楊帥， 管志云， 薛良君， 魏亞男， 周毅

(1. 同濟大學(xué)新能源汽車工程中心， 上海 201804； 2. 同濟大學(xué)汽車學(xué)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(tài)流動均勻性三維數(shù)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(xué)新能源汽車工程中心， 上海 201804； 2. 同濟大學(xué)汽車學(xué)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(xué)方法對柴油機進氣管瞬態(tài)流動過程進行了三維數(shù)值模擬，討論了在進氣重疊期內(nèi)，不同工況下進氣管內(nèi)部流場的變化情況。分析了柴油機進氣增壓壓力、轉(zhuǎn)速以及進氣重疊時間對各進氣歧管出口空氣質(zhì)量流量、進氣分配質(zhì)量、進氣最大不均勻度的動態(tài)影響。計算結(jié)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(zhuǎn)速工作時的進氣最大不均勻度要高于高轉(zhuǎn)速最大不均勻度。通過提高進氣增壓壓力、合理優(yōu)化進氣管幾何結(jié)構(gòu)，可以減小柴油機在進氣過程中出現(xiàn)的進氣分配不均勻現(xiàn)象。

增壓柴油機； 瞬態(tài)流動； 流動均勻性； 進氣重疊； 數(shù)值模擬

發(fā)動機進氣管系中的氣體流動情況十分復(fù)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(shù)，例如壓力、流速、溫度和密度，其變化不僅是時間的函數(shù)，而且還因位置的不同而異。眾多文獻表明，發(fā)動機進氣系統(tǒng)對發(fā)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?qū)⒅苯佑绊懜鞲卓諝馀c燃油的混合，從而影響燃燒過程，使各缸的燃燒過程產(chǎn)生差異。目前，將進氣管內(nèi)流動視為一維非定常流動是研究進氣管內(nèi)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(jié)構(gòu)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(fā)動機性能的影響[4-8]。CFD計算是當(dāng)前分析節(jié)氣門流動的主要手段，但是絕大多數(shù)方法只停留在穩(wěn)態(tài)計算，CFD動態(tài)計算要求較高，瞬態(tài)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(nèi)部氣體流動的瞬態(tài)過程進行三維數(shù)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(shù)與各進氣歧管進氣分配量之間的動態(tài)關(guān)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(dāng)延長，根據(jù)柴油機進氣管實際參數(shù)建立的三維網(wǎng)格見圖2，體網(wǎng)格總數(shù)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(nèi)部流動過程進行數(shù)值計算，計算工況見表1。設(shè)定進氣管入口邊界條件為質(zhì)量流量，空氣入口溫度為333K，各歧管出口邊界條件為動態(tài)壓力邊界條件?？諝獬跏济芏纫罁?jù)增壓壓力設(shè)定，初始黏度依據(jù)溫度設(shè)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(zhì)按照不可壓縮流設(shè)定。

圖1 柴油機進氣管實物

圖2 柴油機進氣管計算網(wǎng)格

工況轉(zhuǎn)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(xù)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(yīng)氣缸的進氣總質(zhì)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(zhì)量流量函數(shù)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(nèi)的進氣總質(zhì)量，將式(3)代入式(2)可得到離散形式的各歧管進氣總質(zhì)量(見式(4))。得出各缸的進氣總質(zhì)量Q后，根據(jù)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(yīng)氣缸的進氣總質(zhì)量；q(t)為各進氣歧管進氣質(zhì)量流量；n為計算迭代次數(shù)；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(zhì)量；Qmin為氣從歧管出口流出的最小質(zhì)量；Qave為空氣從各歧管出口流出的平均質(zhì)量。

2 進氣管內(nèi)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(tài)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(xiàn)與其他兩個歧管進氣重疊的現(xiàn)象。從圖5a、圖5b中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，柴油機進氣流速的瞬態(tài)變化與增壓壓力有直接聯(lián)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(huán)過程中，各進氣歧管內(nèi)的流場瞬態(tài)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(zhuǎn)角時刻的云圖，可以發(fā)現(xiàn)，與轉(zhuǎn)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(huán)內(nèi)各進氣歧管出口質(zhì)量流量q(t)進行了計算分析，圖6示出經(jīng)過濾波處理后，柴油機處于工況1時q(t)變化曲線。根據(jù)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(fā)生在各缸的進氣重疊期內(nèi)。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(huán)周期各進氣歧管進氣流量、進氣總質(zhì)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(huán)周期各進氣歧管進氣流量、進氣總質(zhì)量對比，如圖8和圖9所示。從以上各圖中可以發(fā)現(xiàn)，在進氣重疊期內(nèi)，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(zhuǎn)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(dāng)柴油機轉(zhuǎn)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(zhì)量也隨之下降，但在進氣重疊期內(nèi)，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(tài)變化云圖

圖6 柴油機處于工況1時每工作循環(huán)內(nèi)各進氣歧管出口質(zhì)量流量q(t)變化曲線

圖7 工況1時每工作循環(huán)周期各進氣歧管進氣特征

圖8 工況2時每工作循環(huán)周期各進氣歧管進氣特征

圖9 工況3時每工作循環(huán)周期各進氣歧管進氣特征

2.2 轉(zhuǎn)速對柴油機各進氣歧管進氣均勻性的影響

當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)，柴油機在低轉(zhuǎn)速運行時，各進氣歧管之間的相互影響比高轉(zhuǎn)速時要嚴重，從而導(dǎo)致了柴油機各歧管進氣總質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(xiàn)象始終出現(xiàn)在各氣缸之間的進氣重疊期內(nèi)，進氣持續(xù)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(yīng)。計算結(jié)果表明，如果提高進氣增壓壓力，進氣總管進氣質(zhì)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(zhuǎn)速區(qū)工作時，改善效果更為明顯。

3 試驗驗證

利用內(nèi)燃機氣道試驗臺(型號TUST102)對本次分析的柴油機進氣系統(tǒng)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(jié)果進行對比。柴油機氣門最大升程9.72mm，試驗環(huán)境當(dāng)?shù)貧鈮?01.09kPa，在氣門達到最大升程高度時測試發(fā)動機各缸的進氣流量。各缸測試的進氣體積流量結(jié)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(jié)果與工況3下的計算結(jié)果相近。

圖11 柴油機各缸進氣流量對比

4 結(jié)論

a) 進氣重疊效應(yīng)對柴油機進氣均勻性有著根本影響，進氣不均勻分配現(xiàn)象發(fā)生在進氣重疊期內(nèi)，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(yōu)化進氣管幾何結(jié)構(gòu)，可以減小由于進氣重疊因素帶來的進氣分配不均勻現(xiàn)象，有利于提高各進氣歧管的進氣均勻性；

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

[1] 張超，姚煒，王宏大，等.CFD技術(shù)在汽油機進氣歧管優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].內(nèi)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(jié)構(gòu)對進氣不均勻性影響的仿真研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2009，38(2)：37-40.

[3] 張強，李娜.沼氣發(fā)動機進氣均勻性數(shù)值分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(shù)值分析[J].華中理工大學(xué)學(xué)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(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39(11)：1-5.

[6] 邱卓丹，沈捷，馮冠東. 進氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機充氣效率的影響[J].廣西工學(xué)院學(xué)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(guī)律的試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2008，29(6)：37-40.

[8] 羅馬吉，陳國華，蔣炎坤，等. 進氣管內(nèi)三維穩(wěn)態(tài)流動特性的數(shù)值分析[J].小型內(nèi)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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助交叉學(xué)科項目；同濟大學(xué)課程建設(shè)實驗教改資助項目；同濟大學(xué)教學(xué)改革資助項目；同濟大學(xué)精品實驗資助項目。

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

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.016

TK423.45

B

1001-2222(2017)01-0088-05