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1、基于ANSYS的柴油机排气降温装置几何模型设计研究王继佳陈桥军事交通学院研究生管理大队摘要：柴油车进行颗粒物捕集器热再生时，排气温度高达600°C以上，容易引起火灾，尤其仓库和易燃易爆场所;本文针对康明斯6BT5.9柴油机，应用文丘里效应，基于ANSYS仿真软件设计了一种柴油机排气降温装置(TCD),能够大幅降低柴油车DPF再牛时的排气温度。关键词：降温装置设计;文丘里效应;仿真优化;0引言目前，在众多减小柴油机排气污染的方法中，柴油机颗粒物捕集器(DieselParticulateFilter,D
2、PF)的应用被公认为柴油机颗粒物后处理的主要技术。在现实应用屮，DPF的阶段性热再生是延长DPF寿命、提高DPF工作效率的主要方法。但DPF热再生过程中会排放高达600°C以上的高温气体，给环境带来极大的安全隐患，尤其是仓库和易燃易爆场所。2014年，北京市和深圳市在在用车改造中采用DPF热再牛技术的后处理系统曾发牛了排气高温引起车身自燃的惨痛事故口丄。因此，岀于环境安全性考虑，对DPF再生吋产生的高温排气进行降温具有现实的应用价值和重要意义。1文丘里原理利用文丘里效应进行排气降温的基木原理为：当发
3、动机排气在文丘里管中流动时,由于I八段面积的收缩减小，流体将在此处收缩。根据连续方程可得，流体的速度增大时，静压力会降低，因此，匚段与J段Z间会产生压差，而且流速越快压差越大，外界常温气体能够被吸进喉部管道，从而与发动机高温排气混合达到降温目的及1。其工作原理如图1所示。2几何模型建立单区进气管指使常温空气被吸入排气降温装置（TCD）后集中在一个区域的常温空气进气管。根据文丘里效应初步设计基于单区进气管的TCD,如图2所示。它由两个独立管道组成，一个负责传输高温排气，另一个负责传输常温空气，两股气流
4、在各自管道中流动吋不会混合。模型的喉部为压力最小区域，当常温空气流经管道在喉部释放时，常温空气和高温排气发生混合，产生降温效果。由于常温空气传输管布置在高温排气管之内，常温空气传输管的几何模型结构会影响高温排气的阻力，所以在设计时应注重减小常温空气传输管的排气阻力。经过仿真计算分析，将TCD的初始尺寸定为Di=20.6mm,D?二25.4mm,D2=D4=46.2mm,在质量流量650kg/h.高温排气600°C、常温空气25°C工况下，降温效率能够达到42.35%，但同时排气背压达到T16.53k
5、Pa,此时背压过大,影响柴油机动力性和燃油经济性。图1文丘里管示意图下载原图图2屮的常温进气管为平底面型，当高温排气流经此平面时，会遭遇平面的反向正冲击力，对高温排气流形成较大阻力降低排气流速，从而降低文丘里效应产牛的压力差，进而减小常温空气进气量，影响混合降温效果。图2单区进气管TCD模型下载原图3几何模型优化为了减小平面对高温排气流的冲击影响，将常温进气管底部设计为锥形曲面和球状曲面，如图3（a）和（b）所示。当高温排气流经锥形曲面和球状曲面吋，锥形曲面和球状曲面对高温排气能够起到分流作用从而减
6、小排气阻力，对排气流速影响较小，有利于提高降温效果。另外，不同的TCD的肩部线型对排气阻力影响差异较大，将肩部由直角逐渐过渡到曲线线型时，如图3（c）所示，TCD的降温效率和排气背压均得到改善。经仿真计算，质量流量650kg/h、高温排气600°C>常温空气25°C工况下，当a=80°,D严26.8mm,D2=58.3mm,D3=30.4mm,D尸56.6mm时，降温效率能够达到40.52%,排气背压为8.53kPa,排气背压相对初始状态时呈减小趋势。逐步调整的度数和Di、D2>D3>Di的尺寸进行
7、仿真计算，当a=45°,Di=30.5mm,D2=62.3mm,D汙34.6mm,D尸5&6mm时，质量流量650kg/h.高温排气600°C、常温空气25°C工况下，降温效率能够达到35.64%，同吋排气背压为5.26kPa,此时的排气背压较小，不影响柴油机动力性和燃油经济性。单区进气管TCI）的温度场分布仿真效果如图4所示，通过图像可以看岀大量的常温空气被吸入TCD,两种气体呈规则的对称分布。4总结由仿真图像可得，单区进气管TCD的优点是：（1）大量常温空气被，能够大幅度降低排气温度；（2）温度
8、呈对称分布，易于下一步进行优化改进；（3）所设计TCD有较好降温效果，排气背压又不影响柴油机性能，达到了设计目的。图3不同进气管TCD结构示意图下载原图图4单区进气管温度分布仿真效果下载原图参考文献[I]王继佳，姚广涛，张卫锋，陈桥•发动机排气降温装置设计与仿真优化研究[J]•内燃机与配件，2017（13）:6-10.[2]樊文娟.文丘里管内湿天然气流动特性研究[D]•西安:西安石油大学，2016.
