某柴油机进气歧管结构对各缸进气均匀性的影响*

曾响1 雷基林1 杨永忠 张宁 杨连宝 彭鹄

（1-昆明理工大学云南省内燃机重点实验室云南昆明650500 2-昆明云内动力股份有限公司）

某柴油机进气歧管结构对各缸进气均匀性的影响*

曾响1雷基林1杨永忠2张宁2杨连宝2彭鹄2

（1-昆明理工大学云南省内燃机重点实验室云南昆明650500 2-昆明云内动力股份有限公司）

发动机进气过程中，管道内的气体压力波产生的气体谐振效应会影响气缸充气效率和进气不均匀度，柴油机进气歧管的几何结构直接影响管内气体惯性效应、气体压力波传播路径长短以及残余压力波的相位。针对一款4缸电控高压共轨柴油机，建立了进气歧管、气道、气门和气缸的一维三维耦合流动仿真模型，研究进气总管长度、进气总管内径、进气歧管长度、谐振腔容积对进气不均匀性的影响，并对进气歧管几何结构进行了优化设计。研究结果表明，增加进气总管长度和进气歧管长度，采用小管径进气总管和一定范围内小容积谐振腔能有效地改善发动机进气不均匀性，为进气歧管的结构优化提供了可能。

柴油机进气不均匀性气体谐振效应进气歧管优化设计

引言

进气系统是发动机的重要组成部分，它的布置形式和结构参数对发动机的充气效率、进气阻力、进气均匀性、缸内混合气运动和燃烧过程有着重要的影响，从而影响发动机的动力性、经济性和排放特性。因此，进气系统的设计已成为发动机研发的关键技术之一，它在发动机产品的研发过程中，占有重要的地位。近年来，国内外学者对多缸柴油机进气管内气体流动进行了广泛的研究[1-4]。

多缸发动机进气流量和进气不均匀性主要受到进气压力波的影响。进气门打开时，进气门前后压差使气体迅速流入气缸，当气缸内压力达到最大值后，由于惯性作用气体继续向气缸内流入。由此可见发动机各缸的进气量是由气缸与进气管内的压力差决定，同时气体惯性作用也起到一定影响。进气管路的结构参数如管径、管长和容积等会影响谐振效应的发生规律，如果能合理地设计进气管路结构，便能够充分利用进气谐振效应，提高充气效率，改善进气不均匀性，就能达到提高发动机整体性能的目的[5-8]。

分别以进气总管长度、进气总管内径、进气歧管长度、谐振腔容积等为结构变量建立三维仿真模型，同时依据实际工作情况按照该发动机的实际几何结构及管道布置形式建立整体发动机一维热力学模型，就不同进气歧管几何参数对柴油机各缸进气不均匀性影响进行了仿真研究并对进气歧管结构作出相应优化。

图1 发动机一维模型

1研究对象及其模型验证

1.1 研究机型的性能参数

本文中的研究对象是某4缸电控高压共轨柴油机，相关性能参数如下表所示。

表1 发动机主要性能参数

1.2 热力学模型的搭建与验证

根据所要模拟的实际环境，充分考虑燃料的多种热力学性质，基于AVL BOOST软件按照该发动机的实际几何结构及管道布置形式建立整体发动机一维热力学模型。AVL BOOST是采用模块化的结构建立相应的模型，发动机气缸、进气系统、排气系统的各个部件均由相应的模块表示，用线段代表管路连接各个部件，从而构成一个完整的发动机系统，如图1所示。

发动机的主要参数如表1所示，可以通过对应的模块输入实际发动机所有结构参数。利用该软件进行模拟仿真运算时，需要非常精确的发动机结构参数，因此，模型中管道长度、直径、曲率等参数均从该发动机三维实体模型中提取，建模过程中需要对局部某些复杂的管道进行了相应的简化处理。

为了确保仿真计算的可靠性、准确性，根据选用发动机试验运转的实际情况，对相关参数来进行标定。图2给出，发动机功率和扭矩的试验值，与计算值的比对情况，从中可以看出试验值和计算值在整个运行工况基本吻合，其误差均在3%以内。由此可以肯定模型的准确性，在此基础上完成进气不均匀性研究具有一定的可信度。

图2 发动机外特性试验结果与模拟计算结果对比

1.3 几何模型的搭建与FIRE网格划分

通过已选定的发动机中进气系统各部件的实际几何尺寸应用NX UG软件建立三位实体几何模型。由于柴油机进气系统几何结构比较复杂，曲面结构较多。构造曲面时，对基础面和过渡面进行区分，按照不同的曲面质量要求分别进行构造，基础面要有较好的光顺性及较高的重塑精度，因此，其曲面质量要求较高，要避免不良反射，而过渡曲面只要尽量光顺，没有褶皱出现就可以。图3a）为最终建立完成的发动机三维几何模型。由于模拟时需要进行稳态模拟，此时假定只有一个气缸进气，应对整体三维模型进行相应简化，如图3b）为第二缸进气时简化后的三维实体模型。

网格划分是CFD应用于流场分析前处理中的关键一步，其质量会直接影响到计算时间、收敛速度、计算精度，从而影响到整个仿真计算的结果。因此，在条件允许的情况下，我们必须提高网格划分质量，使仿真计算结果更加接近于真实工况。结构化、非结构化和分块结构化网格是目前最常使用的三种网格。

图3 进气系统三维模型

课题计算模型的网格划分主要采用AVL前处理功能，网格划分功能模块FAME Hybrid可以进行自动网格划分。网格总数约为70万，如图4所示。

图4 进气系统网格化分

2数据处理方法

多缸发动机进气不均匀性主要表现为一个工作循环内各缸进气量不同。为了能较好地反映出柴油机进气均匀性的指标，在这里主要采用平均进气量、进气不均匀度来衡量：

式中：N为气缸数；Ai为第i缸的进气量；Amax为各缸中最大的进气量；Amin为各缸中最小进气量。

平均进气量主要用来说明发动机的进气能力。进气不均匀度ΔA用来对发动机进气差异进行详细说明，其采用一个循环内进气量最大与最小两缸的进气量差值与平均进气量的比值来衡量进气不均匀性。在评价过程中我们希望进气不均匀度ΔA的值越小越好[9-11]。

目前众多专家尚未对进气不均匀度ΔA的值域进行具体划分，通过进气不均匀度ΔA的值来判定发动机进气不均匀性的好坏主要是通过经验或者参考文献，一般小于10%我们就可以认定其进气不均匀性较为良好，大于10%就会对发动机性能产生严重影响。

表2 进气外接管结构参数（方案1～3）

图5 不同外接管管长流体速度分布云图

图6 不同外接管管长压力分布图

3计算结果与分析

研究机型外接支管长度为60 mm，外接支管内径为45 mm，进气支管长度为120 mm，谐振腔容积为650 mL。

3.1 进气外接管对进气不均匀性的影响

进气歧管外接管是外界气体与管内气体连接的交界口，外界稳压气体在外接管端口处就与管内气体发生碰撞，产生波动效应，其几何参数在一定程度上影响了进气管路内的波动效应，进而对整个发动机进气系统的建立产生影响。所以要想有效地利用动力效应就必须与进气管进行合理的匹配。进气外接管是入射波的起点，也是反射波的终点，这两个波在进气外接管内进行叠加，其动态效应进一步影响谐振腔内的气体状态，因此外接管的几何结构对谐振腔中的波动效应有重要影响。

3.1.1 进气外接管长度对进气不均匀性的影响

设计方案如表2所示：

计算得到流速分布图5与压力分布图6，对比得出：各缸整体进气趋势基本相同，总管进气端气体流速最小，压力最大，气体到达各缸进气门处时，流速最大，压力最小。当气体从进气总管进入谐振腔时，气体不能立刻充满谐振腔，由于2缸靠近外接总管，其流通路径较短，而4缸离总管距离远，其流通路径较长，同时气体在管内流动在管壁附近产生回流现象，形成局部涡流组织，阻碍气体流通。综合以上原因导致各缸进气入口气体压降产生差异，2缸与4缸入口处压力差值较大，而1缸和3缸入口压力处差值基本相同。

从3种方案对比来看，随着外接管长度的增加，在管壁边缘形成的局部低速区域减少，这有利于减少气体沿程的能量损失，提高进气量。计算得出方案1进气最大压力差值为281 Pa，方案2进气最大压力差值为253 Pa，方案3进气压力最大差值为168 Pa。同时各进气支管入口处的压力值有略微增高。由此可见增长外接管管长有利于改善发动机进气不均匀性。

各缸分别进气时各支管内流场和压力的变化趋势基本一致。以一缸单独进气时的局部流速图为例，如图7所示。可以看出随着管长的增加，进气管内流动速度稍有增加，进气门口处流速加大，其中螺旋进气道增速较快，速率提升了1.6%，切向进气道中速率提升了1.1%。同时各缸进气量也有所提升，以一个气缸为单位，取对应气缸的两个进气支管出口质量流量和为气缸进气质量流量，得出各缸进气流量图8。通过前面的介绍计算出最大不均匀度分别为11.3%，11.1%和10.6%。说明进气外接管的长度增加对改善进气不均匀性的效果。

图7 局部流速分布云图

图8 各缸进气流量

3.1.2 进气外接管内径对进气不均匀性的影响

设计方案如表3所示。

表3 进气外接管结构参数（方案4～6）

图9 不同外接管管径流速分布云图

图10 不同外接管管径压力分布图

图9、10、11为不同外接管管径下各缸进气流速云图和压力分布图。可以看出方案4中气体经进气外接管流入谐振腔后气体流速加快，填充谐振腔的速率增快。在四缸进气时，气体已经基本可以充满整个谐振腔，增强了谐振腔内气体波动效应。波动效应的增强使谐振腔内低速区域减少，能量损失降低，出口流速有一定的提高。方案4中的平均压力降为1 030 Pa，最大压力降出现在四缸进气，压力降低了1 130 Pa，最小压力降为980 Pa，出现在第二缸进气，偏差值为14.5%；而方案6的平均压力降为1 005 Pa，最大压力降和最小压力降偏差值仅为10.3%。由此可见小管径的进气外接管有理由改善发动机进气不均匀性。

图11 局部流速分布云图

由模拟计算获得各缸进气流量如图12所示，可以看出在管径增大的过程中进气量也有所增加。通过进气不均匀性的评价公式算出最大不均匀度分别为10.3%，11.3%和14.5%。可见小管径可以获得更好的进气均匀性。

图12 各缸进气流量

3.2 进气支管长度对进气不均匀性的影响

设计方案如表4所示。

表4 进气支管长度结构参数（方案7～9）

图13和图14分别是不同进气支管管长下各缸进气的气体流速云图和压力图，图15为局部流速分布图。其压力损失和流动阻力的规律与前面一样。气体从谐振腔流入进气支管时流速开始加快，并沿着歧管走向逐渐加大。随着管长的增加，出口处流速略有提高，各缸出口处流速都有3%左右的增幅，其中方案9中2缸流速最大为95.41 m/s，比方案7中2缸流速最大值增加了3.1%。

图13 不同进气支管管长流速分布图

图14 不同进气支管管长压力分布图

图15 局部流速分布图

气体进入歧管有两种形式，一种在进气过程前一段时间，气体依靠缸内外进气压力差流入气缸，另一种是依靠气体本身的惯性进入气缸。通过对气体波动理论的分析可以知道惯性效应只发生在进气歧管的支管中，并且其压力波的相位由支管的长度来决定，同时由于波动效应在谐振腔内完成后再经过进气支管传到进气门，而这个传播的时间也会随着其传播路径而改变。而长管更有利于提高惯性效应。方案9中压力降最大值为1 015Pa，平均值为920Pa，压力偏差为9.8%，而方案7中压力偏差为10.9%，方案8压力偏差为10.3%。由此可知进气支管的长度增加有利于改善发动机进气不均匀性。

通过计算得出各缸进气流量对比结果，如图16所示。算出最大不均匀度分别为11.3%，10.9%和10.4%。因此可以看出进气不均匀度随着管长增加稍有改善。

图16 各缸进气流量

3.3 进气歧管谐振腔容积对进气不均匀性的影响

设计方案如表5所示：

表5 进气歧管谐振腔结构参数（方案10～12）

一般谐振腔都选择直管形式，而尽可能不选取非过渡弯管。同时考虑到发动机的有限布置空间，不宜对谐振腔的长度进行加长改动，因此，谐振腔的管径变化实际上就是谐振腔容积的变化。

图17 不同谐振腔容积流速分布云图

图18 不同谐振腔容积压力分布图

图19 一缸局部流速分布

不同谐振腔容积流速分布云图、压力分布图如图17、18所示，一缸局部流速分布如图19所示。谐振腔与进气支管和外接管相连，相当于一个中转站，将吸入的空气汇聚后再分散到各支管中。随着容积增大谐振腔内气体压力分布越来越稳定。通过不同容积下谐振腔两端的气体流动状态可以看出，在谐振腔管壁附近的回流现象随着容积增大而减小。但大容积内的气体流动空间增大，使得压力波不能被良好利用。容积增大的过程中各进气支管中流体速率变化较为接近，说明进气均匀性有所提高[12-14]。

谐振腔容积增大的过程中我们可以看出方案12中的3缸和4缸进气时，气体已经基本均匀地流动于谐振腔内，此时如果继续扩大容积，那么谐振腔将真正地变成一个稳压装置，使其腔内压力基本维持在一个常数，这样就使得谐振强度降低，降低了气体的波动效应。

各缸进气流量如图20所示。算出最大不均匀度分别为9.6%，10.2%和11.3%。发现容积增大过程中进气不均匀性有所好转。

图20 各缸进气流量

3.4 进气歧管几何结构优化设计

通过对进气歧管进气不均匀性的分析，发现在随进气歧管结构的改变过程中，发动机的进气均匀性还有很大的改善空间。通过正交试验的方法最终选定了一款相对较好的进气歧管几何结构。其结构参数如表6所示。

表6 进气歧管结构参数优化结果

图21 改进前后各缸进气流速分布对比

改进前后各缸进气流速分布对比、压力分布对比分别如图21、22所示，改进前后各缸进气量和进气不均匀度如表7所示。改进后进气不均匀度为6.9%。相比改进前的进气不均匀度11.3%有明显好转。由温度分布图和流速分布图可以对比看出：改进后各缸进气时，在谐振腔内气体流动速度分布明显较改进前更加均匀，各缸进气门处的流速分别为91.33 m/s，93.41 m/s，90.94 m/s，90.12 m/s。最大偏差值下降为5.5%。同时在改进前谐振腔内的大面积低速区域也有明显减小，气体在从进气外接管流入谐振腔时，填充速度明显增加。气体压降也有明显改善，进气压力平均值提高了321 Pa，最大压力差值也减小了50 Pa，在很大程度上提高了系统进气量，并且改善进气不均匀性。

图22 改进前后各缸压力分布对比

表7 改进前后各缸进气量和进气不均匀度

4结论

应用AVL BOOST和FIRE软件，通过一维三维耦合计算，对进气歧管几何结构对多缸柴油机进气不均匀性的影响进行了分析，并做出了优化改进。

1）进气歧管外接管的管长和管径对发动机的进气不均匀性都有较大程度的影响。随着管长的增加，各缸进气压力最大差值减小了113 Pa，平均进气流速增加了1.6%，进气不均匀性降低到10.6%。进气支管加长，可以提高气体惯性效应。在管长增加的过程中，气体流动速度增加，各缸进气压力差值减小，进气不均匀度得到改善，达到10.4%。

2）谐振腔主要起到稳压作用，在体积过大时，使腔内气压处于一个稳定值，不利于气体动态效应。但容积过小就会使腔内气体流动发生紊乱。在设计方案中，充分考虑了容积过小的影响，所以并未出现该状况。由仿真结果可以看出在一定范围内小容积谐振腔能更良好地利用气体波动状态，使每缸的进气量都提升了0.5%以上，同时各缸进气量差异减小，改善了进气不均匀度，仅为9.6%。

3）通过正交试验，最终选定了优化方案。通过仿真计算，各缸进气流速都较改进前提升了近1个百分点；进气压力平均值提高了321 Pa，最大压力差值也缩减50 Pa；进气均匀度为6.9%。较改进前的11.3%有明显提升。

1范爱花.基于CAD/CFD的塑料进气歧管流场分析及结构改进[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011

2樊新海，刘建敏，安钢，等.基于排气噪声的坦克柴油机各缸工作不均匀性评价[J].内燃机学报，2004，22（4）：363-366

3赵嘉鼎，倪琴华，王永达.进气管结构参数对四冲程多缸高速车用柴油机充气效率及性能的影响[J]．内燃机工程，1982（4）：35-51

4蔡忆昔.多缸发动机进气瞬态过程的计算机仿真[J].内燃机工程，1997，18（2）：25-32

5高宗英，蔡忆昔.汽油机进气过程和各缸进气均匀性的研究[J].燃烧科学与技术，1995，1（2）：104-110

6薄清荣，樊久铭，孙绍重，等.利用谐振进气改善柴油机的性能[J].哈尔滨工业大学学报，1998，30（1）：125-128

7韩同群，马祥宁.应用CFD/CAD技术对柴油机进气管进行优化设计[J].内燃机，2006（1）：13-16

8罗马吉，陈国华，蒋炎坤，等.多缸柴油机进气管三维定常湍流流场数值分析[J].华中理工大学学报，2000，28（10）：46-48

9杜巍，刘福水，乔葳蕤.发火顺序对增压柴油机进气不均匀性影响的研究[J].内燃机工程，2011，32（4）：87-92

10杜巍，刘福水，李志杰.增压柴油机进气压力波动规律的试验研究[J].内燃机工程，2008，29（3）：37-40

11杜巍，单文诣，刘福水.排气管结构对多缸增压柴油机进气不均匀性的影响[J].北京理工大学学报，2012，32（6）：580-584

12崔怡，高莹，李君，等.进气歧管结构对进气不均匀性影响的仿真研究[J].小型内燃机与摩托车，2009，38（2）：37-40

13宁珺，党丰玲，阳娜，等.进气歧管结构对进气流动影响的数值模拟[J].汽车科技，2011（5）：32-36

14罗马吉，陈国华，蒋炎坤，等.进气管内三维稳态流动特性的数值分析[J].小型内燃机与摩托车，2001，30（2）：1-4

Effect of Intake Manifold Structure on the Charge Homogeneity for Diesel Engine

Zeng Xiang1,Lei Jilin1,Yang Yongzhong2,Zhang Ning2,Yang Lianbao2,Peng Hu2
1-Yunnan Province Key Laboratory of Engines,Kunming University of Science and Technology (Kunming,Yunnan,650500,China)2-Kunming Yunnei Power Company Limited

During intake process of engine,the charging efficiency of cylinder and non-uniformity of intake air are affected by resonance effect which is produced by pressure waves in the intake manifolds.While inertia effect of gas,length of travel path of pressure waves and phase of residual pressure waves are directly influenced by geometry of intake manifold of diesel engines,based on a 4-cylinder diesel engine,geometric models of intake manifold and cylinder are established and one and three dimensional coupling calculation is carried out using AVL BOOST and FIRE to investigate effects of length and internal diameter of air inlet pipe,length of inlet manifold and resonator cavity on non-uniformity of intake process.Also,optimum designs of geometry of intake manifold are discussed.Results show that it could obviously ameliorate non-uniformity of intake air to increase the length of air inlet pipe and inlet manifold,use a minor-caliber inlet pipe and low-volume resonator cavity.which makes it possible to optimize the geometry of intake manifold.

Diesel engine,Non-uniformity of intake air,Resonance effect of gas,Intake manifold,Optimum design

TK422

A

2095-8234（2016）06-0049-09

2016-11-03）

国家自然科学基金项目（51105184）、云南省科技计划重点项目（2014FA026）。

曾响（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向为内燃机现代设计。