遞效率及排氣閥門處節流損失，并最終影響柴油機整機性能。排氣總管直徑對柴油機性能的影響如圖3-5所示。

由圖3可以看出：排氣總管直徑對能量傳遞效率具有較大影響，排氣總管直徑越大，排氣能量傳遞效率越高，其排氣能量傳遞效率變化率為18.9%；在最大扭矩點能量傳遞效率表現出了同樣的變化趨勢，與額定功率點相比，能量傳遞效率更高，但是變化率較小，為 9.9%。由圖4可以看出：當排氣總管直徑為54 mm時，柴油機的充氣效率最高。由圖5

可以看出：排氣總管直徑對輸出扭矩影響較小，當排氣總管直徑為54 mm時，柴油機的輸出扭矩有小幅提升；排氣總管直徑對柴油機額定功率點性能的影響較大，在排氣總管直徑變化范圍內扭矩變化率為2.3%，而在最大扭矩點僅為0.9%。

圖3排氣總管直徑對柴油機能量傳遞效率的影響

圖4排氣總管直徑對柴油機充氣效率的影響

圖5排氣總管直徑對柴油機輸出扭矩的影響

2.2.2排氣歧管直徑影響分析

排氣歧管直徑對柴油機性能的影響如圖6-8所示。由圖 6可以看出：排氣歧管直徑對能量傳遞效率具有較大影響，隨著排氣歧管直徑增大，能量傳遞效率增大，歧管直徑從35 mm開始能量傳遞效率變化趨勢變緩；在最大扭矩點能量傳遞效率表現出了同樣的變化趨勢，與額定功率點相比，傳遞效率更高。由圖7可以看出：排氣歧管直徑對柴油機充氣效率在額定功率點時具有較大影響，當排氣歧管直徑為19 mm時，柴油機的充氣效率最低，然后隨排氣歧管直徑增大而逐漸上升，歧管直徑從28 mm開始充氣效率基本維持不變。由圖8可以看出：排氣歧管直徑對柴油機輸出扭矩具有較大影響，當排氣歧管直徑為19 mm時，柴油機的輸出扭矩最低，然后隨排氣歧管直徑增大而逐漸上升，最后趨于不變；排氣歧管對柴油機最大扭矩點及額定功率點影響均較大，額定功率點扭矩變化率最大為39.4%，最大扭矩點扭矩變化率最大為23.7%。

圖6排氣歧管直徑對柴油機能量傳遞效率的影響

圖7排氣歧管直徑對柴油機充氣效率的影響

圖8排氣歧管直徑對柴油機輸出扭矩的影響

2.2.3對排氣波動性影響分析

圖9排氣總管直徑對排氣波動性的影響

圖10排氣歧管直徑對排氣波動性的影響

圖11渦前管路長度對排氣波動性的影響

圖12排氣歧管長度對排氣波動性的影響

往復式柴油機工作特性決定了排氣系統中氣體具有波動性，排氣波動性一方面影響排氣能量傳遞效率，另一方面導致渦輪進氣的非定常，渦輪內部流場產生劇烈的響應，這將導致渦輪瞬時性能與對應定常性能發生較大偏差，并最終影響柴油機性能[9]。排氣波動性幅度與排氣總管、排氣歧管直徑、排氣歧管長度及渦前管路長度密切相關。圖9-12顯示了柴油機最大扭矩工況下排氣總管直徑、排氣歧管直徑、渦前管路長度及排氣歧管長度對排氣波動幅值的影響。

排氣波動性與排氣系統容積相關，由于排氣總管容積占排氣系統容積比例最大，因此排氣總管直徑對排氣波動幅值影響最大。由圖9可以看出：隨著排氣總管直徑增大，排氣波動幅值由62.7%降為21.7%，這是因為排氣總管直徑的增大使排氣系統容積增大，柴油機排氣進入排氣總管后發生較大膨脹，排氣壓力降低，排氣波動幅值急劇下降；隨著排氣總管直徑進一步增大，排氣在排氣管內膨脹充分，因此排氣波動幅值趨于穩定。由于排氣歧管容積占排氣系統容積比例較小，因此相較于排氣總管，其對排氣波動性影響相對有限，如圖10所示，可以看出:在歧管直徑30 mm附近，排氣波動最大為17.2%；隨著排氣歧管直徑增大，排氣波動性減小，其最大變化率為3.8%。由于渦前管路長度及排氣歧管長度對排氣系統容積影響較小，因此排氣波動性變化不大，如圖11、12所示。但是渦前管路長度影響排氣系統壓力波傳遞相位，從而影響排氣背壓及柴油機泵氣損失，因此在排氣系統優化設計中應綜合考慮其對柴油機性能的影響。

參考文獻：

[1]Wik C, Hallback B. Utilization of 2-stage Turbo Charging as an Emission Reduction Mean on a Wartsila 4-stroke Medium-speed Diesel Engine[C]∥Proceedings of the CIMAC Congress. 2007:21-24.

[2]劉毅, 黃佑生. 12V150車用柴油機排氣系統研究[J]. 燃燒科學與技術, 1999, 5(3): 304-307.

[3]黃澤好, 張浩亮, 孫章棟, 等. 某發動機排氣歧管流場分析與結構優化[J]. 西南大學學報(自然科學版), 2011, 33(1): 153-157.

[4]謝磊. 內燃機兩級增壓渦輪通流匹配設計研究[D]. 北京: 清華大學, 2011.

[5]劉崢, 張揚軍. 內燃機一維非定常流動[M]. 北京: 清華大學出版社, 2007.

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[7]Ugur K. Study on the Design of Inlet and Exhaust System of a Stationary Internal Combustion Engine[J]. Engery Conversion and Management, 2005, 46(13): 2258-2287.

[8]Kanazaki M, Obayashi S, Nakahashi K. The Design Optimization of Intake/Exhaust Performance of a Car Engine Using MOGA[J]. Evolutionary Methods for Design, Optimization and Control, 2001, 36(2): 423-428.

[9]陳理. 內燃機排氣渦輪非定常流動機理及控制研究[D]. 北京:清華大學, 2011.

(責任編輯: 尚菲菲)

Influence of Diesel Engine Performance on Key Parameters of Exhaust System

LIU Yan-bin1, ZHUGE Wei-lin2, ZHANG Shu-yong3, YU Wu1

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. State Key laboratory of Automotive Safety and Energy, Beijing 100084, China; 3. China North Engine Research Institute, Tianjin 300400, China)

Key words:diesel engine; exhaust system; intake efficiency; energy transmission efficiency; exhaust pulse

Abstract：Design of exhaust system is a key factor to influence the full working condition performance of turbocharged diesel engine, and law of influence on key design parameters of exhaust system is the key point for system optimization. The influence law of diesel engine on exhaust phase and key design para-meters is analyzed by establishing flow simulation model of diesel engine. Research results prove that exhaust phase affects intake process and mean effective pressure through distribution of working fluid energy, and the engine performance has a trend of a decrease after an increase with the change of exhaust timing. Besides, diameter of exhaust manifold as well as main pipe and length of exhaust manifold as well as pipe ahead of turbine influence intake efficiency, energy transmission efficiency and exhaust pulse, further effecting the maximum torque and power of engine.

文章編號：1672-1497(2016)03-0050-04

收稿日期：2016-02-26

基金項目：國家“973”計劃項目

作者簡介：劉艷斌(1980-)，男，講師，博士。

中圖分類號：TK42

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.011