進氣總管各缸均勻性對非道路用柴油機性能的影響研究

賈鵬飛，農柳霞

（廣東汽車檢測中心有限公司排放及發動機部，廣東 佛山 528000）

發動機進氣系統是發動機的重要組成部分，進氣系統性能的好壞嚴重影響發動機和整車性能[1]。而進氣總管是發動機進氣系統最重要的部件之一，主要作用是通過節氣門將氣體均勻分配到發動機各個氣缸。對于多缸發動機，隨著進排氣門的開閉，進氣管內的氣體流動狀況非常復雜，容易在管內造成劇烈的壓力波動，從而對各缸進氣均勻性造成大的影響。各缸進氣的均勻性將直接影響到各缸空氣與燃油的混合程度，從而影響燃燒過程的組織，使各缸的燃燒過程產生差異[2]。因此，對進氣管進氣均勻性的分析非常重要，通過優化進氣總管結構，減小各缸進氣不均勻性，有利于改善發動機的性能。

進氣系統中的氣體運動是十分復雜的三維非定常流動，采用數值分析對進氣系統進行模擬仿真不但可以提供足夠準確的仿真結果，而且更能節省試驗經費，縮短產品開發周期，更重要的是它允許對進氣系統進行可視化研究，找出流動損失的原因，為進氣管的優化設計提供依據[3]。

基于某四缸非道路用柴油機，采用仿真計算和試驗驗證相結合的方法對比不同進氣結構（后端進氣和中間進氣）的進氣總管進氣均勻性的差異。同時，針對整車布置空間限制，對中間進氣結構的進氣總管進行優化驗證，以滿足發動機的性能開發指標要求。

1 計算分析及驗證

在一臺四缸非道路用柴油機上進行不同進氣總管結構的性能差異對比和進氣總管結構參數優化工作。發動機進氣總管包含進氣入口段、穩壓腔和4 個進氣歧管。分別設計進氣口在第四缸后的端面進氣和進氣口在第二、三缸之間的中間進氣兩種結構進行對比驗證。發動機參數見表1。

表1 試驗發動機參數

本次仿真計算的主要目的是對比分析不同進氣結構（后端進氣和中間進氣）的進氣總管的各缸進氣均勻性差異，并結合臺架試驗驗證分析兩種進氣總管對發動機燃油消耗率和排氣煙度的影響，從而給出進氣總管結構的優化方向。

渦流比為進氣終了氣缸中渦流轉速與發動機曲軸轉速之比，代表氣道形成渦流的能力，是用來衡量發動機氣缸內空氣運動的參數之一，因為它影響著空氣和燃油的混合過程和燃燒過程，保證各缸渦流比均勻性，也是保證排放性和經濟性的重要一環[4]。進氣管結構及仿真結果對比如圖1 所示、氣缸蓋氣道參數對比見表2。

圖1 進氣管結構及仿真結果對比圖

表2 進氣均勻性仿真計算結果

（1）中間進氣結構的流量系數略高于后端進氣，但是各缸渦流比明顯低于后端進氣結構。中間進氣結構的渦流比均勻性很差，第1、3 缸的渦流比明顯低于第2、4 缸，不利于發動機的燃燒過程。

（2）后端進氣結構的各缸渦流比均勻性好，基本都在1.8Rs 左右的水平。

針對兩種進氣結構進行臺架驗證，對比兩種進氣管在排氣煙度、油耗方面的差異。臺架驗證結果如圖2 所示。

圖2 排氣煙度和油耗對比

（1）不同噴油正時下的燃油消耗率和排氣煙度對比，發現采用后端進氣結構時發動機的燃油消耗率改善明顯，特別是在中速和低速方面燃油消耗率改善明顯，降低了6%，排氣煙度也得到明顯的降低。

（2）兩種進氣結構的八工況排放結果對比，中間進氣結構的NOx 和PM 結果較差，排放對比結果見表3。

表3 八工況排放結果對比

結合仿真計算結果可知，中間進氣結構的各缸渦流比差異大，進氣均勻性差造成發動機燃油消耗率和排氣煙度差異。在相同的燃燒條件下，各缸進氣量越均勻，柴油機整機性能受單缸的影響就越小。中間進氣結構的進氣均勻性無法滿足開發要求，因此需優化中間進氣結構進氣總管的各缸進氣均勻性。

2 優化設計

從仿真計算結果看出中間進氣方案的第一缸、第三缸渦流比明顯偏低，渦流比均勻性差。原中間結構進氣總管和歧管的銜接方式容易造成氣流紊亂，加高進氣總管，加長歧管與進氣總管銜接的長度，可以改善氣流紊亂。同時加寬、加長進氣總管，增加穩壓腔的體積，可以避免進氣歧管間氣流相互干擾，提高各缸進氣充量系數。

2.1 方案一

由于整車布置空間限制，需采用中間進氣結構的進氣總管，因此在原結構基礎上進行優化改進，以保證進氣渦流比的均勻性。優化方案一模型如圖3 所示，在原有結構的基礎上加寬20 mm，加高5 mm，兩端加長20 mm。對此優化方案進行仿真計算，速度矢量圖如圖4 所示，該部分為主要流動區域，且產生旋渦，對1 缸無改善效果，各缸渦流比的計算結果見表4，通過計算結果可以看出第1、3 缸渦流比相對于第2、4 缸仍偏小，相對于原有方案1、2、4 缸渦流比變化不大，3 缸有所提高，仍然達不到優化目標。

圖3 優化方案一

圖4 速度矢量圖

表4 優化方案一各缸進氣渦流比

2.2 方案二

優化方案二如圖5 所示，在上述方案一基礎上繼續加高15 mm。對此優化方案進行仿真計算，速度矢量圖如圖6 所示，計算結果見表5。

圖5 優化方案二

圖6 速度矢量圖

表5 優化方案二各缸進氣渦流比

繼續加高15 mm 后，第1 缸氣道入口氣流縱向方向的速度分量減弱，更多的是水平方向的速度分量，即氣流方向相對于未加高方向傾斜度更小了，這有助于提高渦流比。從計算結果看到一缸的渦流比從1.5 提升至1.87，提升了24.6%。同時其他缸的渦流比也有所提升，平均渦流比從1.6 提升至1.8 左右。而且方案二的渦流比絕對偏差更小，各缸渦流比一致性更好。因此加高進氣總管的高度不僅對第1 缸有改善，且對提升各缸渦流比，改善各缸進氣均勻性有明顯效果。

對優化后的中間進氣結構與后端進氣結構進行臺架對比驗證，試驗結果對比如圖7。發動機燃油消耗量和排氣煙度基本一致，滿足開發要求。

圖7 中間進氣優化方案二和后端進氣的油耗和煙度對比

3 結語

（1）通過對兩種進氣總管進行仿真計算和臺架驗證對比，說明進氣管的各缸均勻性對柴油機的性能有著重要的影響，根本原因是影響柴油機空氣和燃油的混合程度，均勻性差不只是影響燃油經濟性，對排放結果也有惡化。

（2）結果表明中間進氣結構的各缸進氣渦流比均勻性較差，不利于發動機進氣和燃燒質量。后端進氣結構可以保證各缸渦流比的均勻性，對發動機經濟性和排氣煙度有明顯改善。

（3）考慮整車布置空間限制需采用中間進氣結構，對原有中間進氣結構的進氣總管加寬20 mm，加高20 mm，兩端加長20 mm，可以提升各缸進氣渦流比均勻性，且可以達到與后端進氣方式相當的性能水平，滿足開發要求。