4105增壓柴油機排氣系統模擬分析

柏水通

摘要：排氣系統是柴油機重要部件之一，對柴油機的性能、噪聲等方面有很大的影響。為了更高效的優化排氣系統，采用GT-POWER軟件建立了柴油機排氣系統模型，并對4105柴油機排氣系統進行模擬分析。研究了排氣支管長度、管徑，排氣總管管徑，排氣歧管管徑變化對發動機性能的影響。通過選取不同數值來比較柴油機的扭矩、功率和充氣效率。最終確定排氣支管管徑、長度以及排氣總管管徑等參數。為4105柴油機排氣系統的設計提供理論參考。

Abstract： Exhaust system is one of the important components of diesel engine， which has great influence on performance and noise of diesel engine. In order to optimize the exhaust system more efficiently， the diesel exhaust system model was established by using GT-POWER software， and the exhaust system of 4105 diesel engine was simulated and analyzed. The influence of length， diameter of exhaust branch pipe， diameter of exhaust manifold and diameter of exhaust manifold on engine performance were studied. The torque， power and charging efficiency of diesel engine were compared by selecting different values. Finally determine the exhaust branch pipe diameter， length and exhaust manifold diameter parameters. It provides theoretical reference for the design of exhaust system of 4105 diesel engine.

關鍵詞：柴油機;排氣系統;GT-POWER;模擬分析

0? 引言

排氣系統是柴油機重要部件之一，對柴油機的性能、噪聲等方面有很大的影響[1-2]。排氣歧管的結構還影響著排氣均勻性，設計不合理的排氣歧管的流速均勻系數較小，對發動機的排放產生很大影響。柴油機排氣系統的優化設計對柴油機整體性能有較大的影響，隨著對柴油機產品使用要求的不斷提高，傳統的設計方法已經不適應現代內燃機的開發需求，采用模擬仿真技術不僅可以提高排氣系統的開發效率，也能夠降低成本，縮短開發周期。

劉德輝等[3]針對全柴490柴油機，采用GT-Power軟件對進排氣系統進行了數值仿真，并與實驗數據進行了對比，驗證了模型的有效性。鄒健等[4]針對某四缸增壓柴油機在低速段扭矩偏小的情況，使用 CFD 軟件 Open FOAM 對原排氣管內部流場進行了計算分析，根據分析結果設計了新的雙脈沖排氣歧管。

本文中所研究4105增壓柴油機借用的同類機型的排氣系統，為了更好的優化發動機性能，文中根據柴油機現有排氣系統的結構在GT-Power 中建立數值仿真模型，通過仿真分析，提供一種適合于該機型的專用排氣系統，進一步提高發動機的各項性能指標。

1? 發動機參數及模型

1.1 柴油機參數

4105柴油機是一款直列、水冷、兩氣門，四沖程渦輪增壓四缸發動機，發動機氣缸直徑105mm，形程127mm，壓縮比為18.5，標定功率轉速分別為100kW和2400r/min，發動機在1800r/min具有最大扭矩，為458 N·m。

1.2 發動機排氣歧管模型

4105柴油機排氣歧管的三維圖如圖1所示。根據4105柴油機進排氣系統的實際幾何尺寸和特征參數建立GT-Power一維計算模型。

2? 模擬計算結果與分析

2.1 排氣支管長度對發動機性能的影響

選取排氣支管長度分別為10mm、30mm、50mm、100mm來分析其對發動機性能的影響，計算仿真結果如圖2所示。

從圖2中可以看出30mm、50mm、100mm長的排氣支管的最大扭矩值相當，排氣支管長度為10mm時扭矩值偏低。從功率曲線可以看出，四種排氣支管長度功率值相當。綜合來看，排氣支管長度超過30mm后對發動機影響很小，在30mm以下具有一定影響，考慮到安裝和尺寸要求，可以選取30mm。

2.2 排氣支管管徑對發動機性能的影響

選取不同排氣支管管徑來分析其對發動機性能的影響，具體的計算仿真結果如圖3所示。

由圖3可以看出排氣支管管徑大于50mm時扭矩值基本一致。管徑20mm的時候扭矩值較小。同樣，管徑大于50mm時功率也相近，2500r/min達到最大功率;管徑20mm時，最大功率點在2000r/min，整體功率值偏低。綜上研究表明，支管管徑在50mm以下可以達到較優的發動機性能，綜合排氣歧管的安裝和尺寸要求，可以選擇排氣支管管徑45mm。

2.3 排氣總管管徑對發動機性能的影響

排氣總管直徑對排氣流量、排氣背壓都有一定影響，所以進一步開展排氣總管的管徑對發動機性能影響的研究。計算仿真結果如圖4所示。

管徑較小時（20mm）整體扭矩值較小，管徑在50mm時具有最大的扭矩值。相類似的情況，在功率曲線中，20mm管徑的發動機功率整體偏低，50mm以上管徑的情況下，發動機功率值整體較高，50mm管徑的發動機有最好的性能。管徑較小時，由于排氣背壓增大，降低了發動機的性能，而管徑較大時，排氣流量增大，不利用熱量利用，導致性能略有降低。綜合發動機排氣總管的安裝要求以及制造成本，選擇排氣總管管徑50mm。

2.4 排氣歧管管徑對發動機性能的影響

不同排氣歧管管徑的仿真結果如圖5所示。

總體上來看，排氣歧管管徑大于50mm時對發動機性能影響不大，在管徑小于50mm的情況下，會降低發動機性能。排氣歧管管徑20mm時，穩壓腔體積偏小，排氣背壓加大，影響廢氣的排出，從而影響了發動機性能整體性能。

綜合考慮排氣歧管的安裝要求以及增壓器和廢氣再循環系統的安裝，選取排氣歧管直徑為50mm。

3? 結論

本研究借助于GT-POWER軟件研究了排氣支管長度、管徑，排氣總管管徑，排氣歧管管徑對4105增壓柴油機功率、扭矩、充氣效率的影響。通過模擬分析發現，排氣支管的長度變化對發動機的性能影響不大，而排氣支管的管徑、排氣總管的管徑、排氣歧管的管徑對發動機的性能影響具有較大影響。在模擬仿真的基礎上我們給出了4105增壓柴油機排氣管的推薦尺寸，為4105柴油機排氣系統的優化改進提供理論參考。

參考文獻：

[1]鄭子健，翁建生，袁磊，孫鵬飛.國五標準柴油機排氣系統聲學性能研究與設計[J].噪聲與振動控制，2018，38（04）：91-95.

[2]Likhanov V A ， Rossokhin A V . Analytical processing of experimental results for determining the particle size of soot in various parts of the diesel exhaust system[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2020， 548（6）：062056 （7pp）.

[3]劉德輝，石柏軍，章雪華.基于GT-Power的柴油機進排氣系統多目標優化[J].重慶理工大學學報，2016，30（7）：30-37.

[4]鄒健，吳建財，嚴金龍.四缸柴油機排氣歧管的設計及內流場分析[J].內燃機與動力裝置，2015，32（05）：42-45，78.