基于CFD稳态分析的小柴油机进气系统优化研究

朱成明，胡华强，栗 娟

（菲亚特动力科技研发 （上海）有限公司，上海 201807）

0 引言

利用计算机辅助技术CFD来模拟优化发动机关键零部件的开发已成为当前世界上比较流行的趋势。通过流体动力学软件对建立的数值模型进行分析计算，不仅在发动机开发前期有前瞻性作用，而且在发动机甚至整车的研发过程中都能起到重要的指导作用，能够节约大量人力物力，使有限的研发成本投入到关键的作用点上。本文通过某款乘用车柴油发动机开发的实例，详细阐述了进气系统仿真计算的全过程。

1 建立数学模型以及边界条件

本文以一款涡轮增压小柴油机的进气系统为例进行分析研究。在考虑了机舱内发动机的布置约束、发动机生产线上的装配需求、产品开发周期以及成本要求后，确定了铸铝制造的工艺方向，并完成了三维模型的初始设计。本研究的目标是进一步分析对比有无EGR扩散器的两种方案对进气系统的影响，以选取更能满足该柴油发动机性能和排放要求的方案。

1.1 建立数学模型

定义无EGR扩散器方案为方案1，有EGR扩散器方案为方案2。铸铝进气歧管结构示意图如图1所示。其中，A为进气歧管的进气口，入口直径为Φ35 mm；B为EGR废气的进气口，入口直径为Φ22mm，部分废气经过EGR冷却器冷却后经B直接进入歧管；C为通往4个气缸的8个气道。

图1 铸铝进气歧管结构示意图

1.2 边界条件

本次计算考虑发动机工况为3 000r/min，燃油流量为6.41kg/h。进气口A的增压空气流量为47.097g/s，温度为50.11℃；EGR进气口B的废气流量为7.63g/s，温度为270.6℃。

计算过程中设每次仅有一个气缸打开，其余都为关闭。打开次序简单定义为缸1、缸2、缸3和缸4，如图1（d）所示。统一设置打开的气缸进气道出口的压力为1.86bar（绝对压力，186kPa），温度为96.14℃。

2 计算结果与分析

对方案1和方案2采用相同气缸定义以及相同的边界条件以对比计算结果。

2.1 歧管内废气分布

图2为方案1歧管内废气分布情况，大部分的废气流入了气缸打开的进气道。新鲜空气与EGR废气在歧管内的混合程度在缸4打开时较好，缸2打开时最差，在EGR废气入口的后面有一个迟滞点，废气在此会有迟滞现象。图3为方案2歧管内废气分布，气体在歧管内的混合程度总体而言更均匀，但是靠近主进气口的两个气缸打开时的表现会优于较远的气缸，这主要是由于该歧管结构设计的特殊性。

2.2 进气道温度分布

图4为方案1歧管内温度分布，混合气体的温度分布与EGR废气的混合程度较类似，其主要原因是EGR废气的温度远高于增压的新鲜空气。图5为方案2歧管内温度分布，由于采用EGR扩散器后，废气在歧管内的总体分布更均匀，因此整个系统温度分布相对均匀，且总体温度较方案1更低。

图2 方案1歧管内废气分布

图3 方案2歧管内废气分布

2.3 进气道出口废气及温度计算结果

当依次打开各气缸时，各气道出口的废气百分比及温度如图6～图9所示。由图6可知，在方案1中，各气道出口的废气百分比在13%～14.1%之间，基本上各缸出口废气扩散效果类似。由图7可知，缸1～缸3的出口废气百分比介于11%～14%之间，但是第4缸打开时，其废气百分比为9.6%，略微低于其他各缸，主要原因是该气缸离歧管主进气口最远。

图4 方案1歧管内温度分布

图5 方案2歧管内温度分布

由图8可知，当缸1和缸3的气门打开时各气道的出口温度比较均匀，而当缸2和缸4的气门打开时各气道的出口温度差异较大，原因是缸2离主进气口最近，而缸4离主进气口最远。由图9可知，当缸2、缸3和缸4打开时，各进气道的出口温度相对平均。而其中最显著的特征为各进气道的出口温度峰值从方案1的95℃降低到80℃，同时各缸出口平均温度从75℃降低为65℃。

图6 方案1的气道出口废气百分比

图7 方案2的气道出口 废气百分比

图8 方案1的气道 出口温度

图9 方案2的气道 出口温度

3 结论

总体而言，废气在各气缸内的扩散效果在方案2中得到了改善，虽然对出口界面上的温度而言，方案2没有方案1那么均匀，这是由于加入扩散器后主流道结构略有区别。一个重要结果是，在引入EGR扩散器后，进气混合物的总体温度大大降低，峰值从95℃降低到80℃，而平均温度从75℃降低为65℃，主要原因就是EGR扩散器在进气歧管内起到了积极的改善废气与新鲜空气混合程度的作用。

在前期设计中，由于该进气歧管方案受到诸多条件的约束而导致主进气口相对4个气缸并不对称，目前的模拟计算也指出，如果能够使得主进气口的位置尽量相对缸2和缸3对称的话，将进一步改善该进气系统性能。

后期发动机台架实验结果表明，优化后带有EGR扩散器的方案2进气系统不仅满足了发动机性能方面的要求，也保证了该柴油机的排放顺利达到了国四法规标准。

［1］王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［2］解茂昭.内燃机计算燃烧学［M］.大连：大连理工大学出版社，2005.

［3］周龙保.内燃烧学［M］.北京：机械工业出版社，1996.