某型柴油機(jī)EGR率優(yōu)化仿真分析

陳園明，王宏大，王次安（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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某型柴油機(jī)EGR率優(yōu)化仿真分析

陳園明，王宏大，王次安
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

應(yīng)用一維BOOST軟件和三維Fire軟件對某型柴油機(jī)進(jìn)氣歧管EGR率分布進(jìn)行模擬分析。采用瞬態(tài)分析模式，對各個工況下EGR氣體在進(jìn)氣歧管中的分布進(jìn)行計算，結(jié)果表明：初始設(shè)計方案各缸EGR率偏差較大，不能滿足評價標(biāo)準(zhǔn)；依據(jù)分析結(jié)果對EGR廢氣進(jìn)口進(jìn)行優(yōu)化，最終優(yōu)化后各缸EGR率偏差能夠滿足評價標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)氣歧管；EGR率偏差；CFD

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.032

CLC NO.: U461Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-104-03

前言

隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機(jī)動車尾氣污染問題日益突出，國家的排放法規(guī)也越來越嚴(yán)格。如何降低機(jī)動車污染物的排放已成為亟待解決的問題。當(dāng)前發(fā)動機(jī)廠家通常采用兩種技術(shù)路線，其中最常用的是 EGR后處理路線，所謂EGR(Exhaust Gas Recirculation)是將發(fā)動機(jī)燃燒后的部分廢氣通過進(jìn)氣歧管與新鮮空氣混合，混合氣一起進(jìn)入氣缸，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。

本文所分析柴油機(jī)為四缸發(fā)動機(jī)，依據(jù)經(jīng)驗如果各缸新鮮空氣和廢氣比例即EGR率均勻性較差時，容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)扭矩降低且NOx的形成也不能得到有效的控制。因此本文采用CFD技術(shù)對某柴油機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)的EGR分布進(jìn)行分析，通過對分析結(jié)果的評估對進(jìn)氣歧管進(jìn)行優(yōu)化，保證歧管的EGR率能夠滿足要求。

1、數(shù)值仿真

1.1計算描述

本文采用1D分析和3D分析耦合的方法，首先通過1D仿真分析軟件BOOST對發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)分析，得出歧管各進(jìn)出口的壓力、溫度和流量等邊界條件，然后利用3D軟件Fire對歧管進(jìn)行CFD分析，得出發(fā)動機(jī)各缸的EGR均勻性系數(shù)，依據(jù)分析結(jié)果對歧管的設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估。

1.2熱力學(xué)分析

圖1為該柴油機(jī)一維BOOST熱力學(xué)仿真分析模型，如圖中紅框所示測點M19-M26分別表示1～4缸進(jìn)氣歧管的8個出口，測點 MP18表示進(jìn)氣歧管的新鮮空氣進(jìn)口，測點MP27表示EGR氣體進(jìn)口。

根據(jù)標(biāo)定工程師提供的發(fā)動機(jī)EGR分析點：發(fā)動機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速3200rpm扭矩164Nm時，EGR率為27%；通過一維熱力學(xué)分析可以計算得出各個進(jìn)氣歧管各個測點的壓力、流速、溫度、質(zhì)量流量等邊界數(shù)據(jù)。

1.3CFD數(shù)值模擬

1.3.1模型建立

圖2為該發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管三維數(shù)模，從圖中可以看出該歧管設(shè)計有八個出口，其中每兩個出口分別對應(yīng)發(fā)動機(jī)一個缸。圖中藍(lán)色圈位置即為EGR廢氣進(jìn)口設(shè)置，從圖中可以看出EGR進(jìn)氣口伸入歧管內(nèi)部，廢氣與新鮮氣體流向有120deg的夾角。

在進(jìn)氣歧管進(jìn)行 CFD分析前首先通過前處理軟件hypermesh對三維模型進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，然后將完成的面網(wǎng)格導(dǎo)入到AVL Fire軟件中，利用Fire軟件自帶的FAME MESHING模塊對歧管進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，歧管主體區(qū)域區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2mm，在EGR廢氣進(jìn)口某些狹小區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1mm，處理好的流體網(wǎng)格總數(shù)約為46萬。

1.3.2數(shù)值方法

本文計算設(shè)置中采用瞬態(tài)計算模式，采用迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時間項，壓力與速度耦合算法選擇SILMPLE。設(shè)定管內(nèi)空氣流動為可壓縮粘性湍流流動，空氣為理想氣體，湍流模型為k-z-f方程，使用混合壁面函數(shù)描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等的分布，且要求貼近壁面的網(wǎng)格的y+值在11～200之間。殘差小于0.0001。

2、結(jié)果分析

2.1評價指標(biāo)

EGR率的計算公式如下：

其中，EGR表示EGR率

mEGR表示EGR質(zhì)量流量

m表示EGR+新鮮空氣總質(zhì)量流量一個工作循環(huán)的EGR率統(tǒng)計值按如下：公式計算：

帶EGR的進(jìn)氣歧管要求各管道的EGR分布均勻，根據(jù)里卡多的經(jīng)驗，要求一個工作循環(huán)內(nèi)EGR率的相對偏差保持在±5%以內(nèi)。

2.2初始模型分析結(jié)果

本次瞬態(tài)計算共進(jìn)行了6個循環(huán)，其中前5個循環(huán)保證計算收斂解，第6個循環(huán)輸出計算結(jié)果。

圖3和圖4顯示了歧管各出口的氣體的EGR率和EGR率偏差。

從圖3中可以看出，發(fā)動機(jī)第4缸的EGR率明顯高于其他三缸，其中第1缸EGR率最小僅為0.2567。從圖4中各缸EGR率偏差可以明顯看出，1缸和4缸的EGR率偏差均已超過±5%的評價標(biāo)準(zhǔn)，說明歧管的設(shè)計存在一定的問題，需要對歧管進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計更改。

依據(jù)CFD分析結(jié)果，對初始方案歧管內(nèi)部的流動狀況進(jìn)行分析，從計算結(jié)果可以看出1缸和4缸歧管EGR進(jìn)氣分布不均勻，因此選取了發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角3690deg和4050deg兩組工況分別對應(yīng)發(fā)動機(jī)4缸開啟和1缸開啟，如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出歧管進(jìn)口新鮮空氣與EGR廢氣混合處和穩(wěn)壓腔內(nèi)氣體擾流嚴(yán)重，其中歧管進(jìn)口部位初步分析由于EGR廢氣進(jìn)氣管深入到歧管進(jìn)口內(nèi)部一定距離，增加了廢氣在進(jìn)口處的出氣長度，且EGR廢氣進(jìn)口沿歧管主進(jìn)口方向彎度較大,廢氣與新鮮空氣流向夾角約為120deg，廢氣流向與新鮮空氣流向沖突嚴(yán)重，形成嚴(yán)重的擾流，造成了不必要的能量損失，因此確定初步的整改方向，即取消EGR廢氣進(jìn)氣管在歧管內(nèi)部的延伸長度，減小EGR廢氣進(jìn)口的彎曲度，使兩股氣體的夾角變成成100deg，優(yōu)化后模型如圖7示：

2.3優(yōu)化模型分析結(jié)果

對優(yōu)化后的歧管進(jìn)行CFD分析，得出歧管各缸的EGR率和EGR率偏差。

從圖8中可以看出，發(fā)動機(jī)4缸的EGR率還是高于其它三缸，但是從數(shù)據(jù)上來看，1缸和3缸的EGR率均得到一定提升，4缸的EGR率有一定的降低，說明了整改方案有效，從圖9可以看出4缸的EGR率偏差達(dá)到4.51%但是明顯小于±5%的評價標(biāo)準(zhǔn)。說明了調(diào)整EGR廢氣進(jìn)口設(shè)計有效的提升了歧管內(nèi)部新鮮空氣和廢氣的混合。

圖10和圖11為發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角3690deg和4050deg兩組工況下歧管內(nèi)部流場示意圖。從圖中可以看出歧管進(jìn)口部位和穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣體的擾流程度較初始方案均得到了一定改善如圖10紅圈所示，氣體的流動更加的順暢。

3、結(jié)論

本文通過一維分析和三維分析聯(lián)合仿真對帶有 EGR裝置的進(jìn)氣歧管進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）初始設(shè)計方案歧管各缸進(jìn)氣EGR率分布不均勻，不能滿足歧管的分析需求，依據(jù)分析結(jié)果對歧管進(jìn)行分析提出優(yōu)化方案；

2）優(yōu)化設(shè)計后，歧管各缸的進(jìn)氣EGR率分布合理，滿足相關(guān)的評價標(biāo)準(zhǔn)，目前已成功應(yīng)用到量產(chǎn)產(chǎn)品中；

3）在發(fā)動機(jī)研發(fā)設(shè)計階段，通過相關(guān)的CFD分析，可以有效的提升發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的性能，大大減小研發(fā)設(shè)計的研發(fā)周期和研發(fā)成本。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造(上冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

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Simulation and optimization analysis on EGR Ratio of the diesel engine

Chen Yuanming,Wang Hongda,Wang Cian
（Power Research institute,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601）

The diesel engine intake manifold is calculated by 1D_BOOST and 3D_Fire simulation on EGR deviation.The transient mode was set，and EGR gas distribution in intake manifold was simulated at all the operation points.The result shows :the initial model can't meet the standard,modify the design of the EGR inlet then the result can meet the standard.Keywords: Intake Manifold; EGR Deviation; CFD

U461

A

1671-7988（2016）08-104-03

陳園明（1979-），男，工程師，工程碩士，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。主要從事內(nèi)燃機(jī)設(shè)計開發(fā)工作。