陳香春 ，高慎勇，高瑩，張鳳麗

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東 濰坊 261061)

某8缸柴油機(jī)采用雙增壓器結(jié)構(gòu)，1、2、3、4缸燃燒后的燃?xì)馀诺揭粋€(gè)增壓器中， 5、6、7、8缸燃燒后的燃?xì)馀诺搅硪粋€(gè)增壓器中，排氣管結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，1、4缸共用一根排氣道，2、3缸共用一根排氣道，8缸柴油機(jī)的發(fā)火順序?yàn)?-6-2-4-8-3-7-5，共用一根排氣管的1缸排氣至4缸排氣間隔270°曲軸轉(zhuǎn)角，4缸排氣至1缸排氣間隔450°曲軸轉(zhuǎn)角，2-3缸、5-8缸和6-7缸同理[1]。

圖1 排氣管結(jié)構(gòu)示意圖

柴油機(jī)各缸排氣間隔角度不均勻，使增壓器受到氣流沖擊，導(dǎo)致增壓效率下降、渦后排氣管抖動(dòng)、燃油消耗率上升等問題，并且柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越高表現(xiàn)越明顯。為了緩解不均勻排氣對(duì)增壓器造成的沖擊，在排氣管和增壓器中間增加了緩沖裝置——脈沖轉(zhuǎn)換器。

脈沖轉(zhuǎn)換器用于連接排氣管與增壓器，各缸排氣通過脈沖轉(zhuǎn)換器進(jìn)入增壓器。本文利用數(shù)值模擬方法對(duì)脈沖轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以期改善脈沖轉(zhuǎn)換器出口截面的氣體流動(dòng)均勻性，緩解排氣間隔不均勻?qū)υ鰤浩髟斐傻臎_擊，提升增壓效率，優(yōu)化柴油機(jī)性能。

1 脈沖轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖2為現(xiàn)有脈沖轉(zhuǎn)換器流通區(qū)域的縱截面圖，廢氣從排氣管出來，從下端流入，從上端流出，進(jìn)入增壓器。下端排氣管出氣法蘭為雙流道結(jié)構(gòu)，脈沖轉(zhuǎn)換器入口也采用雙流道結(jié)構(gòu)，在中心部位設(shè)置導(dǎo)流板，導(dǎo)流板橫截面設(shè)計(jì)為矩形。將入口截面上導(dǎo)流板兩側(cè)的流速記為v1，將出口截面上導(dǎo)流板對(duì)應(yīng)處的流速記為v2，定義(v1-v2)/v1為流速不均勻度[2-4]。

圖2 脈沖轉(zhuǎn)換器流通區(qū)域縱截面圖

將流通區(qū)域簡化為圖3， 為了優(yōu)化脈沖轉(zhuǎn)換器的性能，提出以下幾種方案并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 脈沖轉(zhuǎn)換器流通截面簡化圖

方案1 如圖4所示，對(duì)脈沖轉(zhuǎn)換器的外邊框形狀進(jìn)行改進(jìn)。中心距離底端100 mm處的斜線以上的位置是為固定脈沖轉(zhuǎn)換器與增壓器連接螺栓留出的空間，該部分外形不做改動(dòng)；左側(cè)從底端到15 mm高度處是脈沖轉(zhuǎn)換器與排氣管連接螺栓的貫穿區(qū)域，不做改動(dòng)；右側(cè)考慮排氣管螺栓安裝的作業(yè)空間，距離底端40 mm以下的部分也不做改動(dòng)。只對(duì)中間區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化：將原來的直線連接改為橢圓形連接，通過模擬計(jì)算確定兩側(cè)短軸半徑的具體數(shù)值。

圖4 脈沖轉(zhuǎn)換器(改變外邊框形狀)

方案2如圖5所示，改變導(dǎo)流板的高度。在不改變導(dǎo)流板角度的前提下，以75 mm為基準(zhǔn)，增加或者縮短導(dǎo)流板高度，驗(yàn)證改變導(dǎo)流板高度對(duì)流通均勻性是否有改善，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果決定導(dǎo)流板高度的變化趨勢(shì)，并確定導(dǎo)流板高度的具體數(shù)值。

圖5 脈沖轉(zhuǎn)換器(改變導(dǎo)流板高度及截面形狀)

方案3如圖5所示,將導(dǎo)流板縱截面改為拋物線形。原有脈沖轉(zhuǎn)換器的縱截面為矩形，通過改變導(dǎo)流板截面形狀可以改變流體的流動(dòng)軌跡[5]，通過模擬計(jì)算驗(yàn)證改變截面形狀對(duì)流動(dòng)均勻性是否有利；如果有利，通過模擬計(jì)算結(jié)果確定最佳短軸半徑。

對(duì)上述3個(gè)方案進(jìn)行驗(yàn)證，將對(duì)流通均勻性有利的方案進(jìn)行組合，制定新的優(yōu)化方案，并逐步確定最佳設(shè)計(jì)方案。

2 計(jì)算模型

2.1 物理模型

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件分別建立原方案和方案1、2、3的物理模型(如圖3—圖5所示)。

2.2 控制方程

忽略燃?xì)饬鬟^脈沖轉(zhuǎn)換器時(shí)的少量輻射散熱，假定燃?xì)庠诿}沖轉(zhuǎn)換器中的流動(dòng)是一個(gè)定常流動(dòng)過程[6]，因而只需滿足連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程。

連續(xù)性方程為

(1)

運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

(3)

式中：ρ為密度(kg/m3)；t為時(shí)間(s)；p為壓力(Pa)；u、v分別為x、y方向的速度(m/s)。

2.3 邊界條件

1)入口設(shè)為質(zhì)量入口Mass flow inlet，以空氣代替燃?xì)庾鳛榱魍ń橘|(zhì)，取排氣溫度450 ℃，450 ℃時(shí)的空氣密度ρ=0.5 kg/m3，根據(jù)前期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，體積流量qV=1 700 L/min，計(jì)算得到入口質(zhì)量流量qm=0.033 4 kg/s。

2)出口設(shè)為壓力出口Pressure outlet，其余壁面默認(rèn)為是絕熱壁面[7-8]。

通過分析流通截面上的速度分布來判斷流體在脈沖轉(zhuǎn)換器內(nèi)的流動(dòng)均勻性。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

優(yōu)化之前，脈沖轉(zhuǎn)換器流通縱截面上的速度分布如圖6所示。箭頭方向?yàn)闅怏w的流動(dòng)方向，出口截面上，導(dǎo)流板兩側(cè)的氣流速度與導(dǎo)流板正對(duì)的出口截面上的氣流速度明顯不同，兩側(cè)的流速大于1.22 m/s，中間位置的流速為0.88 m/s，可見出口截面上的速度分布明顯不均勻，流速不均勻度為27.9%。

圖6 流通縱截面速度分布圖

外邊框變成橢圓后，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。兩側(cè)的流速為1.17 m/s，中間流速為0.97 m/s，兩側(cè)與中間的氣流沒有明顯分流，流動(dòng)均勻性有所改善,流速不均勻度為17.1%。

圖7 流通縱截面速度分布圖(外邊框改為橢圓)

導(dǎo)流板高度從75 mm增大到85 mm，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，兩側(cè)的氣流與中間的氣流分流明顯，流動(dòng)均勻性變差，說明增大導(dǎo)流板高度不可行。

圖8 流通縱截面速度分布圖(增大導(dǎo)流板高度(85 mm))

將導(dǎo)流板高度從75 mm減小到70 mm，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，兩側(cè)的氣流速度為1.2 m/s，中間的氣流速度為1.0 m/s，流動(dòng)均勻性有所改善，流速不均勻度為16.7%。

圖9 流通縱截面速度分布圖(減小導(dǎo)流板高度(70 mm))

將導(dǎo)流板截面改成拋物線形，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，兩側(cè)的氣流速度為1.22 m/s，中間的氣流速度為1.01 m/s，流動(dòng)均勻性有所改善，流速不均勻度為17.2%。

圖10 流通縱截面速度分布圖(導(dǎo)流板截面拋物線形)

對(duì)能夠改善流動(dòng)均勻性的方案進(jìn)行組合，檢驗(yàn)綜合有利因素是否能進(jìn)一步改善混合均勻性。將導(dǎo)流板截面設(shè)計(jì)為拋物線形，并進(jìn)一步減小導(dǎo)流板高度到65 mm，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 流通縱截面速度分布圖(導(dǎo)流板截面為拋物線形、導(dǎo)流板高度65 mm)

由圖11可知，兩側(cè)的氣流速度為1.21 m/s，中間的氣流速度為1.07 m/s，流速不均勻度降至11.6%；而且，與圖11相比，兩側(cè)氣流與中間氣流在離出口截面較遠(yuǎn)處已混合的較為均勻。由此可見，將可提高混合均勻性的有利因素組合到一起，能進(jìn)一步提高混合均勻性。

在圖11的基礎(chǔ)上將外邊框改為橢圓形，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 流通縱截面速度分布圖(導(dǎo)流板截面為拋物線形、導(dǎo)流板高度65 mm、外邊框?yàn)闄E圓形)

由圖12可知，兩側(cè)的氣流速度為1.2 m/s，中間的氣流速度為1.1 m/s，兩側(cè)氣流與中間氣流在出口截面上的速度相差不大，混合均勻性良好，流速不均勻度為8.3%。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證脈沖轉(zhuǎn)換器流動(dòng)均勻性的提高對(duì)柴油機(jī)性能的影響，選取最簡單的降低導(dǎo)流板高度的方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

不改變導(dǎo)流板形狀，將導(dǎo)流板的高度降至65 mm，制作樣件進(jìn)行試驗(yàn)研究。柴油機(jī)外特性燃油消耗率的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖13所示。

圖13 提高流速不均勻度對(duì)柴油機(jī)燃油消耗率的影響

由圖13可知，導(dǎo)流板高度降低后，外特性曲線上的燃油消耗率降低，在700～1 200 r/min內(nèi)，燃油消耗率可降低1～1.5 g/(kW·h)。證明降低脈沖轉(zhuǎn)換器的流速不均勻度有利于柴油機(jī)性能的優(yōu)化提升。

5 方案比較

本文采取以下5種方案對(duì)脈沖轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：(1)將脈沖轉(zhuǎn)換器的外邊框改為橢圓形；(2)減小導(dǎo)流板高度；(3)將導(dǎo)流板截面改為拋物線形；(4)將導(dǎo)流板截面改為拋物線形并減小導(dǎo)流板高度；(5)將導(dǎo)流板截面改為拋物線形并減小導(dǎo)流板高度，同時(shí)將外邊框改為橢圓形。模擬計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 流速不均勻度計(jì)算結(jié)果匯總

由表1可知，優(yōu)化方案1、2、3均能使流動(dòng)均勻性得到改善；方案4(將方案2和3進(jìn)行組合)使流速不均勻度得到了進(jìn)一步優(yōu)化；方案5(將方案1、方案2和方案3進(jìn)行結(jié)合)使流速不均勻度在方案4的基礎(chǔ)上得到了進(jìn)一步改善，降至8.3%。因此，脈沖轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為將導(dǎo)流板截面改為拋物線形、減小導(dǎo)流板高度并將外邊框改為橢圓形。該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案使脈沖轉(zhuǎn)換器的流速不均勻度從優(yōu)化前的27.8%降至8.3%，可有效提高進(jìn)入增壓器燃?xì)獾牧鲃?dòng)均勻性，從而提升柴油機(jī)性能。