8190柴油機排氣管仿真及優化研究

(長安大學汽車學院　陜西　西安　710061)

前言

渦輪增壓技術的核心是渦輪增壓系統，渦輪增壓的原理是依靠燃燒產生的廢氣經過排氣管系統之后在渦輪中進行再次膨脹做功，廢氣中的能量轉化為渦輪機中渦輪的機械能，從而帶動壓氣機做功；渦輪增壓器對能量的利用又很大程度上受排氣管結構的制約。本文依此設計并仿真了采用機電聯合控制的8190柴油機排氣管系，并對比新設計的排氣管與MIXPC排氣管之間的性能差異。

一、仿真條件

原機排氣管結構

原機MIXPC排氣管結構：8缸發動機第2缸和第3缸的廢氣從缸蓋的排氣道出口排出后經歷排氣支管，之后第2,3缸的排氣支管固結后接入混合管，再與第1缸的排氣支管固結，左側的(1+(2,3))再與第4缸排氣支管共用一側排氣總管，另一側排氣管結構同左側對稱布置。之后中置的排氣總管接入渦輪增壓器的渦輪進口一側。排氣支管廢氣入口管徑為80mm，之后逐漸擴張至84mm,廢氣緊接著流入到混合管，混合管管徑118mm[2]。

二、針對原機建立的模型

使用GT-POWER軟件建立的原機中置MIXPC模型，其所有參數都按照實驗測量數據嚴格設置，所用的燃燒模型是零維韋伯燃燒模型，是一種“黑箱”模型，精確度有所欠缺，只能通過經驗調整其中參數，與之對應的著火延遲期和噴油提前角都按照經驗優化設計后選定。在進行新機排氣管系仿真之前，先校核好原機MIXPC排氣管系的模型，保證所有仿真所得數據與原機實驗數據的相對誤差小于3%。

三、新機建模

(一)機電聯合排氣管控制策略說明

機電聯合排氣管控制結構如圖1所示：

圖1　新機排氣管模型示意圖

(二)GT-POWER新建立的排氣管結構

用GT-POWER建立優化后的排氣管結構，仿真過程中保證發動機主體參數不能變化，并且保證總的渦輪通流面積不能變化，而其中的管徑和管間夾角經過仿真實驗之后以性能最佳為目的取最優值。

四、結果與分析

(一)發動機性能對比

采用兩種排氣管系統的發動機性能對比如圖2所示。低轉速工況時，采用優化后排氣管系統的發動機動力性能有所提高。其主要原因有兩個方面：一是兩個脈沖轉換器增壓系統近似獨立工作，能夠有效抑制掃氣干擾，降低殘余廢氣系數，保證燃料燃燒環境，提高指示熱效率；二是兩個渦輪增壓系統為脈沖轉換器增壓系統，當量通流面積較小，并且采用轉換器，可以充分利用低速時的脈沖能量，能夠提高低速工況的增壓壓力，兩方面原因共同作用下提高發動機低轉速功率。高轉速工況時，采用優化后的排氣管系統的發動機的動力性能與原機MIXPC排氣管系統的發動機的動力性能基本持平。其主要原因是：高轉速時形成高增壓，高增壓時如果單獨使用脈沖轉換器增壓系統會增加廢氣能量的損耗，這會使發動機功率下降，然而通過開啟切換閥門使三個增壓系統同時工作，增加了當量渦輪通流面積，提高了穩壓能力，減少了脈沖轉換器增壓系統存在的壓力波的反射，充分發揮了高增壓時MIXPC系統的優勢，從而維持了發動機的功率。

圖2　新機和原機功率對比

(二)經濟性對比

采用機電聯合的排氣管系統與中置MIXPC排氣系統的發動機經濟性對比如圖所示。低轉速工況時，采用機電聯合的排氣管系統的發動機經濟性能有所提高。其主要原因有兩個方面：一是兩個脈沖轉換器增壓系統近似獨立工作，能夠有效抑制掃氣干擾，降低殘余廢氣系數，提高進氣效率，保證良好的空燃比，并且改善燃料燃燒環境；二是低速工況的增壓壓力提高，進入氣缸內空氣的密度增加，氣流速度增加，氣流運動增加，使噴入汽缸的燃油霧化更加充分，燃燒效率提高。高轉速工況時，采用機電聯合的排氣管系統的發動機的經濟性能與原機MIXPC排氣管系統的發動機的經濟性相比有所提高。其主要原因是：高轉速時形成高增壓，過量空氣系數增大，空氣利用程度改善，燃燒效率提高，燃油經濟性變好。

圖3　新機和原機油耗率對比

五、結論

通過對比原機MIXPC增壓系統和排氣管系優化后增壓系統，結果分析可得：

低轉速時，新機增壓系統能夠降低掃氣干擾，有效提高增壓壓力，充分利用廢氣能量。還可降低排溫和油耗，獲得較好的負荷性能。

高轉速時，有效渦輪通流面積增大，降低油耗，并能夠有效控制增壓壓力，不出現增壓壓力過高的現象，緩解高增壓時單獨使用脈沖轉換器增壓的弊端。

優化后排氣管系可以提高發動機性能，并且還兼顧低轉速工況時掃氣干擾嚴重的問題。

【參考文獻】

[1]卓斌，顧閎中.渦輪增壓柴油機排氣系統的最優化-卓斌.船舶工程,1988,8(4)

[2]顧閎中.MIXPC渦輪增壓系統研究與優化設計.上海：上海交通大學出版社，2006

[3][4]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器.北京：機械工業出版社，1992.11

[5]N N.GT-Power-User’s Manual and Tutorial,GT-Suite TM Version V7.3

[6]杜廣生.工程流體力學.北京：中國電力出版社，2014.8

[7]董敬 莊志 常思勤.汽車拖拉機發動機.機械工業出版社，2000