1、2023 年第 42 卷7 月第 7 期机 械 科 学 与 技 术Mechanical Science and Technology for Aerospace EngineeringJulyVol422023No7http:/journalsnwpueducn/收稿日期:20210726基金项目:国家自然科学基金项目(51665023，51666007)作者简介:张韦(1979)，教授，博士生导师，博士，研究方向为内燃机燃烧与排放控制，koko575 aliyuncom通信作者:陈朝辉，副教授，博士，chenzhaohuiok sinacom张韦，庞晨晨，包广元，等柴油机螺旋进气道直流段的正
2、交优化设计 J 机械科学与技术，2023，42(7):1120-1128柴油机螺旋进气道直流段的正交优化设计张韦1，庞晨晨1，包广元1，陈朝辉1，陈永2，范吉文2(1 昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明650500;2 昆明云内动力股份有限公司，昆明650500)摘要:通过构建 YN33 柴油机气道-气门-燃烧室计算流体动力学(Computational fluid dynamics，CFD)模型，以涡流比和进气量作为评价指标，对柴油机螺旋进气道直流段的直流段上偏角、直流段下偏角、直流段长度这 3 个关键结构参数进行正交优化设计。结果表明:直流段长度对缸内涡流比、进气量的影响最大;直流
3、段上偏角、直流段下偏角及直流段长度 3 个参数，分别取值 82、85和69 mm 时，可使缸内涡流比和进气量相对原机分别提高 2602%与 550%;在此条件下，放热率峰值和累积放热量与原机相比分别增加了 492%和 829%。关键词:柴油机;螺旋进气道;气道直流段;涡流比;进气量;正交优化设计中图分类号:TK421文献标志码:ADOI:1013433/jcnki1003-872820220066文章编号:1003-8728(2023)07-1120-09Orthogonal Optimization Design of Direct Current Sectionof Diesel Engi
4、ne Helical Intake PortZHANG Wei1，PANG Chenchen1，BAO Guangyuan1，CHEN Zhaohui1，CHEN Yong2，FAN Jiwen2(1 Yunnan Province Key Laboratory of Engines，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China;2 Kunming Yunnei Power Co，Ltd，Kunming 650500，China)Abstract:Based on the computational flui
5、d dynamics(CFD)model for YN33 diesel engine，three key structuralparameters of helical intake port direct current(DC)section are optimized by using the orthogonal optimizationdesign Those three parameters are the upper deflection angle of DC section，the lower deflection angle of DC sectionand the len
6、gth of DC section In addition，swirl ratio and air input are used as evaluation indexes The results showthat the length of the DC section has the greatest influence on the swirl ratio and air input When the upper deflectionangle of the DC section，the lower deflection angle of the DC section and the l
7、ength of the DC section are 82，85and 69 mm，respectively，the in-cylinder swirl ratio and intake air volume can be increased by 2602%and 550%，respectively，comparing with the original machine Under the present condition，the peak heat release rate andaccumulated heat release increased by 492%and 829%res
8、pectively comparing with the original machineKeywords:diesel engine;helical intake port;DC section of intake port;swirl ratio;air input;orthogonaloptimization design当前柴油机采用以扩散燃烧为主的燃烧方式，这使得燃油与空气的混合速度决定了缸内燃料的燃烧速度1。空气在进气行程中通过进气道进入气缸，其运动状态影响着缸内的气流运动、油气混合和燃烧速度2。组织良好的气流运动，有利于燃油与空气在缸内充分混合，提高可燃混合物的均匀度，增加燃烧速
9、率并延长可燃性极限3，从而提升燃烧品质，改善柴油机动力性与经济性4-5。因此，合理的进气道设计对有效组织缸内进气、改善燃烧尤为重要。第 7 期张韦，等:柴油机螺旋进气道直流段的正交优化设计http:/journalsnwpueducn/近年来，各国学者对柴油机进气道优化设计、流动特性评价等进行了广泛研究。Shigefumi 等 6 将拓扑优化法与曲面几何优化技术相结合，对进气道内腔形状进行了优化。Wang 等 7 采用数值模拟与实验相结合的方式，优化了螺旋进气道蜗壳半径结构和进出口截面尺寸，大幅度提高了涡流比。Sharma 等 8 通过优化进气歧管的几何形状，改善了进气涡流，提高了燃烧效率。A
10、garwal 等 9 利用层析粒子成像测速技术，研究了进气道几何形状对空气流动特性的影响。Benajes等 10 基于发动机全局能量平衡理论，分析了涡流比对有效热效率和燃烧室传热的影响。目前，大部分学者通常对螺旋进气道进行整体研究，而采用解耦的思想对螺旋气道直流段进行针对性的研究则鲜有报道。对螺旋进气道直流段重点研究，有助于增加进气流量、提高涡流比，促进缸内燃烧。本文选取 YN 单螺旋气道柴油机作为研究对象，采用 CFD 模拟与正交优化设计相结合的方法，重点研究单螺旋进气道的 3 个关键结构参数:直流段上偏角、直流段下偏角 和直流段长度 L 对缸内涡流比、进气量，以及发动机燃烧特性的影响。通过
11、对螺旋气道直流段各关键参数进行正交试验设计，探寻螺旋气道直流段对缸内涡流比和进气量的影响规律，达到改善柴油机进气及燃烧特性的目的。1气道 CFD 模型的构建与验证11发动机进气道性能评价指标评价发动机进气道的性能，主要是评价气流流通能力及涡流形成能力两个指标。本文采用 AVL 涡流比评价法来判定柴油机进气道的性能，主要包括 2 个重要指标:流量系数 和涡流比 S11。流量系数:通过进气道流入气缸的实际进气质量流量与理论进气质量流量之比，表征不同气门升程下的气体流通能力。涡流比 S:叶片风速仪转速与发动机虚拟转速之比，表征不同气门升程下的涡流形成能力。流量系数 的计算公式如下:=mactualm
12、theo(1)mtheo=A2Pm(2)式中:mactual为实际质量流量，kg/s;mtheo为理论质量流量，kg/s;A为气门座圈面积，m2;为气缸内密度，kg/m3;P 为压力差，Pa;m为平均密度，kg/m3。涡流比 S的计算公式如下:S=npaddnmot(3)nmot=30mAS(4)A=D24(5)简化涡流比为S=AD30m(6)式中:npadd为叶片风速仪转速，r/min;nmot为发动机虚拟转速，r/min;m 为进气质量流量，kg/s;为气缸内密度，kg/m3;A 为气缸截面积，m2;S 为活塞行程，m;D 为气缸直径，m;m为平均质量流量，kg/s。12CFD 模型的构建
13、及网格划分本文选取 YN 单螺旋气道柴油机作为研究对象，其主要技术参数如表 1 所示。发动机进、排气门的升程曲线如图 1 所示，其中，设置压缩上止点为0 CA，进气门开启时刻为 343 CA、关闭时刻为568 CA;排气门开启时刻为 118 CA、关闭时刻为354 CA，气门重叠期为 11 CA。曲轴转角为上止点之后。表 1YN 柴油机主要技术参数Tab 1The main technical parameters of the YN diesel engine参数数值型号YN33CD1型式4 缸直列、4 冲程缸径行程/mm100105发动机排量/L3298压缩比175 1标定功率/kW85(
14、3 200 r/min)最大扭矩/Nm300(1 6002 400 r/min)气门重叠角/CA11燃烧室型式直喷 型气缸套型式湿式增压系统废气涡轮增压器燃油系统BOSCH 高压共轨系统图 1YN 柴油机进、排气门升程曲线Fig 1Intake and exhaust valve lift curves for the YN diesel engine1211机 械 科 学 与 技 术第 42 卷http:/journalsnwpueducn/利用 UG 构建气道-气门-燃烧室 CAD 模型，如图 2 所示，将该模型导入 Converge 软件进行 CFD 模型的构建。在模型构建过程中，网格尺
15、寸是一个重要的参数设置，受到计算精度和计算效率的双重制约。本文选用 3 mm、3.5 mm 和4 mm 这3 种网格尺寸进行网格敏感性分析，以缸内压力和涡流比作为参考标准，计算结果如图 3 所示。由图 3 可知，3 种网格尺寸的缸压、涡流比曲线重合度较好，说明4 mm网格尺寸的模型已经可以很好的描述缸内的涡流运动情况，满足模拟需求。图 3 中，曲轴转角为上止点之后。图 2气道-气门-燃烧室 CAD 模型Fig 2CAD model of the air inlet duct-valve-combustion chamber图 3网格敏感性分析Fig 3Grid sensitivity anal
16、ysis图 4 为气道-气门-燃烧室 CFD 模型，基础网格尺寸为 4 mm，网格类型为六面体网格。图 5 为 CFD模型的网格数量随曲轴转角的变化，当活塞运动到下止点时，网格数量达到最大，为 112.5 万个，而当活塞处于上止点时，网格数量减少为 28 万个。由于不考虑发动机排气过程的影响，因此仿真历程为进气门开启时刻到排气门开启时刻。图 5 中，曲轴转角为上止点之后。图 4气道-气门-燃烧室 CFD 模型Fig 4CFD model of the air inlet duct-valve-combustion chamber图 5计算过程中的 CFD 模型网格数量Fig 5Number of grids in the CFD model duringthe calculation process仿真计算的发动机运行工况选择 YN 单螺旋气道柴油机的最大扭矩转速 2 000 r/min、100%负荷，单缸循环喷油量为 0.054 5 g，初始条件、边界条件的设置及 CFD 子模型的选取如下:1)初始条件:进气温度为 324 K;进气压力为0.176 MPa;2)边界条件:活塞顶壁面温