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Proceedings of the ASME 2015 International Mechanical Engineering Congress and Exposition

IMECE2015

November 13-19, 2015, Houston, Texas

IMECE2015-53612

AN INTAKE SYSTEM OPTIMIZATION OF A HEAVY DUTY DI DIESEL ENGINE

USING CFD ANALYSIS

重型直喷式柴油机进气系统的优化

利用CFD分析

Kareem Emara

Mechanical Power Engineering Department

Faculty of Engineering-Mataria – Helwan

University, Cairo, Egypt

Eng_kareem73@yahoo.com

Ahmed Emara

Mechanical Power Engineering Department

Faculty of Engineering-Mataria – Helwan

University, Cairo-Egypt

aaarazek@gmail.com

Elsayed Abdel Razek

Mechanical Power Engineering Department

Faculty of Engineering- Misr University for

Science amp; Technology

Cairo-Egypt

sayedm2000eg@yahoo.com

摘要

作为进气系统的设计，对于内燃机的最优性能而言是意义重大的。这项工作的目的是在直喷式柴油机优化进气系统的几何结构，这项研究涉及三个不同的进气歧管安装在一个完全仪表、六缸、直线、水冷却、19.1升排量的直喷式重型柴油机的影响。应用这些流形的湍流流动的三维数值模拟，该模型是基于求解纳维-斯托克斯和能源与标准k -ε湍流模型和εANSYS CFX 15假设连词方程边界条件。这一模拟的数值结果，提出的形式的流场速度以及压力场的进气系统的优化设计，并进行建模，它可以提供一个精细的知识。在流动结构中，以检查适当的歧管，发动机的性能特性，如制动转矩、制动功率、热效率和特定的燃料消耗也进行了评估的影响的变化的进气歧管的几何形状和验证的优化设计。仿真和实验结果证实了优化的歧管几何形状的发动机性能的有效性。

术语表

CFD 计算流体力学

CIE 压缩点火发动机

DI 直喷式

EGR 排气再循环

HP 小时功率

SFC 耗油率

TDC 上止点

引言

进气系统配置对发动机性能及其污染物排放起着重要作用。它直接影响气体的流动行为，在缸内新鲜混合气的运动量和直接的填充率，热交换和燃烧的质量。由于多维度的流动几何形状和发动机的高度短暂的操作[ 1 ]，描述流体流动的内部的复杂的感应几何形状是比较困难的。有许多研究，实验和理论，试图理解这个难题。进气歧管稳态流动的计算研究已经由B.M. Angadi完成了[ 2 ]，采用计算流体力学和流体力学计算程序，模拟了集成在流形口和阀内的三维流场，预测了各种阀瓣的流动结构。从稳态分析，个别被确定的滑行装置的压力下降。由Froode介绍了双进气歧管的研究[ 3 ]，在概念上的差异，歧管设计和进气系统配置的考虑，通过流程仿真验证了概念的性能，并验证了其可行性。空气液化气（液化石油气）进气歧管混合气制备的研究已经被M.A. Jemni应用[ 4 ]，利用计算流体力学模型对混合物进行了研究。双流形形状被使用为了检验流动性和空气均匀性的充分设计，结果表明第一歧管的有效性。L. cornolti借助研究一维热流动力工具和详细的实验数据对现代四缸涡轮增压柴油发动机进气系统的非定常流动进行了详细的分析描述 [ 5 ]。一种修正偏差的质量流量估计的系统设计方法的模型是由波洛尼提出的[ 6 ]。应用修正的方法，利用估计的偏差，在最小二乘意义下重新修正条款之间的不确定的流量图，然后添加到估计的质量流量。结果表明，校正方法提高了裸眼估计空气质量流量的测量对进气道气流数据验证。该实验研究具体介绍了基于传感器（如热线风速仪）或间接估计通过歧管压力。在进气冲程中增加了缸内压力，以推断出被困的空气质量，对2种不同增压柴油机的方法进行了验证，并与标准方法进行了比较[7]。本工作的第一个目标是提供一个精细的在流动的空气动力结构，使用数值模拟的进气系统的知识。这允许，特别是，检查进气歧管的最佳几何形状。第二个目标是，用实验方法确定所选进气歧管设计对发动机性能的影响。

问题的定义

进气歧管的重要设计标准是低空气阻力，良好的空气和燃料之间的气缸和分支长度的分配。在重型汽车六缸直喷式柴油机的研究过程中，在表1中给出了发动机规格，并发现了现有的进气歧管具有较高的压力降。它有助于增加旋流数，并具有相当的下降，在感应效率，因此需要更简单的改进设计是必需的。

表1：测试发动机规格

参数规格 数值

发动机型 直喷式柴油机

缸径x冲程[毫米] 150x 180

吸气式 涡轮增压

汽缸数 6

位移量[升] 19.1

最大功率[高压] 350hp

最大扭矩[纳米] 1400 @ 1350转

点火顺序 1-5-3-6-2-4

压缩比 15：1

这项研究是试图解决现有的设计成简单的设计与拆除的锋利的角落和增加半径的墙壁，以减少附近的墙壁，提供更高的收益率。流道设计也将被审查，以提供最小可能的阻力，并最终设计产品应满足发动机性能要求。

数值模拟（数值模拟）

几何研究和设计修改

在当前的研究中，三个设计的进气歧管在图1和图2所示为研究inintake流形的流量和流速和压力分布的行为发生在流形。现有的设计命名的，而两个升级的设计做为B和C的现有设计具有宽度和高度70个矩形截面和80 mm。对附着在进口矩形管端100mm 80mm直径和长度的直进管，带尖角的去除。直管连接的矩形管与压缩机出口。

图1：不同的进气歧管的设计

二次设计具有相同的矩形截面与更换的直入口管垂直的80毫米直径的垂直圆管连接到端头加入到歧管与涡轮增压器的压缩机出口。在第三模拟中，矩形截面是由一个80毫米和7毫米厚的内直径直缝钢管圆截面取代。所有进气歧管的总长度保持恒定在1000毫米。这些尺寸已被精心挑选，以实现连续性方程，也履行必要的空气要求的发动机。同时，设计已被修改了好几次，特别是在锋利的角落的处理结束。用于分析的计算流体力学技术，包括在出口端口的速度和压力分布的比较。消除了急转弯处的设计改进，增大了墙的半径，减小了墙附近的挠度。模型的流动性更偏向于靠墙附近的壁面，而不是模型的一个和减少有效的出口区域。在模型和模型比较的基础上，模型和模型之间的差异是在出口附近的形状和集电极截面和入口附近的形状。

图2：优化进气歧管

模型设计A的减少流偏转在出口的每个端口和模型设计B减少压降，靠在出口附近墙上的C型流比模型B的偏少。对模型C的设计进行了改进，以减少压力损失，用CFD再次进行计算，计算结果表明：模型C的压降比模型A与B的压力降要小。

网格划分

计算流体力学在很大程度上是用来模拟非平稳的发动机流动。在这项研究中，常用的CFD工具FloWorks应用。FloWorks具有进口几何直接从计算机相关设计的优点（CAD）程序如Solidworks。在开始时，使用的固体工程（软件）软件，如图1所示的进气歧管的三维几何结构。由SW模型导入FLO作品为最终构建网格仿真计算。该模型采用四面体式啮合啮合软件。综合网格敏感性研究，检查网格大小，分布和分辨率的影响。网大约有289245个节点和1586290个元素的最小和最大网格尺寸为0.110080毫米和22.0150毫米，分别如图所示。为了达到最佳的设计质量，采用了平均值等于0.85951的网格，对网格进行了多次修改。这个值意味着质量是非常好的，将接受。这些步骤的网格生成被施加在三个不同的设计具有相同的值。模拟运行的二维斯托克斯方程–Kε两方程湍流模型在稳态条件下。雷诺兹数计算为295454。利用CFD软件ANSYS cfx15进行流动模拟。用于分析的计算流体力学技术，包括速度和压力分布的比较。

控制方程

气体动力学方程的守恒和热力学定律的表达式。基于湍流模型的非定常三维流动。气体被定义为可压缩粘性流体。标准模型Kɛ求解流动问题，执政里面三进气歧管结构。控制流模型方程，包括质量守恒方程、动量守恒和能量守恒方程，总结了naviere保守形式的斯托克斯方程[ 1 ]。

图3：网格生成样本

在某重型柴油机进气歧管中进行边界条件仿真试验。为了简化计算，假定流形是绝热的：没有与外界的热传输[ 8 ]。理想化进气歧管内的流动计算为完全发动机循环（或四发动机转）的持续时间。

在Dee-20计算机上的洛迪代码已被使用，模拟的总时间约为50小时。为发动机转速的仿真试验，对应于最大转矩和只有在抽吸的第一和第四缸。如表2所示的边界条件。

表2：发动机的基本技术指标

质量流量（千克/秒） 0.4

压缩机出口温度(K) 356

压气机出口处的空气密度（千克/秒）1.4681

发动机容积效率 0.93

压缩机的效率 65%

增压压力（bar） 1.5

发动机转速（转） 2000

空气动力粘度mu;(千克/米.秒) 1.789E-5

结果与探讨

通过进气歧管的流动结构进行了研究，空气流量按点火顺序对发动机缸进行扰动。在不同条件下进行了分析：

1）第一和第四流道开

2）第二和第六流道开

3）第三和第五流道开

该分析将被分为两个主要部分。第一部分讨论了所有设计的进气歧管内的压力降和速度分布概况，选择适当的进气歧管设计。第二部分介绍了优化设计的一个完整的研究。当一缸和四缸开的时候，压力降和进气歧管增压室的所有模型速度大小分布在图4和图5分别位于中心线管。它是观察到的基础上，三个模型之间的比较，模型C的设计目的就是以减少压力降。模型A，B，C之间的差异在出口附近的形状和入口附近的集电极形状中被展示出，前者模型A减少了每个端口出口处的流量偏转，后者模型B减少了漩涡。靠在出口附近的墙上，C型流比B型流受到的偏转更少，关于模型C设计的一些修改是为了减少压力的下降并且CFD的计算可以再一次进行。CFD计算结果，如图4所示，结果表明模型C的压力降比模型A的要小除了一缸的情况外。B模型的压力降比A的要小除了一缸的情况以外，此外，C模型的压力降比B模型的也要小。如图4所示，在进气歧管的情况下，一和四流道的压力降是彼此接近的，这可以证明进气歧管的良好设计，分发到了气缸的均匀空气中。但在流道1的前端，由于入口管的形状是垂直于设计A的入口管的形状，这导致减少空气进入的量的空气进入1流道，与其他缸相比迅速下降。这是由于在高速气流的向前运动。然后，压力将逐渐增加，直到达到4流道，流动是在4个产生高压阻力的主要流的流道中累积的。

图6显示了在开放条件下，第一和第四转轮的速度轮廓曲线，它被观察到速度下降，作为通过腔室的流动来进行，这是由于在增压室的区域内突然增加的缘故。

图4：压力降剖面与进气管长度

图5：速度分布与进气管长度

它是观察到，当一流道和四流道在通风管内的速度分布与进气歧管乙和碳的变化显着，发生在入口区域的第一和第四流道。很显然，在第二、第三、第五和第六流道中没有发生流动，这些机器的速度非常低。在进气歧管的情况下，有一个大的增加，在进气室的流速，这可能是由于在通风管的入口区域的入口管的急剧弯曲，形成的分离区，从而减少该地区的流量。跟四缸相比1的速度很慢，从图中可以看出，在所有的流道和增压室中，有一个适当的流量分布与其他的歧管相比，因此，它是更好的选择。

图6：1，4流道在开放条件下的速度轮廓图

图7显示了第一和第四流道开放时的压力等高线图。由于在静压室的入口管的上端处发生了流体的停滞，产生了高压区。观察到的压力降在流道内的压力降是不均匀的，较高的压力下降，观察到的一个流道，这是由于大流量分离区附近的一缸。对进气歧管（A）指出，在流道内压力变化不是很大。在其他的情况下，同时空气进入设计的流道（A）几乎具有相同的压力，与相同压力和空气导致恒定的容积效率不同于A和B。从图4-7所示的结果，发现歧管C优于管A和B。由于歧管提供

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