4105增压柴油机排气系统模拟分析

柏水通

摘要：排气系统是柴油机重要部件之一，对柴油机的性能、噪声等方面有很大的影响。为了更高效的优化排气系统，采用GT-POWER软件建立了柴油机排气系统模型，并对4105柴油机排气系统进行模拟分析。研究了排气支管长度、管径，排气总管管径，排气歧管管径变化对发动机性能的影响。通过选取不同数值来比较柴油机的扭矩、功率和充气效率。最终确定排气支管管径、长度以及排气总管管径等参数。为4105柴油机排气系统的设计提供理论参考。

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.

关键词：柴油机;排气系统;GT-POWER;模拟分析

0  引言

排气系统是柴油机重要部件之一，对柴油机的性能、噪声等方面有很大的影响[1-2]。排气歧管的结构还影响着排气均匀性，设计不合理的排气歧管的流速均匀系数较小，对发动机的排放产生很大影响。柴油机排气系统的优化设计对柴油机整体性能有较大的影响，随着对柴油机产品使用要求的不断提高，传统的设计方法已经不适应现代内燃机的开发需求，采用模拟仿真技术不仅可以提高排气系统的开发效率，也能够降低成本，缩短开发周期。

刘德辉等[3]针对全柴490柴油机，采用GT-Power软件对进排气系统进行了数值仿真，并与实验数据进行了对比，验证了模型的有效性。邹健等[4]针对某四缸增压柴油机在低速段扭矩偏小的情况，使用 CFD 软件 Open FOAM 对原排气管内部流场进行了计算分析，根据分析结果设计了新的双脉冲排气歧管。

本文中所研究4105增压柴油机借用的同类机型的排气系统，为了更好的优化发动机性能，文中根据柴油机现有排气系统的结构在GT-Power 中建立数值仿真模型，通过仿真分析，提供一种适合于该机型的专用排气系统，进一步提高发动机的各项性能指标。

1  发动机参数及模型

1.1 柴油机参数

4105柴油机是一款直列、水冷、两气门，四冲程涡轮增压四缸发动机，发动机气缸直径105mm，形程127mm，压缩比为18.5，标定功率转速分别为100kW和2400r/min，發动机在1800r/min具有最大扭矩，为458 N·m。

1.2 发动机排气歧管模型

4105柴油机排气歧管的三维图如图1所示。根据4105柴油机进排气系统的实际几何尺寸和特征参数建立GT-Power一维计算模型。

2  模拟计算结果与分析

2.1 排气支管长度对发动机性能的影响

选取排气支管长度分别为10mm、30mm、50mm、100mm来分析其对发动机性能的影响，计算仿真结果如图2所示。

从图2中可以看出30mm、50mm、100mm长的排气支管的最大扭矩值相当，排气支管长度为10mm时扭矩值偏低。从功率曲线可以看出，四种排气支管长度功率值相当。综合来看，排气支管长度超过30mm后对发动机影响很小，在30mm以下具有一定影响，考虑到安装和尺寸要求，可以选取30mm。

2.2 排气支管管径对发动机性能的影响

选取不同排气支管管径来分析其对发动机性能的影响，具体的计算仿真结果如图3所示。

由图3可以看出排气支管管径大于50mm时扭矩值基本一致。管径20mm的时候扭矩值较小。同样，管径大于50mm时功率也相近，2500r/min达到最大功率;管径20mm时，最大功率点在2000r/min，整体功率值偏低。综上研究表明，支管管径在50mm以下可以达到较优的发动机性能，综合排气歧管的安装和尺寸要求，可以选择排气支管管径45mm。

2.3 排气总管管径对发动机性能的影响

排气总管直径对排气流量、排气背压都有一定影响，所以进一步开展排气总管的管径对发动机性能影响的研究。计算仿真结果如图4所示。

管径较小时（20mm）整体扭矩值较小，管径在50mm时具有最大的扭矩值。相类似的情况，在功率曲线中，20mm管径的发动机功率整体偏低，50mm以上管径的情况下，发动机功率值整体较高，50mm管径的发动机有最好的性能。管径较小时，由于排气背压增大，降低了发动机的性能，而管径较大时，排气流量增大，不利用热量利用，导致性能略有降低。综合发动机排气总管的安装要求以及制造成本，选择排气总管管径50mm。

2.4 排气歧管管径对发动机性能的影响

不同排气歧管管径的仿真结果如图5所示。

总体上来看，排气歧管管径大于50mm时对发动机性能影响不大，在管径小于50mm的情况下，会降低发动机性能。排气歧管管径20mm时，稳压腔体积偏小，排气背压加大，影响废气的排出，从而影响了发动机性能整体性能。

综合考虑排气歧管的安装要求以及增压器和废气再循环系统的安装，选取排气歧管直径为50mm。

3  结论

本研究借助于GT-POWER软件研究了排气支管长度、管径，排气总管管径，排气歧管管径对4105增压柴油机功率、扭矩、充气效率的影响。通过模拟分析发现，排气支管的长度变化对发动机的性能影响不大，而排气支管的管径、排气总管的管径、排气歧管的管径对发动机的性能影响具有较大影响。在模拟仿真的基础上我们给出了4105增压柴油机排气管的推荐尺寸，为4105柴油机排气系统的优化改进提供理论参考。

参考文献：

[1]郑子健，翁建生，袁磊，孙鹏飞.国五标准柴油机排气系统声学性能研究与设计[J].噪声与振动控制，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]刘德辉，石柏军，章雪华.基于GT-Power的柴油机进排气系统多目标优化[J].重庆理工大学学报，2016，30（7）：30-37.

[4]邹健，吴建财，严金龙.四缸柴油机排气歧管的设计及内流场分析[J].内燃机与动力装置，2015，32（05）：42-45，78.