柴油機進氣管瞬態流動均勻性三維數值模擬

楊帥， 管志云， 薛良君， 魏亞男， 周毅

(1. 同濟大學新能源汽車工程中心， 上海 201804； 2. 同濟大學汽車學院， 上海 201804；3. 中車戚墅堰機車有限公司， 江蘇 常州 213011)

柴油機進氣管瞬態流動均勻性三維數值模擬

楊帥1,2， 管志云1,2， 薛良君3， 魏亞男1,2， 周毅1,2

(1. 同濟大學新能源汽車工程中心， 上海 201804； 2. 同濟大學汽車學院， 上海 201804；3. 中車戚墅堰機車有限公司， 江蘇 常州 213011)

運用計算流體力學方法對柴油機進氣管瞬態流動過程進行了三維數值模擬，討論了在進氣重疊期內，不同工況下進氣管內部流場的變化情況。分析了柴油機進氣增壓壓力、轉速以及進氣重疊時間對各進氣歧管出口空氣質量流量、進氣分配質量、進氣最大不均勻度的動態影響。計算結果表明：柴油機進氣增壓壓力越低，進氣最大不均勻度越大；進氣重疊角越大，進氣最大不均勻度也越大；柴油機低轉速工作時的進氣最大不均勻度要高于高轉速最大不均勻度。通過提高進氣增壓壓力、合理優化進氣管幾何結構，可以減小柴油機在進氣過程中出現的進氣分配不均勻現象。

增壓柴油機； 瞬態流動； 流動均勻性； 進氣重疊； 數值模擬

發動機進氣管系中的氣體流動情況十分復雜，一般視為可壓縮、非等熵、非定常流動。由于壓力波傳播的影響，氣體主要參數，例如壓力、流速、溫度和密度，其變化不僅是時間的函數，而且還因位置的不同而異。眾多文獻表明，發動機進氣系統對發動機性能、EGR廢氣均勻分配等有著重要影響[1-5]。進氣不均勻將直接影響各缸空氣與燃油的混合，從而影響燃燒過程，使各缸的燃燒過程產生差異。目前，將進氣管內流動視為一維非定常流動是研究進氣管內流動的主要方法，但對于尺寸較短的進氣歧管，一維非定常模型不再適用。另外，一維模型不能考慮某些管道結構特征，如管道截面形狀、總管與歧管接頭的傾角及位置等因素對發動機性能的影響[4-8]。CFD計算是當前分析節氣門流動的主要手段，但是絕大多數方法只停留在穩態計算，CFD動態計算要求較高，瞬態計算的研究方法較少見到。本研究以某490恒壓式增壓柴油機進氣管為研究對象，按照進氣管的實際幾何形狀，對進氣管內部氣體流動的瞬態過程進行三維數值模擬，分析不同工況下柴油機增壓壓力、進氣重疊角等參數與各進氣歧管進氣分配量之間的動態關系。

1 計算方法與邊界條件

本研究的柴油機進氣管實物見圖1。為了減少回流干擾，進氣歧管出口端長度在計算中被適當延長，根據柴油機進氣管實際參數建立的三維網格見圖2，體網格總數為290 934。計算過程中選用κ-ε湍流模型，采用SIMPLE算法，對不同工況下柴油機進氣管內部流動過程進行數值計算，計算工況見表1。設定進氣管入口邊界條件為質量流量，空氣入口溫度為333K，各歧管出口邊界條件為動態壓力邊界條件。空氣初始密度依據增壓壓力設定，初始黏度依據溫度設定，空氣密度和黏度在計算過程中不隨壓力和溫度變化而變化，空氣介質按照不可壓縮流設定。

圖1 柴油機進氣管實物

圖2 柴油機進氣管計算網格

工況轉速/r·min-1進氣增壓壓力pt(表壓)/Pa120001012002200071800310000

柴油機進氣順序為C1—C3—C4—C2(C表示進氣歧管)，柴油機有效進氣持續期為232°，即各進氣歧管之間的進氣重疊角θ為26°(按式(1)計算)，進氣形式示意見圖3。本次計算的流程見圖4。

(1)

圖3 柴油機進氣形式示意

圖4 計算流程

從柴油機各進氣歧管進入到相應氣缸的進氣總質量Q由式(2)計算得到，計算過程中采用的單步計算時間間隔由式(3)計算得到，并且分別對各進氣歧管出口的空氣質量流量函數q(t)進行計算，利用積分方法即可以得到各缸在進氣時間內的進氣總質量，將式(3)代入式(2)可得到離散形式的各歧管進氣總質量(見式(4))。得出各缸的進氣總質量Q后，根據文獻[6-8]，采用式(5)計算柴油機進氣最大不均勻度E。

(2)

(3)

(4)

E=(Qmax-Qmin)/Qave。

(5)

式中：Q為空氣從各進氣歧管出口進入相應氣缸的進氣總質量；q(t)為各進氣歧管進氣質量流量；n為計算迭代次數；Δt為計算時間間隔尺度；Qmax為空氣從歧管出口流出的最大質量；Qmin為氣從歧管出口流出的最小質量；Qave為空氣從各歧管出口流出的平均質量。

2 進氣管內部流動過程的計算分析

2.1 增壓壓力對柴油機各進氣歧管進氣均勻性的影響

在進氣管計算分析過程中，主要針對各進氣歧管進氣均勻性進行研究分析。圖5示出柴油機在進氣重疊時刻進氣管縱向截面的流場瞬態變化云圖，進氣順序為C1—C3—C4—C2—C1。對于每個進氣歧管的進氣過程，在進氣初始階段或進氣末期，都會出現與其他兩個歧管進氣重疊的現象。從圖5a、圖5b中可以看出，在相同轉速下，柴油機進氣流速的瞬態變化與增壓壓力有直接聯系，增壓壓力越大，氣流速度、湍流強度也越大。此外，在柴油機同一個進氣循環過程中，各進氣歧管內的流場瞬態變化也有差別，這種差別最終影響了各缸的進氣均勻性。為了便于對比，圖5c示出了柴油機在工況3與工況1，2處于相同曲軸轉角時刻的云圖，可以發現，與轉速和增壓壓力相對較高的工況1,2相比較，柴油機在工況3的氣體流速相對減小。

對柴油機處于不同工況時每工作循環內各進氣歧管出口質量流量q(t)進行了計算分析，圖6示出經過濾波處理后，柴油機處于工況1時q(t)變化曲線。根據式(3)可以得到各歧管出口的有效流動時間Tin為0.019 3 s，由圖中可以看出，在氣體流出的初期和末期，各歧管的q(t)變化不同，而這種情況恰恰是發生在各缸的進氣重疊期內。為了便于對比分析，利用Matlab軟件分別將圖6中的曲線進行平移、濾波、積分，得到了工況1每工作循環周期各進氣歧管進氣流量、進氣總質量對比，如圖7所示。按照上述方法，分別得到了工況2，3每工作循環周期各進氣歧管進氣流量、進氣總質量對比，如圖8和圖9所示。從以上各圖中可以發現，在進氣重疊期內，柴油機各進氣歧管的進氣情況是相互影響的，并且隨著柴油機轉速和進氣管增壓壓力的不同，各進氣歧管之間進氣流量的相互影響程度也不同。當柴油機轉速恒定，進氣增壓壓力降低時，各進氣歧管的進氣流量隨之降低，進氣總質量也隨之下降，但在進氣重疊期內，各進氣歧管進氣過程對流量的相互影響程度也隨之增強。

圖5 柴油機各缸進氣重疊時刻進氣流動瞬態變化云圖

圖6 柴油機處于工況1時每工作循環內各進氣歧管出口質量流量q(t)變化曲線

圖7 工況1時每工作循環周期各進氣歧管進氣特征

圖8 工況2時每工作循環周期各進氣歧管進氣特征

圖9 工況3時每工作循環周期各進氣歧管進氣特征

2.2 轉速對柴油機各進氣歧管進氣均勻性的影響

當柴油機轉速降低時，進氣重疊時間隨之增加，各進氣歧管進氣之間的相互影響時間也隨之增加。通過圖7a與圖8a的對比可以發現，柴油機在低轉速運行時，各進氣歧管之間的相互影響比高轉速時要嚴重，從而導致了柴油機各歧管進氣總質量差別更加明顯，進氣最大不均勻度相對增加。由此可見，柴油機在低轉速、進氣壓力同時相對偏低的條件下運行時，各進氣歧管的進氣均勻性較差，進氣不均勻度比高轉速時要大很多。圖10示出柴油機進氣最大不均勻度對比曲線，由圖可見，當柴油機進氣壓力降低時，進氣最大不均勻度隨之大幅上升。計算發現，當柴油機從工況2過渡到工況3后，進氣最大不均勻度從2.58%變化為5.73%。

圖10 不同工況下柴油機進氣最大不均勻度對比

柴油機進氣不均勻現象始終出現在各氣缸之間的進氣重疊期內，進氣持續期的增加會帶來更大的進氣效率，但進氣重疊的時間也相對增加，會加劇進氣不均勻效應。計算結果表明，如果提高進氣增壓壓力，進氣總管進氣質量流量、流速隨之增加，柴油機進氣不均勻程度相對減少，即較大的柴油機增壓比可以促進柴油機各缸的進氣均勻性，在柴油機處于低轉速區工作時，改善效果更為明顯。

3 試驗驗證

利用內燃機氣道試驗臺(型號TUST102)對本次分析的柴油機進氣系統進行了試驗驗證，將進氣管與柴油機氣道連接，與工況3的計算結果進行對比。柴油機氣門最大升程9.72mm，試驗環境當地氣壓101.09kPa，在氣門達到最大升程高度時測試發動機各缸的進氣流量。各缸測試的進氣體積流量結果見圖11，按照式(5)計算得到了此時的進氣最大不均勻度E為5.4%，試驗結果與工況3下的計算結果相近。

圖11 柴油機各缸進氣流量對比

4 結論

a) 進氣重疊效應對柴油機進氣均勻性有著根本影響，進氣不均勻分配現象發生在進氣重疊期內，進氣重疊角越大，各進氣歧管進氣不均勻程度越大；

b) 提高柴油機進氣增壓壓力，優化進氣管幾何結構，可以減小由于進氣重疊因素帶來的進氣分配不均勻現象，有利于提高各進氣歧管的進氣均勻性；

c) 柴油機在低轉速工作時，進氣不均勻度比高轉速時要大，進氣不均勻現象明顯。

[1] 張超，姚煒，王宏大，等.CFD技術在汽油機進氣歧管優化設計中的應用[J].內燃機與動力裝置，2014,31(3)：33-36.

[2] 崔怡，高瑩，李君，等. 進氣歧管結構對進氣不均勻性影響的仿真研究[J].小型內燃機與摩托車，2009，38(2)：37-40.

[3] 張強，李娜.沼氣發動機進氣均勻性數值分析[J].農業工程學報，2010，26(8)：145-149.

[4] 羅馬吉，陳國華，蔣炎坤，等. 多缸柴油機進氣管三維定常湍流流場數值分析[J].華中理工大學學報，2000，28(10)：46-48.

[5] 楊帥，周毅，鄒任玲，等.EGR對柴油機工作過程影響的一維模擬[J].農業機械學報，2008，39(11)：1-5.

[6] 邱卓丹，沈捷，馮冠東. 進氣管結構參數對柴油機充氣效率的影響[J].廣西工學院學報，2000，11(2)：41-44.

[7] 杜巍，劉福水，李志杰. 增壓柴油機進氣壓力波動規律的試驗研究[J].內燃機工程，2008，29(6)：37-40.

[8] 羅馬吉，陳國華，蔣炎坤，等. 進氣管內三維穩態流動特性的數值分析[J].小型內燃機與摩托車，2001，30(2)：1-4.

[編輯： 潘麗麗]

3D Numerical Simulation of Transient Flow Uniformity in Diesel Engine Intake Manifold

YANG Shuai1,2， GUAN Zhiyun1,2， XUE Liangjun3， WEI Yanan1,2， ZHOU Yi1，2

(1. New Energy Automotive Engineering Center， Tongji University， Shanghai 201804， China；2. School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804， China；3. Qishuyan Locomotive Co.， Ltd.， Changzhou 213011, China)

Three dimensional numerical simulation of transient flow for the intake manifold of diesel engine was carried out by using the computational fluid dynamics method and the change of internal flow field inside intake manifold under different working conditions was discussed during the period of intake overlapping. The influences of intake pressure, rotation speed and intake air overlapping time on outlet mass flow, intake air distributed mass and intake air greatest non-uniformity of each manifold were analyzed. The results show that the lower intake air pressure will lead to the higher intake air greatest non-uniformity. The larger intake air overlapping angle corresponds to the higher intake air greatest non-uniformity. Besides, the intake air greatest non-uniformity at low speed is higher than that of high speed. By means of increasing intake air pressure and optimizing intake manifold structure, the air distribution of intake manifold can be more uniform.

turbocharged diesel engine； transient flow； flow uniformity； intake air overlapping； numerical simulation

2016-06-28；

2017-01-18

中央高校基本科研業務費專項資金資助交叉學科項目；同濟大學課程建設實驗教改資助項目；同濟大學教學改革資助項目；同濟大學精品實驗資助項目。

楊帥(1980—)，男，博士，研究方向為發動機控制與減排技術；mermaid04@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.016

TK423.45

B

1001-2222(2017)01-0088-05