8190柴油机排气管仿真及优化研究

2018-04-09

福建质量管理 2018年6期

(长安大学汽车学院　陕西　西安　710061)

前言

涡轮增压技术的核心是涡轮增压系统，涡轮增压的原理是依靠燃烧产生的废气经过排气管系统之后在涡轮中进行再次膨胀做功，废气中的能量转化为涡轮机中涡轮的机械能，从而带动压气机做功；涡轮增压器对能量的利用又很大程度上受排气管结构的制约。本文依此设计并仿真了采用机电联合控制的8190柴油机排气管系，并对比新设计的排气管与MIXPC排气管之间的性能差异。

一、仿真条件

原机排气管结构

原机MIXPC排气管结构：8缸发动机第2缸和第3缸的废气从缸盖的排气道出口排出后经历排气支管，之后第2,3缸的排气支管固结后接入混合管，再与第1缸的排气支管固结，左侧的(1+(2,3))再与第4缸排气支管共用一侧排气总管，另一侧排气管结构同左侧对称布置。之后中置的排气总管接入涡轮增压器的涡轮进口一侧。排气支管废气入口管径为80mm，之后逐渐扩张至84mm,废气紧接着流入到混合管，混合管管径118mm[2]。

二、针对原机建立的模型

使用GT-POWER软件建立的原机中置MIXPC模型，其所有参数都按照实验测量数据严格设置，所用的燃烧模型是零维韦伯燃烧模型，是一种“黑箱”模型，精确度有所欠缺，只能通过经验调整其中参数，与之对应的着火延迟期和喷油提前角都按照经验优化设计后选定。在进行新机排气管系仿真之前，先校核好原机MIXPC排气管系的模型，保证所有仿真所得数据与原机实验数据的相对误差小于3%。

三、新机建模

(一)机电联合排气管控制策略说明

机电联合排气管控制结构如图1所示：

图1　新机排气管模型示意图

(二)GT-POWER新建立的排气管结构

用GT-POWER建立优化后的排气管结构，仿真过程中保证发动机主体参数不能变化，并且保证总的涡轮通流面积不能变化，而其中的管径和管间夹角经过仿真实验之后以性能最佳为目的取最优值。

四、结果与分析

(一)发动机性能对比

采用两种排气管系统的发动机性能对比如图2所示。低转速工况时，采用优化后排气管系统的发动机动力性能有所提高。其主要原因有两个方面：一是两个脉冲转换器增压系统近似独立工作，能够有效抑制扫气干扰，降低残余废气系数，保证燃料燃烧环境，提高指示热效率；二是两个涡轮增压系统为脉冲转换器增压系统，当量通流面积较小，并且采用转换器，可以充分利用低速时的脉冲能量，能够提高低速工况的增压压力，两方面原因共同作用下提高发动机低转速功率。高转速工况时，采用优化后的排气管系统的发动机的动力性能与原机MIXPC排气管系统的发动机的动力性能基本持平。其主要原因是：高转速时形成高增压，高增压时如果单独使用脉冲转换器增压系统会增加废气能量的损耗，这会使发动机功率下降，然而通过开启切换阀门使三个增压系统同时工作，增加了当量涡轮通流面积，提高了稳压能力，减少了脉冲转换器增压系统存在的压力波的反射，充分发挥了高增压时MIXPC系统的优势，从而维持了发动机的功率。

图2　新机和原机功率对比

(二)经济性对比

采用机电联合的排气管系统与中置MIXPC排气系统的发动机经济性对比如图所示。低转速工况时，采用机电联合的排气管系统的发动机经济性能有所提高。其主要原因有两个方面：一是两个脉冲转换器增压系统近似独立工作，能够有效抑制扫气干扰，降低残余废气系数，提高进气效率，保证良好的空燃比，并且改善燃料燃烧环境；二是低速工况的增压压力提高，进入气缸内空气的密度增加，气流速度增加，气流运动增加，使喷入汽缸的燃油雾化更加充分，燃烧效率提高。高转速工况时，采用机电联合的排气管系统的发动机的经济性能与原机MIXPC排气管系统的发动机的经济性相比有所提高。其主要原因是：高转速时形成高增压，过量空气系数增大，空气利用程度改善，燃烧效率提高，燃油经济性变好。