進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)對柴油機(jī)性能影響的仿真研究

文春林，姜澤軍，黃 榮，陳英杰

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004；2.常州易控汽車電子股份有限公司，江蘇 常州 610010）

進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)對提高柴油機(jī)各項(xiàng)性能具有重大意義。對于多缸發(fā)動機(jī)而言，隨著進(jìn)排氣門的開閉，進(jìn)氣管內(nèi)的氣體流動狀況非常復(fù)雜，容易在管內(nèi)造成劇烈的壓力波動，從而對各缸進(jìn)氣不均勻性造成大的影響。在相同的燃燒條件下，各缸進(jìn)氣量越均勻，柴油機(jī)整機(jī)性能受單缸的影響就越小。因而，柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已成為提升發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)。

近年來，越來越多的科研人員投入到進(jìn)氣管的研究，研討進(jìn)氣管對混合氣的形成、渦流的產(chǎn)生和各缸均勻性的影響[1-3]。

本文利用BOOST軟件建立某四缸柴油機(jī)的一維仿真計(jì)算模型，并通過試驗(yàn)結(jié)果對模型進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。然后以集氣腔容積、管長、管徑為變量，研究這些參數(shù)對柴油機(jī)性能的影響，并選出最優(yōu)值。

1 B OO S T模型的建立及驗(yàn)證

1.1 搭建一維B OO S T模型

本文研究所用的柴油機(jī)是某型4缸柴油機(jī)，具體性能參數(shù)見表1.

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

本文運(yùn)用BOOST軟件對柴油機(jī)的整機(jī)工作過程進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，基于柴油機(jī)實(shí)際工作情況搭建的一維熱力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)一維模型

1.2 模型驗(yàn)證

本文選取三個轉(zhuǎn)速，在全負(fù)荷條件下將功率與扭矩的模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如表2、表3所示。可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間的最大誤差為3.03%，說明所建立的BOOST模型能夠作為后續(xù)耦合仿真計(jì)算的基礎(chǔ)。

表2 全負(fù)荷下功率的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值

表3 全負(fù)荷下扭矩的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值

2 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

以集氣腔容積、管長、管徑為變量，研究這些參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響。所有的計(jì)算均在全負(fù)荷工況下進(jìn)行，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 300 r/min.

2.1 集氣腔容積的優(yōu)化

該集氣腔即為圖1中的PL1.由圖2可知，隨著容積增大，充量系數(shù)隨之上升，但上升的斜率并不一致。以4 L為界，前期上升幅度大，后期上升幅度小。由圖3可知，扭矩隨容積的增大而增加，同樣以4 L為界，容積小于4 L時(shí)增長幅度大，后期增長幅度小。綜上所述，集氣腔容積增加后，柴油機(jī)的扭矩、充量系數(shù)均有提升，但容積太大對柴油機(jī)的整體布置有不利影響，因此集氣腔容積在4 L時(shí)最具有實(shí)際意義。

圖2 充量系數(shù)隨容積的變化線

圖3 扭矩隨集氣腔容積的變化曲線

2.2 管長的優(yōu)化

此處優(yōu)化的管在圖1中的編號為22～29號。

由圖4可知，管長小于120 mm時(shí)，扭矩幾乎不變，大于120 mm后幾乎呈線性降低；由圖5可知，管長小于120 mm時(shí)，充量系數(shù)隨管長增加而緩慢增加，120 mm之后急劇降低，說明管長對充量系數(shù)有重大影響；由圖6可知，有效燃油消耗率在管長小于120 mm時(shí)幾乎不變，管長大于120 mm之后呈線性增加，說明在同樣工況下管長增加會導(dǎo)致油耗增加。綜上所述，管長最佳為120 mm.

圖4 扭矩隨管長的變化曲線

圖5 充量系數(shù)隨管長的變化曲線

圖6 有效燃油消耗率隨管長的變化曲線

2.3 管徑的優(yōu)化

由圖7、圖8可知扭矩和充量系數(shù)的變化趨勢相似，以56 mm管徑為界，前期增長幅度大，后期增長幅度小；由圖9可知，有效燃油消耗率隨管徑的增加而減少，并且管徑大于28 mm時(shí)減少趨勢趨于平穩(wěn)。因此，最佳管徑取56 mm.

圖7 扭矩隨管徑的變化曲線

圖8 充量系數(shù)隨管徑的變化曲線

圖9 有效燃油消耗率隨管徑的變化曲線

3 總結(jié)

本文利用BOOST軟件對柴油機(jī)整機(jī)工作過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)集氣腔容積、管長和管徑對柴油機(jī)性能有比較大的影響，最后選根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)選出了最佳參數(shù)，為進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提出了參考性意見。