柏水通

摘要：排氣系統(tǒng)是柴油機(jī)重要部件之一，對柴油機(jī)的性能、噪聲等方面有很大的影響。為了更高效的優(yōu)化排氣系統(tǒng)，采用GT-POWER軟件建立了柴油機(jī)排氣系統(tǒng)模型，并對4105柴油機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。研究了排氣支管長度、管徑，排氣總管管徑，排氣歧管管徑變化對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。通過選取不同數(shù)值來比較柴油機(jī)的扭矩、功率和充氣效率。最終確定排氣支管管徑、長度以及排氣總管管徑等參數(shù)。為4105柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

Abstract： Exhaust system is one of the important components of diesel engine， which has great influence on performance and noise of diesel engine. In order to optimize the exhaust system more efficiently， the diesel exhaust system model was established by using GT-POWER software， and the exhaust system of 4105 diesel engine was simulated and analyzed. The influence of length， diameter of exhaust branch pipe， diameter of exhaust manifold and diameter of exhaust manifold on engine performance were studied. The torque， power and charging efficiency of diesel engine were compared by selecting different values. Finally determine the exhaust branch pipe diameter， length and exhaust manifold diameter parameters. It provides theoretical reference for the design of exhaust system of 4105 diesel engine.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);排氣系統(tǒng);GT-POWER;模擬分析

0? 引言

排氣系統(tǒng)是柴油機(jī)重要部件之一，對柴油機(jī)的性能、噪聲等方面有很大的影響[1-2]。排氣歧管的結(jié)構(gòu)還影響著排氣均勻性，設(shè)計(jì)不合理的排氣歧管的流速均勻系數(shù)較小，對發(fā)動(dòng)機(jī)的排放產(chǎn)生很大影響。柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對柴油機(jī)整體性能有較大的影響，隨著對柴油機(jī)產(chǎn)品使用要求的不斷提高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)需求，采用模擬仿真技術(shù)不僅可以提高排氣系統(tǒng)的開發(fā)效率，也能夠降低成本，縮短開發(fā)周期。

劉德輝等[3]針對全柴490柴油機(jī)，采用GT-Power軟件對進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了模型的有效性。鄒健等[4]針對某四缸增壓柴油機(jī)在低速段扭矩偏小的情況，使用 CFD 軟件 Open FOAM 對原排氣管內(nèi)部流場進(jìn)行了計(jì)算分析，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了新的雙脈沖排氣歧管。

本文中所研究4105增壓柴油機(jī)借用的同類機(jī)型的排氣系統(tǒng)，為了更好的優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能，文中根據(jù)柴油機(jī)現(xiàn)有排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在GT-Power 中建立數(shù)值仿真模型，通過仿真分析，提供一種適合于該機(jī)型的專用排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及模型

1.1 柴油機(jī)參數(shù)

4105柴油機(jī)是一款直列、水冷、兩氣門，四沖程渦輪增壓四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑105mm，形程127mm，壓縮比為18.5，標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速分別為100kW和2400r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)在1800r/min具有最大扭矩，為458 N·m。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管模型

4105柴油機(jī)排氣歧管的三維圖如圖1所示。根據(jù)4105柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的實(shí)際幾何尺寸和特征參數(shù)建立GT-Power一維計(jì)算模型。

2? 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 排氣支管長度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

選取排氣支管長度分別為10mm、30mm、50mm、100mm來分析其對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，計(jì)算仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出30mm、50mm、100mm長的排氣支管的最大扭矩值相當(dāng)，排氣支管長度為10mm時(shí)扭矩值偏低。從功率曲線可以看出，四種排氣支管長度功率值相當(dāng)。綜合來看，排氣支管長度超過30mm后對發(fā)動(dòng)機(jī)影響很小，在30mm以下具有一定影響，考慮到安裝和尺寸要求，可以選取30mm。

2.2 排氣支管管徑對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

選取不同排氣支管管徑來分析其對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，具體的計(jì)算仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出排氣支管管徑大于50mm時(shí)扭矩值基本一致。管徑20mm的時(shí)候扭矩值較小。同樣，管徑大于50mm時(shí)功率也相近，2500r/min達(dá)到最大功率;管徑20mm時(shí)，最大功率點(diǎn)在2000r/min，整體功率值偏低。綜上研究表明，支管管徑在50mm以下可以達(dá)到較優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，綜合排氣歧管的安裝和尺寸要求，可以選擇排氣支管管徑45mm。

2.3 排氣總管管徑對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

排氣總管直徑對排氣流量、排氣背壓都有一定影響，所以進(jìn)一步開展排氣總管的管徑對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究。計(jì)算仿真結(jié)果如圖4所示。

管徑較小時(shí)（20mm）整體扭矩值較小，管徑在50mm時(shí)具有最大的扭矩值。相類似的情況，在功率曲線中，20mm管徑的發(fā)動(dòng)機(jī)功率整體偏低，50mm以上管徑的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率值整體較高，50mm管徑的發(fā)動(dòng)機(jī)有最好的性能。管徑較小時(shí)，由于排氣背壓增大，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，而管徑較大時(shí)，排氣流量增大，不利用熱量利用，導(dǎo)致性能略有降低。綜合發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管的安裝要求以及制造成本，選擇排氣總管管徑50mm。

2.4 排氣歧管管徑對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

不同排氣歧管管徑的仿真結(jié)果如圖5所示。

總體上來看，排氣歧管管徑大于50mm時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響不大，在管徑小于50mm的情況下，會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能。排氣歧管管徑20mm時(shí)，穩(wěn)壓腔體積偏小，排氣背壓加大，影響廢氣的排出，從而影響了發(fā)動(dòng)機(jī)性能整體性能。

綜合考慮排氣歧管的安裝要求以及增壓器和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的安裝，選取排氣歧管直徑為50mm。

3? 結(jié)論

本研究借助于GT-POWER軟件研究了排氣支管長度、管徑，排氣總管管徑，排氣歧管管徑對4105增壓柴油機(jī)功率、扭矩、充氣效率的影響。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，排氣支管的長度變化對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響不大，而排氣支管的管徑、排氣總管的管徑、排氣歧管的管徑對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響具有較大影響。在模擬仿真的基礎(chǔ)上我們給出了4105增壓柴油機(jī)排氣管的推薦尺寸，為4105柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)提供理論參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭子健，翁建生，袁磊，孫鵬飛.國五標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)排氣系統(tǒng)聲學(xué)性能研究與設(shè)計(jì)[J].噪聲與振動(dòng)控制，2018，38（04）：91-95.

[2]Likhanov V A ， Rossokhin A V . Analytical processing of experimental results for determining the particle size of soot in various parts of the diesel exhaust system[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2020， 548（6）：062056 （7pp）.

[3]劉德輝，石柏軍，章雪華.基于GT-Power的柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，30（7）：30-37.

[4]鄒健，吳建財(cái)，嚴(yán)金龍.四缸柴油機(jī)排氣歧管的設(shè)計(jì)及內(nèi)流場分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2015，32（05）：42-45，78.