柴油机改装为天然气发动机的进气管设计

娄宗勇，郭 珍，曼茂立，曹立新

(1.承德石油高等专科学校人事处，河北 承德 067000;2.中国北方发动机研究所，天津 300400;3.承德运输集团平泉客运有限公司，河北 承德 067000)

1 概述

目前开发的天然气发动机多是在柴油机基础上研制的，使用天然气作为燃料会改善发动机的排放性能，尤其是减少颗粒物的排放。但是柴油机改装成天然气发动机后，由于燃料物态及供给形式改变，使得改装后的天然气发动机各个进气歧管的进气不均匀性大幅增加，从而影响天然气发动机的动力性能。天然气发动机进气管中只有空气流过，所以在进行进气管结构设计时，应充分考虑进气均匀性。进气系统与发动机良好的动态匹配可使发动机的扭矩特性在较宽的转速范围内有较大的提高。

随着计算机技术的飞速发展和数值模拟技术的不断完善，发动机进气系统的设计与优化逐渐从传统的依靠试验确定，发展到利用各种现代设计方法和先进软件进行模拟计算和分析，从而实现了方便快捷而准确的设计。因此本文首先应用Solidworks软件设计天然气发动机进气管的三维模型，并将该三维模型导入Fire软件中进行仿真计算，以分析各个进气歧管中的空气质量流量。最终根据上述分析结果对天然气发动机的进气管进行改进设计，以提高天然气发动机的动力性。

2 开发设计过程

2.1 进气管设计要求

进气管是发动机进气系统重要的组成部分。进气管设计的优劣会直接影响发动机各缸进气的均匀性。车用天然气发动机进气管除了满足进出口尺寸的配合要求外，还应满足以下要求:1)能够与进气道进行准确的连接;2)各缸进气尽可能的均匀;3)进气管的各个转角处尽可能圆滑过渡以降低进气阻力。

本文所设计的车用天然气发动机是以柴油机为原型机改装而成的。由于改装后进气道入口尺寸的改变，使得进气管的出口尺寸也进行了相应的修改。根据进气管出口尺寸、进气管进气接口尺寸、发动机缸数及气缸盖相应尺寸对进气管进行了设计。图1为利用Solidworks软件设计的进气管腔。

2.2 进气不均匀性分析

将图1所示的天然气发动机进气管腔三维图导入Fire软件进行网格划分及歧管标号如图2所示:

分别设置如下边界条件进行空气质量流量的计算:

1)天然气发动机转速为2 200 r/min时，边界值设置为:进气总管进口总压为203 525 Pa、进气歧管出口静压为202 418 Pa。计算结果如表1所示。由表1可以计算出各缸不均匀度最大为10.3%，歧管4出口流量最低。

表1 不同歧管的空气质量流量(n=2 200 r/m in)

2)天然气发动机转速为1 250 r/min时，边界值设置为:进气总管进口总压为215 322 Pa、进气歧管出口静压为213 557 Pa，计算结果如表2所示。由表2可以计算出各缸不均匀度最大为11.08%，歧管4出口流量最低。

通过对上述两个天然气发动机转速下不同歧管的空气质量流量的模拟计算，发现第四个进气歧管出口流量是最低的，而且随着转速降低各缸进气不均匀度程度增加。

为进一步观察发动机转速为2 200 r/min时，各进气歧管内的气体流动及气体状态，本文针对所设计的进气管，通过只打开一个歧管，其余歧管关闭的方式，对进气歧管内气体流动进行仿真计算。其三维切片如图3～图8所示。

表2 不同歧管的空气质量流量(n=1 250 r/m in)

1)歧管1开，其余歧管关闭

2)歧管2开，其余歧管关闭

3)歧管3开，其余歧管关闭

4)歧管4开，其余歧管关闭

5)歧管5开，其余歧管关闭

6)歧管6开，其余歧管关闭

根据上述各进气歧管三维切片的速度与压力图，可以看出:进气歧管3、4内空气流动回旋较多，流动不畅;而进气歧管1、6内空气流动较顺畅。这主要是因为进气歧管1、6远离进气总管，干扰流动的因素较少。另外，在各个进气歧管与总管的连接弧度相同的情况下，进气歧管1、6内的空气流量最大，而进气歧管3、4内的空气流量最小。

2.2 进气管改进设计

根据上述仿真计算结果，采取以下措施针对天然气发动机进气管进行改进设计:加大进歧管3、4与进气总管的连接弧度半径，由原来的10 mm变改为20 mm，以降低进气歧管3、4的流动阻力;同时歧管2、5连接弧度半径由原来的10 mm改为14 mm;歧管1、6连接弧度半径不变。改进后的进气管三维模型如图9所示:

将改进后的天然气发动机进气管三维模型导入Fire软件进行空气质量流量计算。天然气发动机转速为2 200 r/min，边界条件为:进气总管进口总压为203 525 Pa、进气歧管出口静压为202 418 Pa。计算结果如表3所示。

表3 进气管的不同进气歧管的质量流量

通过与表1对比分析可以看出，改进后的进气管各缸不均匀度最大仅为1.48%，为最初设计进气管不均匀度的14.4%，大大改善了该天然气发动机的动力性。

3 结论

通过Solidworks软件设计进气管的结构，并利用Fire软件计算各进气歧管的空气质量流量，以指导天然气发动机进气管的改进设计。改进后的天然气发动机进气管有效的降低了各缸进气不均匀度，达到了设计要求。

[1]周龙保.内燃机学[M］.北京:机械工业出版社，2005.

[2]魏名山，郝利君，马朝臣，等.488天然气发动机的模拟计算[J］.内燃机工程，2002(6):12－142.

[3]Naohisa Ohyama，Tomohiko Nakanishi，ShigekiDaido.New ConceptCatalyzed DPF for Estimating Soot Loadings from Pressure Drop[C］.SAE Paper，2008 －01 －0620.

[4]成森，郝利君，孙业保，等.单燃料天然气发动机试验研究[J］.汽车工程，2003，25(2):116－118.

[5]吴本成，孙仁云，陈林林.YH465Q—1E改为天然气发动机的电控系统的研制[J］.西华大学学报，自然科学版，2006，25(1):17 －19.

[6]张德福，张惠明，龚英力，等.天然气发动机供气系统的开发研究[J］.航海技术，2004(5):39－40.

[7]石来华.进气管长度对汽油机动力性能影响的研究[J］.机械研究与应用，2010(1):57－600.

[8]孙晓娜，梁虹，张红光，等.单螺杆膨胀机双循环系统的应用—基于柴油机尾气余热利用的方案计算[J］.承德石油高等专科学校学报，2011(4):20－26.