某款滿足歐6排放的柴油機渦輪增壓器壓氣端進氣流道CFD分析及設計優化

王 帝 劉俊超 李春玲 楊于奇 金天柱

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

0 前言

計算流體力學（CFD）是一項通過計算直接求解的流動主控方程，以此發現各種流動現象規律的技術，它綜合了流體力學、傳熱學、計算數學、計算機科學、科學可視化等多種專業學科。CFD計算分析可以在試驗很難涉及的深度和精度對發動機及其零部件的流場和溫度場進行模擬，為產品開發和故障分析等工作提供流速、流量、壓力、溫度分布等必需的參考數據或邊界條件，用于指導發動機及其零部件的設計優化。CFD已經成為精確分析發動機冷卻潤滑系統、進氣排氣系統以及燃燒換熱過程等的有效手段，可以有效縮短產品開發周期，減少試驗次數，降低時間和成本［1］。

1 CFD分析方法論

本文對某款滿足歐6排放的柴油機渦輪增壓器壓端進氣流道進行了CFD仿真和分析，同時進行了結構優化設計。通過CFD方法來預測壓端進氣道的流通性能。其中，控制方程、質量方程和動量方程滿足守恒定律［2］。

CFD分析中有很多湍流模型，其中標準k-ε模型最為廣泛應用于各種管路和流道的計算［3－5］。標準k-ε模型以較為簡單的模型來計算復雜的流動，包括兩個方程。湍流動能方程公式

動能及浮力的推導方程

湍流耗散率的計算方程

以上的方程由CFD商業軟件StarCCM＋求解。Sk和Sε是由用戶定義源項，σk和σε是湍流Prandtl數。C1ε、C2ε以及 C3ε為常數。這些常數的具體數值如下：C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝1.3，σk＝1.0，σε＝1.3［6－7］。

2 壓氣端進氣流道設計選型

換氣過程是內燃機排出循環中的已燃氣體和下一個循環吸入新鮮充量空氣的進排氣過程。內燃機的充量系數反映了進氣過程的完善程度，是衡量發動機性能的重要指標。提供充量系數最重要的措施就是降低進氣系統的阻力損失。因此壓氣端進氣流道不但會影響增壓器點火控制曲線（MAP）進而影響增壓器的性能，還會影響充量系數進而影響發動機的性能。

基于本柴油機的結構，以及匹配的渦輪增壓器，壓端進氣流道優化設計分兩個系列。選項1系列為不改變低壓級壓殼，只改變高壓級壓殼及流道，選項2系列為同時改變高低壓級壓殼及流道，對以上兩個系列進行CFD分析，選取最優的壓端進氣流道結構。

圖1 傳統壓氣端進氣流道結構

3 壓端進氣流道CFD分析結果

通過CFD分析，得出結果見表1。

表1 總壓壓降結果

圖2 選項1系列部分壓端進氣流道結構

圖3 選項2系列部分壓端進氣流道結構

由結論可以得出選項1系列中，選項1.2為最優設計，選項2系列中，選項2.2為最優設計。從總壓結果可以看出，選項1.2的性能為3個設計中最佳設計。

3種設計中的速度均勻性結果，如表2所示。

表2 速度場分布結果

從速度均勻性結果可以看出選項1.2的性能為3個設計中最佳設計。綜上結果，選項1.2為最優設計。

4 結論

通過CFD分析對比傳統以及選項1、選項2系列壓端進氣流道壓力降及進氣均勻性，選項1.2的壓力降最小，整體降低79.2%，選項1.2的速度均勻性最高，整體提升3.1%。故選項1.2的CFD性能最優。從設計角度，不改變低壓級壓殼，改變高壓級壓殼及流道可以提高增壓器壓端的CFD性能，以提升增壓器性能及發動機的充量系數。

圖4 壓氣端進氣流道壓力分布結果

圖5 壓氣端進氣流道速度流線結果