楊棟，劉俊龍，閆利利，馮新剛，韓美瑩

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)要求的提高， 8缸及以上多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)一般匹配多個(gè)增壓器，一方面增加增壓器數(shù)量可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性，另一方面多個(gè)增壓器的成本低于相同排氣量需求的單個(gè)增壓器[1-2]。多個(gè)增壓器匹配時(shí)需要同步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火間隔相對(duì)較小，各氣缸的進(jìn)、排氣過程存在較大的重疊期，導(dǎo)致各缸進(jìn)、排氣互相干擾，發(fā)動(dòng)機(jī)各缸均勻性較差；多缸柴油機(jī)的進(jìn)氣均勻性對(duì)提高柴油機(jī)的充氣效率和改善各缸燃燒的均勻性有重要作用。發(fā)動(dòng)機(jī)排量相同，進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮進(jìn)氣量越多，可噴入的燃油量越多, 在同樣的燃燒條件下可以輸出更多有效功，所以各缸進(jìn)氣量越均勻，整機(jī)性能受到單缸排氣溫度和最高燃燒壓力限制的可能性越小，對(duì)外做功的潛力越大[3-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多缸柴油機(jī)缸內(nèi)及進(jìn)、排氣管內(nèi)的氣體流動(dòng)進(jìn)行了研究，分析認(rèn)為，合適的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管長(zhǎng)度能夠充分利用進(jìn)氣的慣性效應(yīng)和諧振效應(yīng)，增加充氣效率，改善換氣質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[7-9]。因此，多缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管設(shè)計(jì)成為改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵，仿真技術(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有效的參考[10-11]。本文中以V型8缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，采用GT-Power軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)模型，仿真研究不同進(jìn)氣管布置形式對(duì)柴油機(jī)性能及增壓器特性的影響。

1 進(jìn)氣管布置方案

為了研究不同進(jìn)氣管布置形式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器性能的影響，在某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行3種進(jìn)氣管布置形式的對(duì)比分析。該發(fā)動(dòng)機(jī)為8缸V型布置，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為1800 r/min;為改善發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)加載能力，匹配2個(gè)增壓器[12-13]。3種進(jìn)氣管布置方案對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)模型如圖1所示，其中虛線框內(nèi)為進(jìn)氣管布置形式。

a)方案A b)方案B c)方案C

由圖1可知：1)方案A進(jìn)氣管的布置形式為8個(gè)氣缸共用1個(gè)進(jìn)氣管，新鮮空氣經(jīng)過2個(gè)增壓器增壓后進(jìn)入中冷器冷卻，冷卻后的新鮮空氣進(jìn)入同1個(gè)進(jìn)氣管，經(jīng)進(jìn)氣歧管分別進(jìn)入各氣缸；2)方案B為發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)氣缸進(jìn)氣完全分開的布置形式，其中第1～4缸共用1根進(jìn)氣管，第5～8缸共用1根進(jìn)氣管，新鮮空氣經(jīng)過2個(gè)增壓器增壓冷卻后，經(jīng)完全獨(dú)立的兩路進(jìn)入兩側(cè)的進(jìn)氣管，然后進(jìn)入各氣缸；3)方案C也是采用2個(gè)完全分開的進(jìn)氣管，與方案B的不同之處是第1、4、6、7缸共用1根進(jìn)氣管，第2、3、5、8缸共用1根進(jìn)氣管，新鮮空氣經(jīng)過2個(gè)增壓器增壓冷卻后由完全獨(dú)立的兩路進(jìn)入2根進(jìn)氣管，然后進(jìn)入各氣缸。

2 不同進(jìn)氣管布置方案仿真分析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)及尺寸，利用一維熱力學(xué)軟件GT-Power建立熱力學(xué)模型，分別對(duì)3種進(jìn)氣管布置方案的發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行仿真分析，計(jì)算工況：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1800 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率分別為100%、75%、50%和25%。

2.1 各缸進(jìn)氣均勻性

該發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的發(fā)火順序?yàn)?—8—4—3—6—2—7—5，由于8缸機(jī)的發(fā)火間隔曲軸轉(zhuǎn)角為90°，遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣持續(xù)期，不可避免地存在進(jìn)氣干擾或搶氣的問題，因此進(jìn)氣管布置形式直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣均勻性，從而影響各氣缸的燃燒和排氣均勻性。各缸進(jìn)氣不均勻直接影響缸內(nèi)燃燒，使各缸的最大爆壓差別較大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸平衡，甚至導(dǎo)致曲軸化瓦等嚴(yán)重的可靠性問題，因此進(jìn)、排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保證發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣均勻性[14-16]。通常要求各缸進(jìn)氣質(zhì)量流量均勻性偏差在±3%以內(nèi)。

3種進(jìn)氣管布置形式在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率為100%時(shí)的各缸進(jìn)氣質(zhì)量流量相對(duì)偏差(每缸的進(jìn)氣質(zhì)量流量與8個(gè)缸的平均進(jìn)氣質(zhì)量流量的比)對(duì)比如圖2所示。

圖2 不同進(jìn)氣管布置形式對(duì)應(yīng)的各缸進(jìn)氣量偏差

由圖2可知：方案B對(duì)應(yīng)的各缸進(jìn)氣質(zhì)量流量最大相對(duì)偏差為5%，超過偏差要求，進(jìn)氣均勻性最差；方案A對(duì)應(yīng)的第8缸的進(jìn)氣質(zhì)量流量相對(duì)偏差為3.3%，超出偏差要求；方案C的各缸進(jìn)氣質(zhì)量流量相對(duì)偏差均在2%以內(nèi)，滿足偏差要求。根據(jù)各缸進(jìn)氣質(zhì)量流量均勻性，方案C最優(yōu)。

方案A的8缸共用1個(gè)大的進(jìn)氣管，由于發(fā)火間隔曲軸轉(zhuǎn)角僅為90°，同側(cè)相鄰的2個(gè)缸搶氣，特別是連續(xù)發(fā)火的2個(gè)缸，當(dāng)進(jìn)氣管容積設(shè)計(jì)較大時(shí)，可以減小搶氣對(duì)各缸進(jìn)氣均勻性的影響。

方案B的進(jìn)、排氣管路完全分開，每側(cè)的進(jìn)氣管容積減半，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸進(jìn)氣量需求不變時(shí)，各缸搶氣嚴(yán)重；按該發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序，第4缸進(jìn)氣未結(jié)束時(shí)同側(cè)的第3缸開始進(jìn)氣，由于進(jìn)氣管容積相對(duì)較小，使得第4缸的進(jìn)氣量減??；此外在第4缸排氣未結(jié)束時(shí)第3缸排氣門開啟并排氣，此時(shí)第3缸的排氣壓力高于第4缸，導(dǎo)致第4缸排氣不暢，缸內(nèi)殘余廢氣增加，導(dǎo)致第4缸的新鮮進(jìn)氣量減少，如圖3所示。同時(shí)由于第5缸和第7缸也是同側(cè)連續(xù)發(fā)火，也會(huì)出現(xiàn)如同第3缸和第4缸的進(jìn)氣搶氣和排氣干擾問題，使得第7缸的新鮮進(jìn)氣量減小。

圖3 方案B第3、4缸的排氣質(zhì)量流量對(duì)比

方案C的一側(cè)進(jìn)氣管連接第1、4、6、7缸，按順序2缸之間的發(fā)火間隔曲軸轉(zhuǎn)角為180°，接近發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣持續(xù)期，可以有效避免方案B存在的進(jìn)氣搶氣和排氣干擾的問題，另一側(cè)的進(jìn)氣管連接第2、3、5、8缸，同理，各缸均勻性相對(duì)更好。

一般V型8缸機(jī)的發(fā)火順序有1—5—4—2—6—3—7—8、1—5—4—8—6—3—7—2、1—8—4—2—7—3—6—5、1—8—4—2—7—3—6—5、1—5—4—8—7—2—6—3、1—2—7—3—4—5—6—8、1—8—4—3—6—2—7—5等，這幾種發(fā)火順序的曲軸平衡性較好，但這幾種發(fā)火順序都存在某一側(cè)氣缸連續(xù)進(jìn)氣發(fā)火的問題，方案C的進(jìn)氣管布置形式可以滿足以上所有發(fā)火順序的進(jìn)氣需求而不出現(xiàn)進(jìn)氣搶氣的問題。

2.2 一次加載率

進(jìn)、排氣管路的布置形式以及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的一次加載率影響較大，進(jìn)、排氣管路的容積相對(duì)越小，越有利于減小進(jìn)、排氣時(shí)的彈性緩沖效應(yīng)，即進(jìn)、排氣充滿管路容積的時(shí)間更短，響應(yīng)性越好[17]；各缸進(jìn)氣均勻性越好，各缸的燃燒越均勻，總?cè)紵室矔?huì)進(jìn)一步提高，有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性。

對(duì)3種不同進(jìn)氣管路布置形式的一次加載能力進(jìn)行計(jì)算分析， 一次加載率目標(biāo)為50%負(fù)荷， 主要評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率和轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間，其中轉(zhuǎn)速波動(dòng)率為瞬態(tài)加載或卸載過程中最高瞬時(shí)轉(zhuǎn)速或最低瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的相對(duì)百分比。一次加載到相同負(fù)荷率時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)率越小，轉(zhuǎn)速的恢復(fù)時(shí)間越短，響應(yīng)性越好。不同進(jìn)氣管布置形式對(duì)一次加載率的影響計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同進(jìn)氣管布置形式對(duì)一次加載率的影響

由表1可知：方案A的響應(yīng)性最差，方案B其次，方案C最優(yōu)，但方案B、C相差不大。主要是由于方案A的每個(gè)增壓器對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣管容積最大，彈性緩沖效應(yīng)最大，新鮮空氣充滿進(jìn)氣管的時(shí)間最長(zhǎng)，響應(yīng)最慢；方案B、C每個(gè)增壓器對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣管的容積比方案A小一半，所以2個(gè)方案的響應(yīng)性均較好，但方案C的布置形式解決了進(jìn)氣搶氣的問題，響應(yīng)性最好。

2.3 渦輪增壓器性能

方案B、C的各缸進(jìn)氣均勻性以及一次加載率表現(xiàn)均優(yōu)于方案A，因此對(duì)方案B、C的增壓器性能進(jìn)行進(jìn)一步分析。方案B由于該發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序存在第1～4缸的一側(cè)連續(xù)發(fā)火，同時(shí)導(dǎo)致第5～8缸的一側(cè)不發(fā)火，且兩側(cè)氣缸對(duì)應(yīng)的進(jìn)、排氣管路完全分開，所以當(dāng)?shù)?～8缸的一側(cè)不發(fā)火時(shí)，此時(shí)該側(cè)氣缸不進(jìn)氣，但此時(shí)進(jìn)氣管內(nèi)的壓力變化響應(yīng)較慢，由于不進(jìn)氣導(dǎo)致進(jìn)氣流量減小甚至產(chǎn)生回流，氣體在壓氣機(jī)的葉輪或擴(kuò)壓器入口處出現(xiàn)邊界層分離，分離渦迅速擴(kuò)展到壓氣機(jī)通道的其他部分，氣流出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，引起工作葉輪的強(qiáng)烈振動(dòng)，并產(chǎn)生很大的噪聲，引起第5～8缸側(cè)的增壓器出現(xiàn)喘振。方案C各缸連續(xù)進(jìn)氣并發(fā)火，不會(huì)出現(xiàn)某一側(cè)不進(jìn)氣的現(xiàn)象，所以不會(huì)出現(xiàn)喘振問題。

方案B、C的第5～8缸側(cè)進(jìn)氣管在4個(gè)沖程中的瞬時(shí)進(jìn)氣質(zhì)量流量如圖4所示。

圖4 方案B、C第5～8缸單側(cè)進(jìn)氣質(zhì)量流量

由圖4可知：方案B出現(xiàn)進(jìn)氣流量為0甚至回流(進(jìn)氣質(zhì)量流量為負(fù))的問題，方案C的進(jìn)氣質(zhì)量流量與發(fā)火順序?qū)?yīng)且相對(duì)均勻。

2.4 整機(jī)性能

不同進(jìn)氣管布置形式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的影響不同，3種進(jìn)氣管方案對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的對(duì)比如圖5所示、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率如圖6所示。

由圖5、6可知：方案C由于進(jìn)氣均勻且無進(jìn)排氣干擾，充氣效率最高，方案C的充氣效率比方案A高2%左右、比方案B高1%左右，優(yōu)勢(shì)明顯。充氣效率高意味著相同進(jìn)氣壓力情況下進(jìn)入氣缸的新鮮空氣更多，發(fā)動(dòng)機(jī)可以輸出更多的有效功，油耗率進(jìn)一步降低；方案C的油耗率最低，75%負(fù)荷工況點(diǎn)，方案C的燃油消耗率比方案A低1.2 g/(kW·h)左右，比方案B低0.5 g/(kW·h)左右。

圖5 不同進(jìn)氣管布置形式的發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率 圖6 不同進(jìn)氣管布置形式的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率

3 結(jié)論

對(duì)3種進(jìn)氣管布置方案的某V型8缸雙增壓柴油機(jī)的進(jìn)氣均勻性、一次加載率、增壓器性能以及整機(jī)性能進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)氣管的最佳布置形式為方案C。

1)方案A、C的進(jìn)氣均勻性相對(duì)較好，方案B的進(jìn)氣均勻性最差。

2)方案C的一次加載率最優(yōu)，其次為方案B，方案A最差。

3)方案B存在增壓器喘振問題，方案C的增壓器不會(huì)喘振。

4)與方案A、B相比，方案C的發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能表現(xiàn)較好，充氣效率比其他2種方案提高1%～2%，燃油消耗率降低0.5～1.2 g/(kW·h)。