某柴油機(jī)進(jìn)氣歧管EGR分布的CFD模擬與優(yōu)化

伊士旺，關(guān)昊，彭成，趙錚，張德勝（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

某柴油機(jī)進(jìn)氣歧管EGR分布的CFD模擬與優(yōu)化

伊士旺，關(guān)昊，彭成，趙錚，張德勝
（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；
2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

廢氣再循環(huán)（EGR）可以有效降低NOx排放。對(duì)于采用EGR技術(shù)的多缸柴油機(jī)，若各缸廢氣分配不均會(huì)影響其燃燒穩(wěn)定性，導(dǎo)致各缸工作不一致。本文采用1D-3D耦合計(jì)算方法，對(duì)柴油機(jī)部分負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行CFD分析。通過對(duì)比EGR管出口處速度流場(chǎng)及各缸EGR率，找到優(yōu)化方向，解決產(chǎn)品實(shí)際問題。

柴油機(jī)廢氣再循環(huán)進(jìn)氣歧管CFD

1　　前言

近期國家對(duì)環(huán)境問題日趨重視，且排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，如何降低車輛排放已成為亟待解決的問題。柴油機(jī)的排放物主要為NOx和顆粒。研究表明，廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）是降低柴油機(jī)NOx排放最為有效的技術(shù)措施之一。EGR系統(tǒng)一般可通過內(nèi)部EGR和外部EGR兩種方式來實(shí)現(xiàn)循環(huán)。外部EGR是通常所指的EGR，是將部分廢氣通過進(jìn)氣歧管引入燃燒室，以降低缸內(nèi)氧濃度和燃燒溫度，達(dá)到降低NOx排放的目的［1］。對(duì)于采用EGR技術(shù)的多缸柴油機(jī)，若各缸EGR分配不均，會(huì)導(dǎo)致各缸的燃燒差異變大，進(jìn)而影響各缸工作一致性，使NOx排放難以控制。本文利用CFD方法對(duì)多缸柴油機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)EGR分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并依據(jù)仿真結(jié)果完成對(duì)EGR管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化［2］。

2　　模型建立與分析方法

2.1問題描述

公司研發(fā)的某3.0L六缸柴油機(jī)在排放性能摸底試驗(yàn)期間出現(xiàn)各缸燃燒數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象，且排放難以控制。圖1為轉(zhuǎn)速1 500 r/min、平均有效壓力400 kPa工況的氣缸壓力曲線。通過分析發(fā)現(xiàn)，第3、第4缸的最大爆發(fā)壓力明顯低于其他4個(gè)缸，且其氣缸壓力曲線的第二個(gè)峰值明顯低于第一個(gè)峰值，這說明存在主燃期燃燒不充分的現(xiàn)象。另外通過分析外特性的燃燒數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各缸的氣缸壓力的一致性保持較好。初步判斷為部分負(fù)荷工況下，由于各缸EGR廢氣分配不均勻?qū)е氯紵町愋暂^大。

圖1　1500　r/min部分負(fù)荷工況的氣缸壓力曲線

2.2 1D模型

本次分析采用1D-3D耦合計(jì)算方法，邊界條件由AVL公司1D熱力學(xué)軟件BOOST提供，3D模型由流體軟件Fire計(jì)算。1D模型見圖2所示，虛線框內(nèi)表示進(jìn)氣歧管和EGR部分。1D模型和3D模型的數(shù)據(jù)傳遞通過圖2中的link單元完成。

圖2　1D模型

在1D-3D耦合計(jì)算過程中BOOST模型首先單獨(dú)計(jì)算30個(gè)循環(huán)，使1D結(jié)果達(dá)到收斂，然后自動(dòng)通過link單元將邊界條件（質(zhì)量流量和溫度等）傳遞給3D模型。Fire應(yīng)用1D模型計(jì)算得到的邊界條件單獨(dú)計(jì)算一個(gè)循環(huán)，得到初始的流場(chǎng)分布。最后，BOOST和Fire開始耦合計(jì)算，雙方計(jì)算每一曲軸轉(zhuǎn)角都相互交換數(shù)據(jù)。本次分析計(jì)算10個(gè)循環(huán)達(dá)到收斂，如圖3所示。

圖3　1D-3D耦合計(jì)算示意圖

本文選擇3個(gè)部分負(fù)荷工況進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)速和平均有效壓力分別為1 500 r/min和400 kPa、2 000 r/min和700 kPa、2 700 r/min和300 kPa，以后分別稱為工況1、工況2和工況3，其EGR率覆蓋范圍為20%～40%。為滿足不同工況下各缸EGR分配均勻，所以對(duì)EGR管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有更高的要求。

2.3 CFD模型

計(jì)算模型是依據(jù)實(shí)際進(jìn)氣系統(tǒng)3D模型得到的內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。受節(jié)氣門位置限制，進(jìn)氣總管較短，EGR管布置在進(jìn)氣總管與穩(wěn)壓腔接合處，所以廢氣與新鮮空氣混合距離非常有限。原機(jī)的EGR管設(shè)計(jì)了一個(gè)開孔，開口方向與新鮮充量進(jìn)氣方向相反。

圖4　CFD模型

本文采用AVL-Fire軟件進(jìn)行CFD計(jì)算，以評(píng)估各氣缸EGR率的均勻性。計(jì)算網(wǎng)格為90%六面體的混合型網(wǎng)格，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格單元數(shù)量控制在14萬個(gè)以內(nèi)。

3　　計(jì)算結(jié)果

3.1評(píng)價(jià)指標(biāo)

EGR率計(jì)算公式為

其中，EGR為EGR率，mEGR為EGR的質(zhì)量流量，mf為新鮮空氣的質(zhì)量流量。

本次分析可以統(tǒng)計(jì)出每個(gè)缸進(jìn)入的廢氣量和新鮮充量，從而可以得到各缸的EGR率。

一個(gè)工作循環(huán)的EGR率統(tǒng)計(jì)值計(jì)算公式為

本文將各缸的EGRi與EGRAVG之間的差值定義為差異σ，如式（3）所示。

其中，i為各氣缸。

采用EGR技術(shù)的多缸柴油機(jī)要求進(jìn)氣歧管各支管的EGR分布均勻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)工作循環(huán)的各缸EGR率差異最大為10%，即最大差異與最小差異的差值［3］。

3.2結(jié)果分析

3.2.1原機(jī)EGR率分布情況

對(duì)原機(jī)在工況1，各缸EGR率及與平均EGR率差異的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5　　原機(jī)工況1下的各缸EGR率對(duì)比結(jié)果

圖中結(jié)果表明，第4缸的EGR率最大，第3缸次之，第1、2、5、6缸的EGR率則基本相同，但都低于平均值。各缸間的最大EGR率差異為11.65%，大于評(píng)價(jià)指標(biāo)10%。

EGR流場(chǎng)分布云圖也可以體現(xiàn)出各缸在進(jìn)氣時(shí)的EGR分布情況，在各缸進(jìn)氣流量最大時(shí)刻截取EGR流場(chǎng)分布云圖。根據(jù)圖5的結(jié)果，在此只給出了第1缸和第4缸的EGR流場(chǎng)分布云圖，如圖6～圖7所示。

從EGR流場(chǎng)分布云圖可以看出，不管是第1缸進(jìn)氣還是第4缸進(jìn)氣，第3缸、第4缸進(jìn)氣支管區(qū)域的EGR率明顯高于其他4個(gè)缸。這說明當(dāng)EGR管只開一個(gè)孔時(shí)，廢氣與新鮮空氣混合不充分，主要停滯在進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔中部附近，使得位置處于中間的第3、第4缸的EGR率較高。

圖6　第1缸進(jìn)氣時(shí)EGR流場(chǎng)分布

圖7　第4缸進(jìn)氣時(shí)EGR流場(chǎng)分布

3.2.2優(yōu)化思路

基于原機(jī)各氣缸EGR率分布不均的實(shí)際狀況，制定出以下3個(gè)優(yōu)化方案，從中選出優(yōu)化結(jié)果。

（1）原機(jī)的EGR管只開一個(gè)孔，且開孔方向與新鮮充量進(jìn)氣方向相反。若將開孔方向改為與新鮮充量進(jìn)氣方向一致，則更加不利于廢氣與新鮮空氣混合。此方案不可取，不予考慮。

（2）若EGR管開兩個(gè)孔，分兩種情況。當(dāng)兩孔連線與新鮮充量進(jìn)氣方向一致時(shí)，此種情況和只開一孔結(jié)果類似，第3、第4缸的EGR率會(huì)高于其他氣缸；當(dāng)兩孔連線與新鮮充量進(jìn)氣方向垂直時(shí)，此種情況不利于廢氣在第3、第4缸進(jìn)氣支管區(qū)域分布，使得第3、第4缸的EGR率低于其他氣缸，會(huì)促使各氣缸EGR率趨于一致。

（3）根據(jù)以上兩點(diǎn)推測(cè)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)為6缸柴油機(jī)，且進(jìn)氣總管布置在第3、第4缸中間，可設(shè)計(jì)EGR管開孔為3個(gè)。其中一個(gè)孔方向設(shè)置與新鮮充量進(jìn)氣方向一致，三孔對(duì)稱分布。此方案可保證第3、第4缸EGR率，又可以兼顧其他缸EGR分布，在此作為優(yōu)化方案，如圖8所示。

圖8　EGR管三孔示意圖

圖9　優(yōu)化后工況1的EGR分布情況

圖10　優(yōu)化后工況2的EGR分布情況

圖11　優(yōu)化后工況3的EGR分布情況

圖12　第1缸進(jìn)氣時(shí)EGR流場(chǎng)分布

圖13　第4缸進(jìn)氣時(shí)EGR流場(chǎng)分布

3.2.3優(yōu)化方案結(jié)果

對(duì)于優(yōu)化后方案，分別計(jì)算其工況1至工況3，各缸EGR率及與平均EGR率的差異如圖9至圖11所示。

由此可見，優(yōu)化后這3個(gè)工況點(diǎn)的各缸間最大EGR率差異分別為4.84%、5.04%、4.97%，均在評(píng)價(jià)指標(biāo)10%以內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖12和圖13分別為工況3下第1缸和第4缸進(jìn)氣時(shí)，進(jìn)氣管內(nèi)EGR流場(chǎng)分布云圖。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)?缸進(jìn)氣或者第4缸進(jìn)氣時(shí)，整個(gè)穩(wěn)壓腔內(nèi)的EGR分布比較均勻。這說明當(dāng)EGR管開3個(gè)孔時(shí)，廢氣與新鮮空氣能夠?qū)崿F(xiàn)在不同EGR率下均勻混合。

后期對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了樣件制作，并對(duì)排放點(diǎn)

及外特性工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，在工況1下，最大爆發(fā)壓力（Pmax）變動(dòng)控制在200 kPa內(nèi)，最大爆壓對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角變動(dòng)（φPmax）控制在1℃A以內(nèi)，各缸的燃燒數(shù)據(jù)一致性較好，有效地改善了燃燒循環(huán)變動(dòng)，如圖14所示。此外，對(duì)于外特性工況，EGR管的改進(jìn)并沒有影響各缸新鮮充量的分配，依然能夠達(dá)到整機(jī)原有性能水平。

圖14　　優(yōu)化后工況1的燃燒數(shù)據(jù)

4　　總結(jié)

運(yùn)用CFD分析方法可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管EGR分布進(jìn)行數(shù)值模擬。本文研究發(fā)現(xiàn)不同EGR管開孔形式對(duì)多缸柴油機(jī)EGR分布有很大影響。在優(yōu)化各缸EGR均勻分配時(shí)，可根據(jù)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)特征來調(diào)整EGR伸入管的開孔形式或者深度，以滿足不同范圍的EGR率要求。

可見，如果在發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用CAE的方法就可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)而提供可行的完整的解決方案，避免后期設(shè)計(jì)變更的風(fēng)險(xiǎn)，有效地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低了開發(fā)費(fèi)用。

［1］周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］Maftouni N，Ebrahimi R，Hossein S.The Effect of Intake Manifold Runners Length on the Volumetric Efficiency by 3-D CFD Model［C］.SAE 2006-32-0118.

［3］Husberg T，Gjirja S，Denbratt I，et al.Visualization of EGR Influence on Diesel Combustion With Long Ignition Delay in a Heavy-duty Engine［C］. SAE 2004-01-2947.

A Simulation and Optimization of Intake Manifold EGR Distribution in a Diesel Engine Based on CFD

Yi Shiwang，Guan Hao，Peng Cheng，Zhao Zheng，Zhang Desheng
（1.Technical Center，Great Wall Motor Company Limited，Baoding 071000，China；2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center，Baoding 071000，China）

EGR（Exhaust Gas Re circulation） can reduce the emission of NOxeffectively.For Multi-cylinder diesel engine using EGR technology，if exhaust gas distribution of every cylinder is not uniform，it could affect the Combustion stability，caused the consistence of every cylinder is not good enough.This article uses 1D-3D coupling calculation method，and analyses part load condition which there was a problem in test.According to analyse simulation results，we find the optimization direction.

diesel engine，EGR，Intake Manifold，CFD

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.009

來稿日期：2015-09-27

伊士旺（1986-），男，工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算流體動(dòng)力學(xué)。