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        車用柴油機進氣道優(yōu)化設(shè)計及性能研究

        2019-05-28 01:31:16馬勇王振喻昆張軍瑞杜柏超
        汽車技術(shù) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:進氣道油耗渦流

        馬勇 王振 喻昆 張軍瑞 杜柏超

        (1.安徽江淮汽車集團股份有限公司,合肥 230601;2.天津內(nèi)燃機研究所,天津 300072)

        主題詞:柴油機 進氣道 渦流比 燃燒效率

        1 前言

        日益嚴苛的排放法規(guī)及燃油經(jīng)濟性法規(guī)推動著內(nèi)燃機向更清潔、更高效的方向發(fā)展。我國乘用車第Ⅳ階段油耗法規(guī)要求,到2020年平均油耗需降至5.0 L/100 km[1]。柴油機作為目前最高效的內(nèi)燃動力機械之一,是實現(xiàn)法規(guī)要求的有效技術(shù)措施。

        進氣道作為柴油機燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵要素,對動力輸出、燃油經(jīng)濟性以及排放水平有著顯著影響[2-3],國內(nèi)外對其開展了大量的研究工作,主要采用穩(wěn)流試驗和數(shù)值模擬技術(shù)[3-5]對柴油機進氣道性能進行評價,包括渦流強度和流量系數(shù)兩個維度。隨著燃油噴射系統(tǒng)的升級,對進氣道的設(shè)計提出了新的要求,因此如何平衡渦流比與流量系數(shù)間的關(guān)系并依據(jù)發(fā)動機性能要求選擇合理的進氣道性能參數(shù),是新型柴油機進氣道設(shè)計過程中關(guān)鍵點和難點。

        針對某2.0 L增壓柴油機開發(fā)過程中出現(xiàn)的部分工況油耗偏高、煙度值偏大的問題,建立了氣道穩(wěn)態(tài)仿真模型,對其性能及氣流組織狀態(tài)進行了分析,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了優(yōu)化方案并對方案進行了驗證,實現(xiàn)了對發(fā)動機性能和油耗的同步優(yōu)化。

        2 進氣道試驗和評價方法

        2.1 進氣道試驗

        采用如圖1所示的渦流動量計氣道穩(wěn)流試驗臺對發(fā)動機進氣道性能進行測試。試驗時,進氣渦流通過蜂窩渦流動量計捕集,通過微扭矩傳感器檢測渦流動量,并轉(zhuǎn)換成渦流強度。

        2.2 進氣道試驗評價方法

        目前,進氣道性能試驗主流評價方法有AVL、Ricardo、FEV和SWRI等,本文采用AVL評價方法進行評價。AVL評價方法利用無因次流通系數(shù)μσ來評價進氣道的流動損失,用無因次參數(shù)渦流比nd/n來評價渦流的強弱。

        圖1 渦流動量計氣道試驗臺示意

        流通系數(shù)μσ計算式為:

        式中,mv為通過進氣道的實際空氣質(zhì)量流量;mt為在Δp壓差下理論上無損失地流過進氣道自由控制截面的空氣質(zhì)量流量;μ為流量系數(shù);σ為阻隔系數(shù)。

        渦流比nd/n計算式為:

        式中,nd為葉片風速儀轉(zhuǎn)速;n為假想的內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速,是通過試驗缸套內(nèi)的平均軸向流速作為活塞平均速度cm而推算出來的;Vs為活塞排量。

        為評價內(nèi)燃機在整個進氣過程中進氣道的平均阻力與缸內(nèi)平均渦流強度,定義了平均流通系數(shù)(μσ)m和平均渦流比。假定進氣過程在上止點至下止點之間進行,則

        式中,α為以弧度計的曲軸轉(zhuǎn)角;c(α)/cm為活塞速度與活塞平均速度之比。

        3 進氣道結(jié)構(gòu)分析

        柴油機進氣道結(jié)構(gòu)通常有切向進氣道和螺旋進氣道,如圖2所示。切向進氣道結(jié)構(gòu)較為簡單,氣體經(jīng)過氣道切向沖向缸壁形成進氣渦流,這種進氣道一般能形成較高的流量系數(shù);螺旋進氣道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,有一定的螺旋角度形成的螺旋通道,氣體在進氣道內(nèi)就能形成螺旋氣流,進入氣缸內(nèi)就能形成進氣渦流,這種氣道通常能形成較高的渦流比,但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致進氣阻力加大,從而影響流量系數(shù)提升。

        現(xiàn)代柴油機為追求更高的充量系數(shù),往往采用雙進氣道組合結(jié)構(gòu)形式,如圖3所示。圖3是兩個切向進氣道組合在一起的結(jié)構(gòu)形式,但這種組合氣道在大氣門升程區(qū)間與缸筒形成的兩股氣流有沖撞的趨勢,所以不是最佳的組合氣道方案。為此對進氣道結(jié)構(gòu)形式進行了優(yōu)化,優(yōu)化后的進氣道為螺旋進氣道加切向進氣道的組合形式,如圖4所示。螺旋進氣道組織氣體形成渦流,切向進氣道能夠形成渦流與大的流量系數(shù),并且渦流方向和螺旋進氣道一致,所以能產(chǎn)生高的渦流比,同時能提供足夠的流量系數(shù)。

        圖2 切向進氣道和螺旋進氣道結(jié)構(gòu)示意

        圖3 雙切向進氣道結(jié)構(gòu)形式

        圖4 優(yōu)化后氣道結(jié)構(gòu)形式

        4 CFD分析

        圖5、圖6為進氣道流量系數(shù)和渦流比的CFD計算值和試驗值對比,由圖可看出,CFD計算值與試驗值接近。CFD計算值雖然不能準確反映試驗值,但可以反映氣體運動的趨勢。

        圖5 每氣門升程流量系數(shù)計算值和試驗值對比

        采用CFD軟件對兩種進氣道結(jié)構(gòu)進行流場分析,結(jié)果如圖7所示。由圖7a可看出,優(yōu)化前的進氣道均為切向進氣道,造成在大氣門升程時,在缸孔中部區(qū)域兩股氣流相撞,難以形成穩(wěn)定的渦流;小氣門升程較高的渦流比完全依靠氣門倒角引導(dǎo)與較小的流量系數(shù)獲得,進而造成較低的流量系數(shù)。由圖7b可看出,進氣道優(yōu)化后,從切向進氣道進入的氣流在缸內(nèi)形成繞壁的大渦,從螺旋進氣道進入的氣流在局部形成小渦,二者旋向一致,形成穩(wěn)定的渦流并獲得較高流量系數(shù)。

        圖6 每氣門升程渦流比計算值和試驗值對比

        圖7 優(yōu)化前、后進氣道CFD分析結(jié)果

        5 進氣道穩(wěn)流試驗

        在渦流動量計氣道穩(wěn)流試驗臺上對優(yōu)化前、后缸蓋進氣道進行性能測試。試驗采用AVL的標準凸輪型線,利用AVL評價方法進行分析,試驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可看出,優(yōu)化前、后的氣道試驗結(jié)果與CFD分析結(jié)果趨勢一致,說明CFD流場分析與實際相符。優(yōu)化后的進氣道平均流量系數(shù)提升了26.4%,平均渦流比相對優(yōu)化前提升了14.2%,說明優(yōu)化后的進氣道在提升流量系數(shù)的同時能改善渦流比,使進氣道的性能達到最佳,從而使發(fā)動機油氣混合氣能更好地形成,且能保證充分的進氣量,有利于缸內(nèi)燃燒及降低油耗。

        6 發(fā)動機性能試驗

        試驗用發(fā)動機為一款增壓柴油機,發(fā)動機主要性能參數(shù)如表1所列。

        6.1 燃燒放熱率對比

        分別將進氣道優(yōu)化前、后的缸蓋裝在發(fā)動機上,選擇特殊工況點(2 400 r/min、110 N·m)并在相同的燃燒參數(shù)下對燃燒放熱率進行對比,觀察優(yōu)化后的進氣道對燃燒是否有優(yōu)化作用,試驗結(jié)果如圖9所示。由圖9可看出,進氣道優(yōu)化后,發(fā)動機燃燒峰值放熱率相對優(yōu)化前在上止點后15°CA左右明顯增加,提高了約15%。這主要是因為優(yōu)化進氣道后缸內(nèi)渦流強度增加,油氣混合氣更加均勻,提高了發(fā)動機燃燒效率,從而提升了燃燒放熱率,改善了發(fā)動機的經(jīng)濟性及污染物排放。

        圖8 進氣道優(yōu)化前、后穩(wěn)流試驗結(jié)果對比

        表1 試驗用發(fā)動機性能參數(shù)

        圖9 進氣道優(yōu)化前、后燃燒放熱率對比

        6.2 經(jīng)濟性和污染物排放對比

        選擇NEDC循環(huán)下的5個排放工況點進行油耗對比,工況點1~工況點5分別為:2 900 r/min、140 N·m;2 600 r/min、184 N·m;2 200 r/min、143 N·m;1 526 r/min、32 N·m;1 300 r/min、11 N·m,試驗結(jié)果如圖10所示。由圖10可看出,進氣道優(yōu)化后,發(fā)動機的油耗明顯改善,相對于原進氣道,比油耗降低了約5%。進氣道性能的提升導(dǎo)致燃油效率的提升,放熱率提高,燃油消耗率降低,同時污染物排放也有效降低。

        圖10 5個排放工況點下進氣道優(yōu)化前、后燃油消耗率對比

        圖11為在2 400 r/min、110 N·m工況點下,通過調(diào)整EGR率控制NOx排放,不同NOx排放下的油耗和soot排放對比。由圖11可以看出,進氣道優(yōu)化后,油耗始終比優(yōu)化前低,soot排放也始終處于較低位置,這表明進氣道優(yōu)化后燃燒效率得到提升,即使在不同EGR率的情況下,油耗和soot排放也能得到明顯改善。

        圖12為不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下進氣道優(yōu)化前、后的進氣量對比,由圖12可以看出,進氣道優(yōu)化后,在中高轉(zhuǎn)速下進氣量明顯提升,提高了約3%~5%,表明優(yōu)化后的進氣道流量系數(shù)提升對發(fā)動機充量系數(shù)有明顯改善,從而提升發(fā)動機的進氣量。

        圖11 不同NOx排放下的燃油消耗率和soot排放對比

        圖12 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下進氣道優(yōu)化前、后進氣量對比

        圖13為不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下進氣道優(yōu)化前、后的排放溫度對比,由圖13可以看出,優(yōu)化后的進氣道排放溫度明顯降低,降低了約3%,這表明進氣道優(yōu)化后有利于提升燃燒效率,燃燒效果較佳,放熱率較高,因而排氣溫度有所降低。

        圖13 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下進氣道優(yōu)化前、后排放溫度對比

        7 結(jié)束語

        本文基于降低油耗和提升發(fā)動機性能的目的,對一款2.0 L排量柴油機進氣道進行優(yōu)化,并通過CFD模擬分析、發(fā)動機臺架性能測試得到以下結(jié)論:

        a.優(yōu)化后的進氣道平均渦流比提升了14.2%,平均流量系數(shù)提升了26.4%,使發(fā)動機缸內(nèi)進氣量提升了約3%~5%。

        b.優(yōu)化后進氣道使發(fā)動機放熱率在部分區(qū)域提高了15%;在5個排放特征點區(qū)域,油耗降低了約5%,soot排放對比有明顯降低;排氣溫度也降低了3%。

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