夏美艷

幾款發(fā)動機排氣道對比分析

夏美艷

（泛亞汽車技術(shù)中心，上海 201201）

文章用虛擬分析的方法對幾款發(fā)動機的排氣道進行了CFD分析，分別計算了排氣道的流量系數(shù)和各缸流量系數(shù)積分平均值的不均勻性。這幾款發(fā)動機排量和設(shè)計理念各有不同，希望能通過文章整理一些排氣道設(shè)計的規(guī)律，以供今后排氣道設(shè)計參考。

排氣道；流量系數(shù)；數(shù)值分析

引言

排氣道是發(fā)動機排氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，要及時將廢氣排出氣缸，同時要滿足各缸均勻性的要求，以降低不同氣缸排氣不均引起的發(fā)動機振動噪聲，使發(fā)動機有更好的動力性和舒適性。排氣道的設(shè)計要點是盡量減小發(fā)動機排氣過程中的阻力，保證排氣流量系數(shù)能夠達到設(shè)計要求。設(shè)計不合理會導致排氣過程中缸內(nèi)壓力下降緩慢，排氣不順暢，排氣沖程消耗的活塞推出功更多，因此排氣道的結(jié)構(gòu)設(shè)計是發(fā)動機開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。[1]

由于氣道結(jié)構(gòu)的復雜性，當前氣道設(shè)計多采用UG過程中的自由曲面造型。結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響沒有顯著的線性或者非線性規(guī)律，改變某一個參數(shù)對結(jié)果的影響并不一定符合預期，并且參數(shù)之間的相互影響也沒有定量的規(guī)律可循。本文對6款排氣道建立分析模型，通過數(shù)值分析得到排氣道中氣體流動情況，這6款發(fā)動機的設(shè)計目標和要求都各不相同，希望能從分析結(jié)果中觀察一些設(shè)計參數(shù)對排氣性能的影響，進而總結(jié)一些規(guī)律。

根據(jù)發(fā)動機配置不同，分為集成式排氣道和非集成式排氣道，非集成式排氣道擁有獨立的排氣道和排氣歧管，各缸排氣道的結(jié)構(gòu)基本上是完全一致的，而集成式的排氣道和排氣歧管段沒有明顯的區(qū)別，將排氣歧管繼承者缸蓋中，各缸排氣道結(jié)構(gòu)不一致（多數(shù)對稱，也有完全不對稱結(jié)構(gòu)的），如圖1所示。本文分析的6款排氣道包含了上述幾種結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)值計算方法

通常氣道流動性能的評估師采用定壓差的穩(wěn)流試驗來完成的。而針對氣道內(nèi)氣體流動的三維流場的分析，通常采用數(shù)值仿真的方法實現(xiàn)。國內(nèi)外相關(guān)文獻也已經(jīng)研究表明模擬分析與試驗結(jié)果具有較好的一致性，數(shù)值模擬的結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參考依據(jù)。[2]CFD方法是在流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬，得到極其復雜問題的流場內(nèi)各個位置的基本控制量的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況。[3]

圖1 排氣道CAD數(shù)模

流動的基本控制方程包括質(zhì)量守恒方程，動量守恒方程和能量守恒方程。氣道內(nèi)部流速不高，氣道內(nèi)的氣體視為理想氣體，氣體的流動是三維、定常、可壓縮、粘性、湍流運動。根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒定律建立氣道內(nèi)部流體的流動控制方程，采用k-z-f湍流模型模擬流動區(qū)域內(nèi)的湍流，近壁面采用Hybrid Wall Treatment壁面方程處理，建立連續(xù)方程、動量方程、能量方程、湍流動能方程和湍流耗散方程，采用有限容積法對數(shù)學模型進行離散，用中心差分格式求解。

1.1 排氣道流通特性評價指標

排氣道的評價標準之一是流量系數(shù)，判斷發(fā)動機排氣是否順暢以及對換氣損失的影響。流量系數(shù)的評價方法很多，本文采用AVL方法。

流量系數(shù)是一個無量綱的評價指標，為實際質(zhì)量流量和理論質(zhì)量流量的比值，反映了不同氣門升程位置時氣流經(jīng)過氣道的流通能力。

理論質(zhì)量流量是在假設(shè)沒有流動損失的情況下，依據(jù)進出口壓差和氣門座圈面積上的流速和壓力降算出來的。這樣計算出的流量系數(shù)與標準的氣道試驗臺的處理結(jié)果是可以直接對比的。[4]

理論質(zhì)量流量的定義為：

式中，ρ為氣缸內(nèi)氣體密度，ρm為平均密度。

排氣道的另一個評價指標是各氣道平均流量系數(shù)的不均勻性（獨立排氣道除外），用流量系數(shù)的積分平均值來衡量。排氣道通常采用對稱結(jié)構(gòu)，各缸流量系數(shù)不同，流量系數(shù)不均勻性會影響排氣系統(tǒng)的性能。排氣道中的氣體運動噪聲的噪聲源是發(fā)動機的次要噪聲源，氣體運動引起排氣道中的壓力波動，傳播到排氣口最后作為噪聲輻射出去，降低不均勻性不僅能提高發(fā)動機性能，也能在源頭減少流動噪聲的產(chǎn)生，以減小發(fā)動機的噪聲水平，提高舒適性，因此不均勻性也是一個重要的評價指標。

AVL平均流量系數(shù)：

式中，c（α）為曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的活塞瞬時速度，cm為平均活塞速度。

AVL定義平均流量系數(shù)時，假定發(fā)動機排氣過程的范圍是從下止點開始到上止點結(jié)束的180度曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，并在此段區(qū)間進行積分平均所得。

不均勻性系數(shù)=平均流量系數(shù)差/平均流量系數(shù)的均值。

1.2 計算模型及網(wǎng)格

氣道數(shù)模在UG中進行造型設(shè)計，之后導入到前處理軟件Hypermesh中進行模型清理和表面網(wǎng)格劃分。在排氣道出口增加一個長方體空腔，模擬的是氣道試驗臺的穩(wěn)壓箱；氣缸長度拉伸至2.5倍缸徑長度，與氣道試驗臺的設(shè)置基本相同，基本可以保證入口面沒有回流，對數(shù)值計算的收斂性也有好處。修補好的面網(wǎng)格導入Fire中進行處理。計算網(wǎng)格由Fire自動網(wǎng)格生成器Fame Port+生成。為保證計算精度，對需要保持結(jié)構(gòu)特征的重點部位進行加密。計算域包括穩(wěn)壓腔、氣道、燃燒室和氣門，網(wǎng)格總數(shù)在150～200萬左右，主要由六面體網(wǎng)格單元組成。生成的計算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 排氣道計算模型

1.3 邊界條件設(shè)置

為了便于跟臺架試驗數(shù)據(jù)比對，CFD計算邊界設(shè)置與試驗臺架設(shè)置一致，排氣道總出口是唯一的出口面，其他各缸的出口設(shè)置為壁面邊界，入口面加總壓，出口面加靜壓，壓差在氣門升程位置較大時設(shè)置為2000Pa，在氣門壓力較小時設(shè)置為6500Pa，流體物性設(shè)為常量。

1.4 發(fā)動機基本參數(shù)

圖3為排氣道的俯視及側(cè)視圖，近年來，排氣道已集成式排氣道為主，除了布置形式不同，氣道長度、氣道與缸蓋平面的夾角，各個排氣道之間的分離位置等也有明顯差異。Port3的結(jié)構(gòu)比較特殊，雖然不是集成式排氣道，但是各缸排氣道結(jié)構(gòu)是左右對稱而非Port5那樣完全一致的，先將中間兩缸的排氣道集成在一起，再集成到排氣歧管中。排氣道主要是為了順利將廢氣及時排除，一般流量系數(shù)越大則排氣能力越大，有時候會因為布置空間的原因會出現(xiàn)一些拐角，導致氣體流動損失加大，排氣能力降低。后文將根據(jù)結(jié)果詳細討論。

表1 幾款發(fā)動機的基本參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

2.1 排氣道計算結(jié)果分析

表2為各排氣道流量系數(shù)和流量系數(shù)積分平均值的不均勻性，排氣系數(shù)與流通截面積強相關(guān)，排氣道在設(shè)計過程中會考慮到一致性的問題，通常會在設(shè)計過程中考慮到流通截面積對流量系數(shù)的影響，盡量保證各缸關(guān)鍵位置的流通截面積盡量一致，但是氣體在實際流動過程中，會受到壁面引導，即便流通面積一樣的氣道，由于實際結(jié)構(gòu)差異導致的氣體流動損失還是不一樣的，表現(xiàn)在分析結(jié)果中就是各缸流量系數(shù)積分平均值存在差異。Port1和Port6的不均勻性比較好，Port2由于采用三缸結(jié)構(gòu)都不一致的布局，因此，不均勻性比較差。Port3的流動不均勻性也比較大，還可以優(yōu)化排氣道結(jié)構(gòu)，改善不均勻性。

表2 排氣道流量系數(shù)積分平均值的不均勻性

圖5是幾款排氣道流量系數(shù)曲線對比，每一個排氣道的流量系數(shù)曲線用同樣顏色不同線形來區(qū)分。影響流量系數(shù)的因素之一是氣道最小流通面積。實際流通面積在氣門開度較小的時候，排氣流通能力受限于氣門座圈周圍的流通面積，氣門開度增加，流通面積增加，流量系數(shù)增大；氣門開度達到一定程度后，實際流通面積不再受限于氣門座圈周圍的流通面積，超過排氣道最小流通截面積之后，氣門開度增加也不能增加流通面積，實際排氣量也無法增加，流量系數(shù)的增加會趨于平穩(wěn)。一般是Hv/Dv大于0.24的之后，流量系數(shù)就不再隨著開度增加而顯著增加了，但是氣門開度的增加仍然對氣體的流通是有益的。

氣門開度較小的時候，影響排氣能力的主要是流通面積及排氣的通過能力，此時同一個發(fā)動機不同氣道之間的排氣能力也是很接近的，當氣門開度逐漸增大，由于氣道結(jié)構(gòu)不同導致出現(xiàn)不同程度的流動分析，壁面結(jié)構(gòu)對氣體的引導作用對流量系數(shù)的影響加大，各缸流動不均勻性逐漸顯現(xiàn)出來，表現(xiàn)在曲線上就是氣門開度小的時候，流量系數(shù)曲線接近重合，開度增加則流量系數(shù)曲線開始分離。

圖4 排氣道流量系數(shù)曲線

氣道的表面形狀對氣流的引導作用也不容忽視。下圖是不同發(fā)動機，相同Hv/Dv值情況下，氣道內(nèi)氣流流動情況，可以看到壁面的引導作用是很明顯的，配合合理的氣道曲面設(shè)計，可以改善氣體流動情況。

氣門開度較小時，同一個發(fā)動機各缸排氣道之間的速度分布比較相似，隨著氣門開度增加，區(qū)別會變得明顯。

切面圖可以看到，對集成式排氣道而言，各缸排氣道的分離位置對氣體的流動損失影響是比較大的，改變各缸排氣道分離處的結(jié)構(gòu)（形狀和到排氣出口的距離）對改變流動均勻性都是有影響的。一般兩側(cè)的排氣道由于布置和結(jié)構(gòu)影響，氣道彎曲程度要大于中間氣缸，中間氣道的排氣流動更順暢。實際工程開發(fā)過程中，這也是排氣道設(shè)計過程中需要重點關(guān)注的結(jié)構(gòu)。

圖5 氣體流動示意圖

3 結(jié)語

本文給出了6款不同發(fā)動機排氣道的數(shù)值分析結(jié)果，通過以上分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）排氣道的流量系數(shù)與流通截面積成正比，當氣門升程較小時，氣門開度越大，流量系數(shù)越大，開度增加到一定程度，流量系數(shù)的增加趨于平緩，可以利用這一點，調(diào)整排氣道的結(jié)構(gòu)，使氣門開度較大時，組織更好的氣體流通能力，提高排氣效率

（2）排氣道的流動不均勻性是由于排氣道結(jié)構(gòu)不一致引起的，各缸排氣道分離處的結(jié)構(gòu)是需要在設(shè)計過程中重點關(guān)注的，也是優(yōu)化設(shè)計時優(yōu)先考慮調(diào)整的地方，經(jīng)驗表明，調(diào)整分離位置的結(jié)構(gòu)對改善流動不均勻性有立竿見影的效果。

隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的排氣道采用集成式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，增壓技術(shù)的發(fā)展也使排氣歧管和排氣道集成在一起在結(jié)構(gòu)上更有競爭力，因此近年來，排氣道的設(shè)計重點，除了關(guān)注排氣流量系數(shù)的增加，在排氣道流動不均勻性的改善方面也引起越來越多人的關(guān)注。CFD分析可以直觀地看到氣體在氣道內(nèi)的流動情況，對于引起流動損失的結(jié)構(gòu)和位置能夠顯示得一清二楚，相對于臺架試驗的不透明性和單缸機試驗的高昂成本，具有絕對的優(yōu)勢，已經(jīng)成為排氣道設(shè)計的必要輔助手段，相信隨著CAE技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，未來將繼續(xù)在排氣道設(shè)計中發(fā)揮作用。

[1] 郭盛場,朱鈺,陳丹,等.柴油機排氣系統(tǒng)流通性能數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機工程,2016-09-1.

[2] 殷振中.基于CFD的非道路用汽油機的進氣道優(yōu)化研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學,2019-05-01.

[3] 宋文慧.湍流擴散效應(yīng)對建筑風驅(qū)雨影響特性研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2019-05-01.

[4] 侯元靜.增壓柴油機雙進氣道流動特性的三維數(shù)值模擬研究[D].北京:北京交通大學,2011-06-01.

Comparative Analysis of Exhaust Ports of Several Engines

Xia Meiyan

( Pan Asia Automotive Technology Center, Shanghai 201201 )

In this paper, used CFD analysis on the exhaust ports of several engines, respectively calculated the flow coefficient of the exhaust ports and the ununiformity of the integral average value of the flow coefficient of each cylinder. The structure and design concept of these engines are different. Hope can find out some rules of exhaust ports in this paper, which can be used as a reference for the design engineers.

Exhaust ports; Flow coefficient; CFD analysis

A

1671-7988(2020)24-88-04

U464

A

1671-7988(2020)24-88-04

夏美艷，女，碩士，現(xiàn)任泛亞汽車技術(shù)中心驅(qū)動系統(tǒng)部CAE工程師，多年從事CFD分析工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.030

CLC NO.: U464