不同排气支管引射角的MPC排气管路流场分析

总结，对MPC排气管路的优化设计有一定的借鉴意义。

关键词：MPC排气管路；排气管；流场分析

0 前言

增压系统中一个非常实质性的部分就是进排气系统的管系。对于大功率柴油机而言，主要是排气系统，排气系统的流动特性对发动机的整机性能有重要影响，特别是增压程度的不断提高，对排气系统的优化设计更需要了解其流动特性，对排气系统内气体的流动过程进行仿真模拟是这一研究的主要手段，通过模拟可以了解排气管内气流大致流动情况，可以对排气能量的利用、气缸扫气进行分析，并对排气系统的设计提出建议，是研究增压系统对发动机性能影响的一种手段。

从涡轮增压系统来说，根据排气管路的结构特征，目前已经存在的增压系统有四种基本型式：定压增压系统，脉冲增压系统，脉冲转换器增压系统和MPC系统。对以上四种增压系统分析来看，各种增压系统都有各自的优点，也存在固有的缺点，目前应用最普遍的为MPC系统， MPC系统能较好的利用排气脉冲能量、涡轮效率高、结构简单的和便于加工生产。

1 几何模型建立

对MPC管段（如图1）而言，其主要控制参数为总管直径Dm、排气支管引射角αn和排气支管喉口截面积Fn。

加大排气总管内径Dm，可使废气流动损失减小，提高有用能的传递效率。同时，可降低总管内压力波动值，减少相邻缸间的扫气干扰。但是，也会导致支管喉口处的节流损失加大，总管压力变化变缓，从而影响柴油机的加速性。有研究表明，排气支管喉口截面积Fn与支管进口面积F1之比，主要对气缸泵气功损失和扫气系数产生影响。理论上讲，排气支管引射角αn越小，总管内废气的不等熵混合流和扰动就越小，压力损失就小，有用能传递效率也就越高，扫气系数相应有所增加，涡轮进口温度有所降低。因此，从能量利用角度考虑，αn应尽可能小。但αn的大小受到系统结构布置、排气管结构工艺要求等情况的限制，因此，应综合考虑来确定排气支管引射角αn的大小。

为了研究MPC系统的性能，设计了两种不同排气支管引射角的MPC管段，分别为引射角为50°的MPC管段（图2）和引射角为30°的改进型MPC管段（图3），从图2可以看出，当引射角为50°的时候，排气支管的气流约一半可以垂直进入排气总管而引起大的气流扰动损失，其它上游气缸排气对其扫气干扰也会加大，对扫气不利。对于图3中改进型MPC管段改动了排气支管接入排气总管的部分，排气支管引射角为30°，并且排气总管部分形成收缩，这样排气支管气流和总管气流形成约30°夹角，同时减少了各缸之间扫气干扰，从流动理念来说，改进型MPC管段比较合乎流动理念。

2 CFD模型建立

前期使用CAD软件构建MPC排气系统典型截面模型，根据实体模型使用Fluent前处理软件Gambit生成网格，对比较规则的管段采用四边形网格，不规则的部分采用三角形网格，网格数大约0.9万个。

实际排气管中的流动是很复杂的，是可压，粘性，非定常的湍流流动，本设计着重研究了MPC管段的典型截面，将其流动简化为二维定常流动来模拟计算，它服从质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律。计算方程求解采用N-S控制方程，求解方程时采用SIMPLE算法，使用的湍流模型为标准的κ–ε两方程湍流模型。边界条件设定对分析结果影响很大，此模型进口采用压力进口边界，出口采用压力出口边界。在同一时刻六个缸处于不同的冲程，从表1可以看出，从1支管到6支管进口压力的边界不同，近壁面处采用壁面函数法进行处理。

3 计算结果分析

对于多缸发动机排气管路仿真分析，排气管内气流存在相互影响，因此对MPC排气管路进行流场分析，本文对排气支管引射角为50°和引射角为30°的两种MPC排气管路进行流场分析。

图4为排气支管引射角为50°的MPC排气管段速度矢量图，图5为排气支管引射角为30°的MPC排气管段速度矢量图。从图4中可以看出，气流从排气支管流出，与排气总管壁产生碰撞，形成两处明显涡流区，气流扰动损失大。从图5中可以出，气流从排气支管流出，与排气总管壁未产生碰撞，气流扰动损失小。通过对比发现，从流动理念来说，排气支管引射角为30°的改进型MPC管段相比排气支管引射角为50°的MPC排气管段气流扰动损失小，性能更好。

图6为排气支管引射角为50°的MPC排气管路总压云图，图7为排气支管引射角为30°的MPC排气管路总压云图。结合两种不同MPC排气管路设计，两种不同MPC排气管路进口边界条件相同，在MPC排气管路中引射角为50°MPC排气管路出口处总压为 367941 MPa，引射角为30°MPC排气管路出口处总压为 457812MPa，在MPC排气管路总出口处接有涡轮增压器，对于涡轮增压器涡轮可以利用的能量来说，涡轮进口总压越大，涡轮可以利用的能量越多，因此，引射角为30°MPC排气管路总出口处可用于做功的能量更大，引射角为30°MPC排气管路流动性能更好。

4 结论

采用CFD方法对MPC排气管段进行流场分析，得出如下结论：

（1） 不同的的排气支管引射角对MPC排气管段的流动性能有影响。

（2） 排气支管引射角为30°的MPC排气管路的流动性能比排气支管引射角为50° 的MPC排气管路的流动性能更好。

参考文献

[1] 顾宏中. MIXPC涡轮增压系统研究与优化设计[M]. 上海：上海交通大学出版社，2006.

[2] 顾宏中. 涡轮增压柴油机性能研究[M]. 上海：上海交通大学出版社，2006.

[3] 朱红均，林元华，谢龙汉. FlUENT流体分析及仿真实用教程[M]，北京：人民邮电出版社.

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