eq491电喷发动机进排气系统的匹配优化计算

eq491发动机是东风汽车集团从德国福特公司引进的化油器式发动机，主要用于轻型载货(客)车。为了满足我国将于2000年实施的新的排放法规，采用电控燃油喷射(efi)加三效催化器(twc)已势在必行。为保证化油器式发动机改电喷机型后不但排放水平要达标，而且动力性和经济性也要有一定程度的提高，根据国外经验，必须重新设计原发动机的进排气系统。过去的经验设计法是一种试凑法，设计周期长，消耗大，难以得出最佳设计方案，无法满足现代内燃机设计要求。近年来，随着计算机技术的发展，计算流体力学(cfd)软件在发动机工作过程的研究中得到广范应用［1］，大大缩短了发动机的研究开发周期。本文采用的gt—power是一个基于window操作系统的适合分析各种发动机性能的cfd软件［2］，它以一维流体动力学为基础，用有限体积法进行数值计算，充分考虑了因可燃混合气的组份不同导致其热力学性质的差异，而且能用于研究一些进排气系统结构因素(如分歧、合流和弯曲等部分)对流动的影响；此外它应用数学优化方法进行参数寻优，使得对发动机进行不需要人为经验控制的优化设计成为可能。本文利用该软件对eq491电喷发动机的进排气系统结构参数进行了匹配优化计算，以期从理论上指导发动机的改型设计。1 模型的建立gt—power采用模块结构建立发动机工作过程计算模型。发动机的元件(如气缸、空滤器、催化器、管接头和管道等)模块用方形图框表示，而元件之间必须用圆形图框的连接件连接。发动机的所有结构参数和特性参数在相应的元件模块和连接件模块中定义，连接件可以有具体的物理定义(如气阀连接件和喷嘴连接件等)，也可以只具有象征意义(如发动机与气缸连接件、管道之间的连接件等)。图1为eq491电喷发动机整个进排气系统的计算模块。它主要由气缸、进气和排气系统3大部分组成。模块参数详细的定义和选择可参考有关文献［2，3］。这里仅对电喷发动机进排气系统的建模进行简要说明。图1 eq491电喷发动机进排气系统计算模块结构电喷发动机进气系统主要由空气滤清器(cleaner)、喉口(throttle)、稳压谐振腔(inman1～4)和进气歧管(inr1～4)等模块组成。因为软件中没有现成的空气滤清器模型，所以需要利用其它模块来构造。这里把空气滤清器当作一个管道处理，管道的当量长度根据实际空气滤清器的阻力确定。为了计算进气歧管长度对发动机性能的影响，在inr1～4模块中将进气歧管长度设定为可变参数。排气系统主要由歧管(exp2-3、exp1-4)、总管(takedown)和催化器(catal)等模块组成。目前，汽车上安装的催化器载体几乎都是陶瓷蜂窝载体，它由许多大小相等的小通道组成，因此蜂窝载体可以定义为多管道模型，而载体两端的过渡管接头可以由流动分叉(fsplit1～2)元件来定义。为了计算排气歧管长度对发动机性能的影响，在exp1-4和exp2-3模块中将排气歧管长度定义为可变参数；为了研究催化器位置对发动机性能的影响，在takedown模块中将排气总管的长度定义为可变参数。2 模型的验证为了评价所建模型的计算精度和可靠性，将模拟结果与试验结果进行了对比。试验数据是在原化油器进气系统改为多点喷射进气系统的基础上，按发动机外特性工况运行得到的。图2为扭矩、功率和燃油消耗率的计算结果与试验结果的对比。图2 扭矩、功率和燃油消耗率的计算结果与试验结果对比从图中可以看出，计算结果与试验值误差不超过12%，大多数工况下的误差都在5%以下；模拟结果与试验结果吻合良好，两者变化规律基本一致，说明软件具有较高的计算精度和可靠性，可以用来对发动机进行变参数优化计算。3 匹配优化计算3.1 进气系统的优化计算电喷发动机进气系统结构参数中对发动机充气效率影响最大的是进气歧管长度 。本文主要针对进气歧管长度进行了优化计算，计算时设其它参数与原eq491发动机的相同。选择典型工况为5500r/min(标定转速)、3500r/min(最大扭矩转速)和3000r/min(监控点转速)。图3为发动机外特性扭矩和燃油消耗率随进气歧管长度的变化情况。图中竖线表示发动机原结构参数尺寸(下同)。在低速工况下，随进气歧管长度的变化，燃油消耗率变化不明显，而扭矩变化比较明显，尤其是3 000r/min工况时的扭矩，在歧管长度大于420 mm时有很大提高。兼顾发动机不同工况下的有效扭矩和燃油消耗率，进气歧管长度设计为580 mm比较合适。图3 扭矩和燃油消耗率随进气歧管长度的变化情况3.2 排气系统的优化计算排气系统对发动机性能的影响主要是通过压力波对扫气干扰而产生的，其影响程度随排气歧管长度变化而不同。本文对排气歧管长度进行了优化计算，计算时其它参数都设定为原eq491发动机的结构参数。图4为外特性扭矩和燃油消耗率随排气歧管长度的变化。图4 扭矩和燃油消耗率随排气歧管长度的变化由图可知，排气歧管长度对燃油消耗率影响不大，但对外特性扭矩特别是对低速扭矩的影响比较明显。在500mm～700mm范围内，5500r/min和3500r/min时的扭矩变化不大；而3000r/min的扭矩随排气歧管的增长而提高，最大可提高15%以上。由500mm开始，随排气歧管的缩短，3500r/min时的扭矩几乎呈线性地减小，缩短至160mm时，扭矩减小了15%以上。eq491发动机现在排气歧管长度为540mm，若进一步增加其长度，对外特性的标定转速和最大扭矩转速时的性能影响不大，而3000r/min时的扭矩在本设计中并不追求：若进一步缩短其长度，则最大扭矩转速时的动力性下降。因而现有排气歧管长度是合适的。如要求发动机在各工况下都具有比较满意的性能，则必须对其排气系统进行重新设计。3.3 催化器及安装位置的影响催化器的流动特性及其安装位置对发动机动力性和经济性有较大的影响，其安装位置对催化器的起燃性和转化率也有影响。这里仅从动力经济性方面研究催化器及其安装位置对发动机的影响。3.3.1 催化器的影响图5为有无催化器时发动机性能的对比。由计算结果可以看出，在加了催化器之后发动机标定工况和最大扭矩工况时的扭矩分别下降了3.2 %和3.8 %。其它工况点甚至有超过10 %的，燃油消耗率也略有上升。由此说明，单是加装催化器而不对排气系统作匹配优化，发动机性能会有较大损失。但在3000 r/min时，发动机动力性反而有所提高。从压力波的分析可知，这是因为3 000 r/min工况下未装催化器的进排气系统有扫气干扰，加了催化器后排气系统的压力波发生了平移，导致排气压力波在进排气重叠角期间是波谷，对发动机扫气很有利，因而扭矩增大。图5 有无催化器的扭矩和燃油消耗率的对比3.3.2 催化器安装位置的影响催化器是安装在排气总管之后，总管长度变化反映了催化器的安装位置变化。总管长度愈长，催化器离发动机愈远。图6为发动机扭矩和燃油消耗率随排气总管长度的变化。图6 扭矩和燃油消耗率随排气总管长度的变化从计算结果可以看出，在491发动机目前的设计方案中，催化器位置对发动机动力性和燃油经济性的影响不大，只有在3 000 r/min排气总管长为1400 mm左右时扭矩下降很多。说明排气总管长为1400 mm左右时催化器失去了扫气干扰的作用，所以催化器应安装在总管长小于700 mm或大于2200 mm位置，在此基础上再考虑对催化器起燃特性和转化率的影响。4 结论4.1 本文用gt—power建立了eq491电喷发动机工作过程数值模拟模型，并对所建立的模型进行了验证。计算值与试验值吻合良好，模拟结果与试验结果变化规律基本一致，模拟误差在工程允许范围内，可以用来对发动机进行变参数优化设计。4.2 优化计算表明，电喷发动机的进排气系统对发动机的动力经济性有很大影响。进排气系统与发动机的匹配优化是电喷发动机设计过程中非常重要的一环。4.3 可以根据不同的使用设计要求，从优化计算得到的数据中对eq491发动机结构参数进行选择。通过对进排气系统的优化设计可以消除该发动机在3 000 r/min工况下的扫气干扰，提高该工况下的扭矩和功率。选自《车用发动机》 ——此文章转载于互联网，文中观点与本网站无关，如有侵权请联系删除