張 韋,解禮兵,陳朝輝,周馬益,陳 永,范吉文,陶 麗
(1. 昆明理工大學(xué),云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)試驗(yàn)室,昆明 650500;2. 昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司,昆明 650501)
在柴油機(jī)進(jìn)氣過程中,進(jìn)氣道的流通能力與渦流形成能力影響著缸內(nèi)過量空氣系數(shù)和油氣混合均勻程度,并最終影響柴油機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[1-5]。螺旋進(jìn)氣道的幾何形狀直接決定其進(jìn)氣性能,對(duì)螺旋進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化有利于組織良好的缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng),改善缸內(nèi)燃燒品質(zhì),實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)節(jié)能減排的目的[6-7]。因此,螺旋進(jìn)氣道的流動(dòng)特性對(duì)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)整體性能的影響至關(guān)重要,是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。
目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣道的流動(dòng)特性和進(jìn)氣道單一結(jié)構(gòu)的優(yōu)化做了部分研究。Wang等[8]設(shè)計(jì)可控渦流進(jìn)氣道,研究了柴油機(jī)不同渦流進(jìn)氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與燃燒特性。Benajes等[9]采用發(fā)動(dòng)機(jī)整體能量平衡分析方法,研究了渦流比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的影響。Tokud 等[10]基于伴隨理論的拓?fù)浞ㄅc表面優(yōu)化法,優(yōu)化柴油機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)。He[11]基于氣道穩(wěn)流試驗(yàn)研究了螺旋氣道過渡角、螺旋坡角等結(jié)構(gòu)參數(shù)與進(jìn)氣道性能的關(guān)系,并對(duì)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。馬雷等[12]基于自建柴油機(jī)標(biāo)定因素的響應(yīng)模型,通過遺傳算法得到循環(huán)工況中重要工況點(diǎn)的最優(yōu)燃燒參數(shù)組合。賴晨光等[13]基于Kriging 模型[14]的混合多目標(biāo)梯度優(yōu)化算法,優(yōu)化了燃燒室關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。以上學(xué)者大多對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行整體、定性研究,缺乏具體量化指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)氣道幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,關(guān)鍵參數(shù)較多,適宜對(duì)氣道總體結(jié)構(gòu)采用解耦思想,針對(duì)氣道重點(diǎn)部位,進(jìn)行分段、定量研究。
本研究采用氣道穩(wěn)流試驗(yàn)、CFD 穩(wěn)態(tài)模擬,結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)與多目標(biāo)優(yōu)化方法,針對(duì)YN 柴油機(jī)單螺旋進(jìn)氣道螺旋段結(jié)構(gòu)的截面比e、螺旋室高度H1、蝸殼內(nèi)半徑R1和蝸殼外半徑R24 個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),利用變量控制法,研究螺旋段單一結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)氣道性能的影響規(guī)律,同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),研究螺旋段關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)缸內(nèi)流量系數(shù)和渦流比的影響。本研究可為高性能螺旋氣道的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供理論指導(dǎo)。
發(fā)動(dòng)機(jī)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)是氣道流動(dòng)性能研究的重要手段。穩(wěn)流試驗(yàn)是測(cè)量不同氣門升程的缸內(nèi)流量系數(shù)和渦流比,為柴油機(jī)進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供依據(jù)。根據(jù)AVL 的氣道穩(wěn)流試驗(yàn)方法搭建了如圖1所示的單螺旋氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)由3D 打印的氣道芯盒、氣門升程控制裝置、可視化氣缸套、葉片風(fēng)速儀、穩(wěn)壓箱、層流流量計(jì)、羅茨風(fēng)機(jī)等部件組成。葉片測(cè)速法是利用葉輪轉(zhuǎn)速通過計(jì)算反映缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度,葉輪葉片的幾何結(jié)構(gòu)、葉片安裝位置(距缸蓋1.75 倍缸徑的位置)都會(huì)影響缸內(nèi)渦流強(qiáng)度的準(zhǔn)確測(cè)量。葉片風(fēng)速儀葉片幾何構(gòu)型及尺寸如圖2 所示。在完成試驗(yàn)臺(tái)的組裝、氣門升程的調(diào)節(jié)和安全檢查后,開啟羅茨風(fēng)機(jī),調(diào)節(jié)穩(wěn)壓箱與大氣壓差,保持壓差穩(wěn)定,再通過電子計(jì)數(shù)器記錄葉片風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)速計(jì)算缸內(nèi)渦流比。氣流流經(jīng)層流流量計(jì),根據(jù)儀表顯示的質(zhì)量流量,計(jì)算進(jìn)氣流量系數(shù)。
評(píng)價(jià)柴油機(jī)進(jìn)氣道氣流流動(dòng)性能的兩個(gè)主要指標(biāo)是流量系數(shù)和渦流比[15],分別評(píng)價(jià)螺旋進(jìn)氣道的氣流流通能力及渦流形成能力。流量系數(shù)表示氣流的流通能力,即不同氣門升程條件下,實(shí)際流入氣缸的進(jìn)氣量與理論流過氣門閥座的空氣流量之比。渦流比是指不同氣門升程條件下,葉片風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之比。
圖1 氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)
圖2 葉輪風(fēng)速儀葉片
AVL氣道穩(wěn)流試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法是通過無量綱數(shù)流量系數(shù)μα,AVL和渦流比SR,AVL來衡量氣道進(jìn)氣性能。流量系數(shù)μα,AVL計(jì)算公式為
式中:mactual為實(shí)際進(jìn)氣質(zhì)量流量,kg/s;mtheo為理論進(jìn)氣質(zhì)量流量,kg/s。
渦流比SR,AVL計(jì)算公式為
假想發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞平均速度Cm與該氣門升程下,模擬氣缸內(nèi)軸向氣流速度ua相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,公式如下:
因此,AVL渦流比SR,AVL也可表示為
式中:S為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞沖程,m;n為發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬轉(zhuǎn)速,為葉輪葉片轉(zhuǎn)速;Ak為活塞頂面積,m2;Vh為發(fā)動(dòng)機(jī)工作容積,m3;ρ為進(jìn)氣密度
利用UG 構(gòu)建包含穩(wěn)壓箱、螺旋進(jìn)氣道、氣門、氣缸的CAD 實(shí)體模型,將CAD 模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后,導(dǎo)入CFD 軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。穩(wěn)態(tài)模型的網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格加密區(qū)域、加密尺寸、模擬邊界條件、求解設(shè)置都會(huì)影響CFD 模擬的計(jì)算準(zhǔn)確性和收斂快速性。計(jì)算過程中,針對(duì)7 mm氣門升程以下的穩(wěn)態(tài)模型采用6~0.75 mm網(wǎng)格尺寸,對(duì)氣門、氣門座部位進(jìn)行固定加密,加密網(wǎng)格尺寸是0.75 mm,總網(wǎng)格數(shù)是66 萬。針對(duì)7 mm 氣門升程以上的穩(wěn)態(tài)模型采用6~1.5 mm 網(wǎng)格尺寸,對(duì)氣門、氣門座部位進(jìn)行固定加密,加密網(wǎng)格尺寸是1.5 mm,總網(wǎng)格數(shù)是26萬。氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程選擇Redlich-Kwong,氣體湍流模型選取RNG k-epsilon[16]。網(wǎng)格模型如圖3 所示,穩(wěn)流CFD計(jì)算的邊界條件見表1。
圖3 穩(wěn)流箱-氣道-氣缸CAD實(shí)體模型與CFD網(wǎng)格模型
對(duì)YN 單螺旋進(jìn)氣道柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行定壓差穩(wěn)流試驗(yàn),壓差設(shè)為2.5 kPa[17]。圖4 為不同氣門升程時(shí)刻,流量系數(shù)和渦流比的CFD 計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比,流量系數(shù)和渦流比隨著氣門升程的增大而增加,CFD 計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值的誤差均保持在5%以內(nèi),隨著氣門升程的增加,誤差逐步減小,穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的一致性較好,說明CFD 模型和邊界條件滿足計(jì)算要求。
表1 氣道CFD穩(wěn)流模擬邊界條件設(shè)置
圖4 流量系數(shù)和渦流比隨氣門升程的變化
螺旋進(jìn)氣道是為了兼顧柴油機(jī)的進(jìn)氣流量、進(jìn)氣渦流而設(shè)計(jì),其具有較為復(fù)雜的幾何外形和獨(dú)特的進(jìn)氣特性,被廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。改變螺旋進(jìn)氣道單一結(jié)構(gòu)參數(shù),可研究螺旋氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣道性能獨(dú)立效應(yīng),探索單一螺旋進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣道進(jìn)氣性能的影響規(guī)律。
配備單螺旋進(jìn)氣道的YN 共軌柴油機(jī)主要參數(shù)見表2。螺旋進(jìn)氣道主要由3個(gè)部分構(gòu)成:螺旋氣道進(jìn)口直流段、螺旋氣道螺旋段、螺旋氣道過渡段。螺旋進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括:最小截面橫向尺寸a、最小截面縱向尺寸b、螺旋室高度H1、凸臺(tái)高度H2、蝸殼內(nèi)半徑R1、蝸殼外半徑R2、螺旋坡角θ、氣道入口中心高度H、氣道入口尺寸(m、n)、直流段長度L等,螺旋進(jìn)氣道部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。
表2 YN柴油機(jī)主要參數(shù)
圖5 螺旋進(jìn)氣道部分結(jié)構(gòu)參數(shù)
本研究選取單螺旋進(jìn)氣道的螺旋段的最小截面比、蝸殼內(nèi)半徑、蝸殼外半徑、螺旋室高度4 個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。同時(shí),針對(duì)上述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)行進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
氣道螺旋段最小截面比e、螺旋段蝸殼內(nèi)半徑R1、螺旋段蝸殼外半徑R2、螺旋室高度H1修改方案見表3。由于在低氣門開度的條件下(氣門開度低于1/2 最大開度),進(jìn)氣流量小、氣流速度慢,開展氣道性能研究的意義不大。因此本文中主要針對(duì)7~12 mm氣門升程條件下的氣道性能進(jìn)行研究。
表3 氣道螺旋段關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)研究方案
2.2.1 最小截面比對(duì)氣道性能的影響
為探討螺旋段最小截面積對(duì)進(jìn)氣性能的影響,采用截面比e這個(gè)無量綱參數(shù)進(jìn)行研究。最小截面比e等于氣道螺旋段最小截面積比氣道的喉口面積。
式中:D為氣道喉口直徑,mm;a、b為氣道最小截面長、寬尺寸,mm。
最小截面積的改變會(huì)造成氣道局部阻力的變化,導(dǎo)致進(jìn)氣流量和流經(jīng)螺旋室的氣流流速的變化。圖6 為最小截面比對(duì)流量系數(shù)及渦流比的影響。最小截面積減小會(huì)引起氣道局部阻力增加,導(dǎo)致進(jìn)氣量減少,但流經(jīng)螺旋段最小截面的氣流流速增加,進(jìn)氣渦流會(huì)有所增加。
圖6 最小截面比對(duì)流量系數(shù)與渦流比的影響
2.2.2 蝸殼內(nèi)半徑對(duì)氣道性能的影響
蝸殼內(nèi)半徑主要影響氣道軸向與旋向氣流分量的變化,其作用原理是在不改變氣道的總進(jìn)氣量的情況下,分配氣道內(nèi)軸向與旋向氣流的量,從而改變進(jìn)氣渦流強(qiáng)度。如圖7 所示,蝸殼內(nèi)半徑的變化對(duì)流量系數(shù)的影響較弱,對(duì)渦流比的影響則較為明顯。
圖7 蝸殼內(nèi)半徑對(duì)流量系數(shù)與渦流比的影響
2.2.3 蝸殼外半徑對(duì)氣道性能的影響
蝸殼外半徑的變化會(huì)引起螺旋室局部容積的變化,還會(huì)影響進(jìn)氣道直流段進(jìn)氣氣流與蝸殼壁面碰撞的強(qiáng)度。圖8 顯示,流量系數(shù)隨蝸殼外半徑的增加而增加,但其增幅較?。粶u流比會(huì)隨蝸殼外半徑的增加而減小,且變化明顯。蝸殼外半徑增大會(huì)造成螺旋段蝸殼有效容積增加,同時(shí)也會(huì)增加高速氣流的觸壁幾率,導(dǎo)致流量系數(shù)小幅增加(最大差值為0.021),渦流比大幅減小(最大差值為0.206)。
圖8 蝸殼外半徑對(duì)流量系數(shù)與渦流比的影響
2.2.4 螺旋室高度對(duì)氣道性能的影響
螺旋室高度主要影響進(jìn)氣道螺旋段的有效容積和氣流在氣道中的滯留時(shí)間。圖9 顯示,螺旋室高度的變化對(duì)流量系數(shù)的影響較弱,但會(huì)引起渦流比的明顯變化,且渦流比會(huì)隨著螺旋室高度的增加而增加。
圖9 螺旋室高度對(duì)流量系數(shù)與渦流的影響
對(duì)氣道螺旋段最小截面比e、螺旋段蝸殼內(nèi)半徑R1、螺旋段蝸殼外半徑R2、螺旋室高度H1這4 個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法,研究上述4個(gè)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣道性能的影響。
目前常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法包括:正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)、回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、配方試驗(yàn)設(shè)計(jì)等。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)各因素完全組合,但工作量較大;均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì),能夠很好地規(guī)避試驗(yàn)次數(shù)多,且能夠?qū)崿F(xiàn)各因素均勻散布組合。由于本次氣道試驗(yàn)的次數(shù)較多,需適當(dāng)減少工作量,同時(shí)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)各因素較為充分的組合,因此本研究采用“類均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)法”,結(jié)合了均勻試驗(yàn)和正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法,含有40組試驗(yàn)的方案如表4所示。
利用UG 軟件,構(gòu)建如上40 個(gè)方案的氣道模型,通過CFD模擬計(jì)算12 mm氣門升程時(shí)的進(jìn)氣流量系數(shù)和渦流比,結(jié)果如表4所示。
將最小截面比、蝸殼內(nèi)半徑、蝸殼外半徑、螺旋室高度分別定義為x1、x2、x3、x4。利用二次回歸模型(詳見式(6)),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到流量系數(shù)、渦流比與4個(gè)氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的近似數(shù)學(xué)模型。
對(duì)流量系數(shù)的數(shù)據(jù)回歸分析,獲得如式(7)的近似數(shù)學(xué)模型,經(jīng)檢驗(yàn),其預(yù)測(cè)值與真實(shí)值誤差在1%以內(nèi),因此該回歸方程可以用于預(yù)測(cè)4 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣流量系數(shù)的影響。
對(duì)渦流比進(jìn)行回歸分析,獲得如式(8)的近似數(shù)學(xué)模型,經(jīng)檢驗(yàn),預(yù)測(cè)值與真實(shí)值誤差在1%以內(nèi),擬合效果較好,因此該回歸方程可以用于預(yù)測(cè)4 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣渦流比的影響。
表4 螺旋段各結(jié)構(gòu)修改試驗(yàn)方案及計(jì)算結(jié)果
根據(jù)YN柴油機(jī)缸蓋CAD模型,可獲取如表5所示,對(duì)螺旋氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的約束條件。應(yīng)用MATLAB 多目標(biāo)優(yōu)化工具,對(duì)上述近似模型進(jìn)行尋優(yōu),利用CFD 數(shù)值模擬驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性,然后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。
表5 螺旋段關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的約束條件
基于近似數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用MATLAB 多目標(biāo)優(yōu)化工具獲得3 個(gè)氣道優(yōu)化模型:模型①是基于流量系數(shù)最優(yōu)的氣道,最小截面比為0.99,蝸殼內(nèi)半徑為10 mm,蝸殼外半徑為35 mm,螺旋室高度為33 mm;模型②是基于渦流比最優(yōu)的氣道,最小截面比為0.99,蝸殼內(nèi)半徑為12.86 mm,蝸殼外半徑為29 mm,螺旋室高度為31.3 mm;模型③是基于流量系數(shù)與原機(jī)持平的渦流比優(yōu)化氣道,最小截面比為0.99,蝸殼內(nèi)半徑為13 mm,蝸殼外半徑為30 mm,螺旋室高度為27.56 mm。原YN 氣道參數(shù):最小截面比是0.9、蝸殼內(nèi)半徑是13 mm、蝸殼外半徑是32 mm、螺旋室高度是30 mm,流量系數(shù)試驗(yàn)測(cè)量值是0.577,渦流比試驗(yàn)測(cè)量值是1.269。上述4 個(gè)不同氣道模型的CAD實(shí)體見圖10。
圖10 螺旋氣道三維實(shí)體
4 個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣道性能的綜合影響不是單一結(jié)構(gòu)效應(yīng)的簡單疊加,然而各結(jié)構(gòu)之間會(huì)相互影響,即多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合效應(yīng)可能導(dǎo)致氣道性能正向改變、負(fù)向改變或者不變。根據(jù)本研究的第2 章的研究可知,螺旋蝸殼內(nèi)半徑對(duì)氣道性能的獨(dú)立效應(yīng)并不明顯,蝸殼內(nèi)半徑與蝸殼外半徑同時(shí)改變可得到較好的氣道性能。觀察3 個(gè)優(yōu)化模型及原機(jī)模型,適當(dāng)增加氣道的有效容積,氣道流量系數(shù)會(huì)有所增加,但受限于單螺旋進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)和氣門開度,流量系數(shù)不會(huì)有較大提升。當(dāng)改變結(jié)構(gòu)是增加氣道旋向氣流的分量或者旋向氣流的流速時(shí),進(jìn)氣渦流則會(huì)得到改善。
利用3D 打印機(jī)打印如圖10 氣道的芯盒模型,并進(jìn)行定壓差(2.5 kPa)穩(wěn)流試驗(yàn),通過層流流量計(jì)和葉片測(cè)速儀測(cè)出每個(gè)氣道模型氣門升程12 mm 時(shí)的流量系數(shù)及渦流比(每個(gè)模型進(jìn)行3 次試驗(yàn),計(jì)算平均值)。每個(gè)模型的流量系數(shù)和渦流比見表6。
表6 優(yōu)化模型的渦流比和流量系數(shù)
(1)利用回歸分析獲得氣道結(jié)構(gòu)與氣道性能的近似數(shù)學(xué)模型,可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣道結(jié)構(gòu)與氣道性能的正向定量研究。
(2)針對(duì)螺旋氣道螺旋段各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣道進(jìn)氣性能的影響研究表明,在最小截面比、螺旋段蝸殼內(nèi)半徑、螺旋段蝸殼外半徑、螺旋室高度這4 個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)中,最小截面積和蝸殼外半徑對(duì)進(jìn)氣性能影響最為顯著。
(3)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與多目標(biāo)優(yōu)化算法相結(jié)合,可縮短氣道設(shè)計(jì)的時(shí)間成本,并使研究結(jié)果可靠性提高,通過多目標(biāo)優(yōu)化獲得的3 個(gè)優(yōu)化模型可明顯改善原氣道性能,在流量系數(shù)損失0~3.98%的條件下,實(shí)現(xiàn)渦流比9.3%~14.34%的提高。