基于CFD仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證的EGR率均勻性研究

張 雷 ，魏 威 ，黃燁均

（1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西汽車行業(yè)協(xié)會(huì)，廣西 南寧530000）

0 前言

我國(guó)非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的保有量較高，但相比車用柴油機(jī)，非道路用柴油機(jī)的排放控制技術(shù)相對(duì)落后很多，減排潛力巨大。柴油機(jī)排放控制的重點(diǎn)是氮氧化物（NOx）和顆粒（PM）排放，由于NOx和PM生成機(jī)理的矛盾性，柴油機(jī)的排放控制技術(shù)比汽油機(jī)更為復(fù)雜，為了保證柴油機(jī)的性能，減少對(duì)后處理技術(shù)的依賴并節(jié)約成本，機(jī)內(nèi)凈化一直是排放控制研究和應(yīng)用的核心。研究表明：廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)是目前降低柴油機(jī)NOx排放最有效的技術(shù)之一[1-4]。在多缸柴油機(jī)上采用EGR系統(tǒng)時(shí)，如果各缸EGR率不均勻，會(huì)導(dǎo)致各缸工作不一致，影響整機(jī)排放和動(dòng)力性。

前期設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、低成本的廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)，并采用八工況法實(shí)驗(yàn)研究了該EGR系統(tǒng)對(duì)非道路用柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響，結(jié)果表明非道路柴油機(jī)采用該EGR系統(tǒng)的八工況加權(quán)比排放量滿足第三階段排放限值的要求[5]。本文進(jìn)一步本文通過(guò)CFD仿真分析與試驗(yàn)相結(jié)合，研究最大EGR率為12%的非道路國(guó)三排放增壓非中冷柴油機(jī)在有無(wú)EGR混合器情況下的EGR均勻性差異與整機(jī)各缸均勻性差異。

1 EGR混合CFD仿真分析

本次分析采用一維熱力學(xué)軟件BOOST和三維CFD軟件FIRE，由BOOST計(jì)算提供瞬態(tài)的計(jì)算邊界，由FIRE做三維EGR分布計(jì)算。

通過(guò)CFD仿真分析研究，可以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步判定，因此本文對(duì)有無(wú)EGR混合器兩種EGR管方案進(jìn)行仿真分析對(duì)比。

1.1 計(jì)算模型

如圖1，EGR混合幾何模型主要包含進(jìn)氣管1、進(jìn)氣接管2、廢氣進(jìn)氣管4，方案一沒(méi)有EGR混合器3，方案二采用EGR混合器3。EGR混合器為末端為斜切口的圓管，伸入長(zhǎng)度為三分之一進(jìn)氣接管直徑。

圖1 EG R混合幾何模型

1.2 計(jì)算邊界

本次仿真分析使用了UG軟件生成三維模型，通過(guò)將UG模型導(dǎo)入FIRE軟件，使用自動(dòng)網(wǎng)格生成器FAMEHYBRID生成了網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量約為200萬(wàn)個(gè)，計(jì)算網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2。將空氣入口和各缸歧管口延長(zhǎng)80 mm，再將延長(zhǎng)段網(wǎng)格與進(jìn)氣系統(tǒng)網(wǎng)格通過(guò)arbit工具連接，這樣能保證各個(gè)進(jìn)出口的網(wǎng)格垂直于氣流方向，有利于計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定。

圖2 EG R混合網(wǎng)格模型

計(jì)算使用的湍流模型為k-ε兩方程湍流模型，近壁面處采用了壁面函數(shù)法。

計(jì)算的邊界條件來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)一維熱力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得到進(jìn)氣系統(tǒng)各進(jìn)出口的周期性邊界條件，見(jiàn)圖3~圖6。進(jìn)行三維的瞬態(tài)CFD計(jì)算，最后得到進(jìn)氣歧管各出口EGR率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系曲線。

圖3 一維熱力學(xué)模型圖

圖4 各測(cè)量面質(zhì)量流量

圖5 空氣入口質(zhì)量流量

圖6 EG R入口質(zhì)量流量

1.3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)CFD仿真計(jì)算可以輸出發(fā)動(dòng)機(jī)各缸c1~c4的瞬態(tài)EGR率，見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 無(wú)EG R混合器方案各缸瞬態(tài)EG R率

圖8 有EG R混合器方案各缸瞬態(tài)EG R率

根據(jù)質(zhì)量加權(quán)計(jì)算公式求出一個(gè)循環(huán)內(nèi)的各缸平均EGR率以及各缸的平均EGR率偏差（見(jiàn)圖9、圖10橫坐標(biāo)為氣缸編號(hào)，縱坐標(biāo)為EGR率）。

圖9 各缸平均EG R率

圖10 各缸平均EG R率偏差

從以上計(jì)算仿真結(jié)果可以看出：

（1）兩個(gè)方案的第1、2缸的平均EGR率均偏低，第3、4的平均EGR率均偏高，這個(gè)主要是因?yàn)檫M(jìn)氣管進(jìn)氣口位置造成。

（2）無(wú)EGR混合器方案的第1、第2的瞬態(tài)EGR率波動(dòng)很大。有EGR混合器方案的各缸瞬態(tài)EGR率較平穩(wěn)。

（3）無(wú)EGR混合器方案的各缸加權(quán)EGR率相對(duì)有EGR混合器方案偏差略大，即無(wú)EGR混合器方案混合更不均勻，但最大偏差僅7.7%，小于±10%的標(biāo)準(zhǔn)。而有EGR混合器方案最大偏差也達(dá)到5.6%。

（4）綜上，認(rèn)為針對(duì)該小EGR率機(jī)型不采用EGR混合器方案也是可行的。

2 試驗(yàn)對(duì)比分析

由于試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)條件的局限性，無(wú)法測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)各缸分別的EGR率，也很難測(cè)出各缸發(fā)出功率、排放污染物。因此本試驗(yàn)僅做出有無(wú)EGR混合器兩方案的排放工況點(diǎn)的功率和污染物排放對(duì)比，以及第1缸至4缸依次停缸的功率對(duì)比，通過(guò)排放工況點(diǎn)功率和污染物排放對(duì)比以及各缸功率均勻性判斷兩方案的性能差異。通過(guò)各缸功率均勻性進(jìn)一步輔證EGR混合均勻性。一般認(rèn)為各缸均勻性在5%以內(nèi)是合理的。

2.1 試驗(yàn)條件

測(cè)功機(jī)：AVL公司INDYS22-4

環(huán)境溫度：（25±15）℃或按試驗(yàn)要求

相對(duì)濕度：不控制

大氣壓力：（95 ± 15）kPa

大氣因子要求：0.96≤fa≤1.06

機(jī)油：YC800 CH4-4/SJ15 W/40

燃油：0#柴油

冷卻液：臺(tái)架軟水

燃油溫度：（38 ± 2）℃

中冷后進(jìn)氣溫度：（49±2）℃

排氣溫度（渦前）：≤ 720℃

排氣背壓：≤10 kPa

進(jìn)氣負(fù)壓：≤-6 kPa

機(jī)油溫度（油底殼）：≤ 130℃；

機(jī)油壓力（主油道標(biāo)定點(diǎn)）：0.3～0.6 MPa。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)按技術(shù)條件磨合好之后進(jìn)行性能調(diào)試，性能合格后進(jìn)行排放工況點(diǎn)的功率、排放測(cè)試，標(biāo)況點(diǎn)功率、綜合排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)（八工況）見(jiàn)表1。

表1 工況點(diǎn)功率、排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)

然后在進(jìn)行停缸試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 停缸試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，可以看出有無(wú)EGR混合器方案的功率偏差很小，接近于測(cè)功機(jī)精度，主要排放污染物CO、NOx+HC的偏差也較小，PM的偏差雖然略大，但是絕對(duì)值都較小，遠(yuǎn)低于排放法規(guī)要求。因此，可以認(rèn)為針對(duì)本機(jī)型有無(wú)EGR混合器對(duì)性能、排放的影響可以忽略。

而根據(jù)表2，可以計(jì)算出兩方案各缸功率均勻性，如圖11?？梢钥闯?，有EGR混合器方案的各缸功率均勻性與無(wú)EGR混合器方案差異不大，且均小于5%。

圖11 各缸功率均勻性偏差對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)CFD仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到結(jié)論：

（1）對(duì)于采用無(wú)冷卻器的廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)的柴油機(jī)，能滿足非道路第三階段排放限值。

（2）對(duì)于小EGR率增壓非中冷柴油機(jī)，新鮮空氣遠(yuǎn)多于廢氣，自由混合可能就已經(jīng)比較均勻，有無(wú)EGR混合器對(duì)EGR率均勻性影響很小。