某柴油機進氣歧管廢氣均勻性分析

卓麗穎，周波

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

EGR（Exhaust Gas Recirculation）即廢氣再循環(huán)，是指把發(fā)動機排出的部分廢氣與新鮮空氣混合，分別進入進氣歧管然后流入氣缸。由于廢氣中含有大量不能燃燒的CO2，在氣缸內(nèi)氣體混合的過程中，CO2能夠降低混合氣的燃燒溫度，從而減少 NOX的生成。此外，廢氣再循環(huán)可以減少總的廢氣流量，因此也會減少相應的有害物質(zhì)排出量。廢氣再循環(huán)過程中廢氣進入每個缸中均勻性主要影響發(fā)動機的工作性能和排放性能。如果每個缸 EGR 率分布不均勻， EGR 率較高的氣缸，廢氣比較多，其氧濃度較小，排煙濃度比較大；EGR 率較低的氣缸，廢氣比較少，混合氣體溫度不能有效降低，NOx排放量也很難得到控制。

1 計算模型

圖1是本文所要研究的各缸EGR均勻性計算的模型，包括進氣總管、EGR管、進氣歧管。利用FIRE M軟件生成六面體體網(wǎng)格如圖1所示。圖 2、3、4分別為一維BOOST計算的扭矩、功率和比油耗與試驗結(jié)果的對比，從圖中可以看出，標定誤差在 3%以內(nèi)，分析模型滿足性能設(shè)計要求。并且進出口和EGR管路進口拉伸20層體網(wǎng)格，防止進出口氣體回流，總體網(wǎng)格數(shù)約33萬。

圖1 進氣歧管三維模型圖和體網(wǎng)格圖

圖2 一維試驗和模擬扭矩值的對比

圖3 一維試驗和模擬功率值的對比

圖4 一維試驗和模擬扭比油耗的對比

2 計算結(jié)果及分析

2.1 邊界條件設(shè)置

圖5 工況一EGR質(zhì)量流量與溫度分布

圖6 工況二EGR 質(zhì)量流量與溫度分布

本文利用一維BOOST計算結(jié)果作為三維瞬態(tài)計算提供周期性質(zhì)量流量和溫度數(shù)據(jù)，計算取兩個工況（工況一為1/2最大EGR率的工況，工況二為最大EGR率的工況）分析EGR分布均勻性。如圖5和圖6所示，兩種工況下，分別對應新鮮空氣入口處、EGR入口處和每個進氣歧管出口。本次瞬態(tài)計算首先計算四個循環(huán)，用于計算收斂。最后計算第五個循環(huán)，用于結(jié)果的輸出。

2.2 評價標準

EGR混合器的設(shè)計目的是使再循環(huán)廢氣均勻的分配到每個氣缸內(nèi)，減小每個缸 EGR 率的差異，滿足發(fā)動機工作穩(wěn)定性及排放指標的需求。因此，需要計算每個缸內(nèi) EGR的分布情況。EGR率偏差的計算如下所示：

（1）EGR率的計算公式如下：

其中，EGRi表示第i缸EGR率[%]；

mEGRi表示第i缸廢氣質(zhì)量流量[kg/h]；

mfi表示第i缸新鮮空氣質(zhì)量流量[kg/h]。

其中，mEGRi表示第i缸的EGR質(zhì)量流量[kg/h]；

mEGR_AVG代表四缸平均EGR質(zhì)量流量[kg/h]。

（3）一個工作循環(huán)的EGR率統(tǒng)計值按如下公式計算：

帶EGR的進氣歧管要求各管道的EGR分布均勻，根據(jù)AVL的經(jīng)驗，為了達到降低NOX目的，要求一個工作循環(huán)內(nèi)EGR流量的相對偏差保持在±10%以內(nèi)。

2.3 CFD結(jié)果分析

方案一的EGR管路數(shù)模如圖7所示，EGR管路入口為無插管的形式。每個氣缸的EGR率與EGR率偏差如下表所示。表中為兩種工況下，一個工作循環(huán)內(nèi)的進氣總量、EGR質(zhì)量流量、EGR率及EGR率偏差。對于工況一，EGR率偏差四缸達到 20.1%明顯偏少，二缸為-23.7%明顯偏多。主要是由于進氣總管內(nèi)無插管，由于新鮮空氣的流動，廢氣沿著管壁流向三缸、四缸，因此一二缸內(nèi)的廢氣量較少，三四缸偏多。

表1 方案一進氣歧管計算結(jié)果

方案二把EGR管路延伸至進氣總管內(nèi)，采用斜切口的形式，并且斜切口短管方向朝向一二缸方向，主要是為了將廢氣引入一二缸。計算結(jié)果顯示工況一，一缸EGR率偏差達到了31%，三缸EGR率降低至-33%。主要原因應該是斜切口的長度擋住了部分廢氣向三缸、四缸流動，因此需要優(yōu)化EGR管路入口的形式和長度。

表2 方案二進氣歧管計算結(jié)果

表3 方案三進氣歧管計算結(jié)果

方案三把EGR管路延伸至進氣總管內(nèi)，EGR管路采用平切口，并且長度縮短。計算結(jié)果顯示工況一和工況二，四個缸的EGR率均降低至[-10%,10%]之間，滿足評價標準的要求。

圖7 依次為方案一、二、三方案的EGR管路模型

3 結(jié)語

本文利用AVL仿真軟件 FIRE 和 BOOST 建立了基于一維、三維的計算模型，研究分析進氣歧管各歧管內(nèi)的EGR均勻性。根據(jù)計算結(jié)果，對EGR管路進行三次優(yōu)化設(shè)計，最終實現(xiàn)該系統(tǒng) EGR 率分布均勻性的結(jié)果，將 EGR 率分布控制在±10%以內(nèi)。為試驗節(jié)省了大量時間和工作，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)支持，為進氣歧管的EGR管路設(shè)計積累了豐富的經(jīng)驗。