某汽油機(jī)EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

李丹丹，胡景彥，宋秀英，郭如強(qiáng)，趙尤飛

(寧波市鄞州德來(lái)特技術(shù)有限公司，浙江寧波 315100)

0 引言

傳統(tǒng)動(dòng)力車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性仍是目前各大車(chē)企著手進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的重點(diǎn)[1]。EGR技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)備受青睞。引入EGR可以在高負(fù)荷時(shí)抑制爆震和減少燃料富集區(qū)域從而改善燃燒效率，在部分負(fù)荷時(shí)可減少泵氣損失，從而提高整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性[2,5]。

EGR系統(tǒng)作為引入EGR的通道，其合理的設(shè)計(jì)尤為重要。當(dāng)EGR從進(jìn)氣總管處引入時(shí)，各缸EGR的均勻性由EGR混合器來(lái)保證，合理的EGR混合氣設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)較好的EGR均勻性，但該引入形式EGR的瞬態(tài)響應(yīng)速度慢。此設(shè)計(jì)中，為提高EGR的瞬態(tài)響應(yīng)速度，由各個(gè)進(jìn)氣歧管處引入EGR。

合理的EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮兩點(diǎn)：(1)各缸EGR均勻性，即每循環(huán)引入各缸的EGR量是否一致；(2)該系統(tǒng)是否能提供足夠的EGR。作者首先基于GT-SUIT及STAR-CCM+，通過(guò)一維三維耦合計(jì)算對(duì)所設(shè)計(jì)的EGR穩(wěn)壓腔及EGR支管進(jìn)行EGR均勻性分析，得到可以滿(mǎn)足各缸EGR均勻性的EGR穩(wěn)壓腔和EGR支管的設(shè)計(jì)；然后基于STAR-CCM+，對(duì)整個(gè)EGR系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析，獲得具有所要求EGR率能力的EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)；最終完成了滿(mǎn)足性能需求的EGR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 EGR均勻性設(shè)計(jì)分析

1.1 幾何模型

各缸EGR均勻性由以下因素決定：(1)EGR穩(wěn)壓腔的形狀；(2)EGR各支管孔徑。為此先后做了3個(gè)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示，Case1為方案一，Case2為方案二，Case3為方案三。

圖1 不同設(shè)計(jì)方案的幾何模型

圖1中，Case1和Case2 EGR各支管孔徑相同均為16 mm；Case3的EGR各支管孔徑不同，一缸至四缸孔徑分別為18.5、16、13.5、14.5 mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用多面體網(wǎng)格，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸8 mm，最小網(wǎng)格尺寸2 mm，邊界層兩層，EGR管路及EGR各支管處給定邊界層3層，總網(wǎng)格數(shù)17萬(wàn)。劃分后的三維CFD計(jì)算域如圖2所示。

1.3 一維三維耦合

采用一維三維耦合的計(jì)算分析模式，需分別設(shè)置一維和三維計(jì)算模型。耦合計(jì)算用一維模型如圖3所示。

圖2 Case1三維CFD計(jì)算域網(wǎng)格

圖3 耦合計(jì)算用一維模型

一維熱力學(xué)模型單獨(dú)計(jì)算48個(gè)循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定收斂，因此在一維三維耦合計(jì)算時(shí)，一維熱力學(xué)模型預(yù)運(yùn)算取60個(gè)循環(huán)，耦合計(jì)算23個(gè)循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定，共計(jì)算83個(gè)循環(huán)。

瞬態(tài)模擬時(shí)，一維三維數(shù)據(jù)在邊界進(jìn)行交換來(lái)考察新鮮空氣及EGR在各缸之間的分布情況。

1.4 EGR均勻性結(jié)果分析

各缸平均EGR率定義：耦合計(jì)算最后一個(gè)循環(huán)進(jìn)入各缸的平均EGR率。

從圖4所示的各缸平均EGR率與偏差可以看出： (1)Case1中EGR率從4缸到1缸依次減小。各缸EGR率均勻性偏差最大時(shí)為-31.42%，最大絕對(duì)偏差為48.96%遠(yuǎn)大于推薦值10%，表明Case1的EGR分布均勻性較差，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。(2)Case2中1缸EGR率較其他3缸要大得多，幾乎是3缸4缸的兩倍多，3缸和4缸的EGR較為一致。各缸EGR率均勻性偏差最大時(shí)為64.11%，最大絕對(duì)偏差為97.45%遠(yuǎn)大于推薦值10%，總體來(lái)看Case2的EGR率均勻性較差，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。(3)Case3中各缸EGR率均勻性偏差最大時(shí)為-4.79%，最大絕對(duì)偏差為9.22%小于推薦值10%，表明Case3的EGR分布呈現(xiàn)良好一致性，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 各缸平均EGR率與偏差

從圖5所示的各缸歧管出口處平均EGR率云圖中可以看出：(1)Case1中平均EGR率從4缸到1缸依次減小。(2)Case2中平均EGR率1缸和2缸較高、3缸和4缸較低。(3)Case3中平均EGR率3缸和2缸略偏高、1缸和4缸略偏低。

圖5 各缸歧管出口處平均EGR率云圖

從圖6所示的平均EGR率Surface云圖可以看出：(1)Case1中從4缸到1缸平均EGR率依次減小。分析原因：離EGR入口越近壓損越小，平均壓力越大，導(dǎo)致EGR向壓力較低的進(jìn)氣穩(wěn)壓腔方向流動(dòng)較多，最終進(jìn)入缸內(nèi)的EGR量較多。(2)Case2中1缸明顯較大、3缸和4缸明顯較小。分析原因：EGR管路布置的EGR入口方向更有利于EGR進(jìn)入1缸，導(dǎo)致1缸EGR濃度較高；而3缸4缸較為均勻。(3)Case3中3缸和2缸EGR率較大、1缸和4缸相對(duì)較小。

圖6 平均EGR率Surface云圖

綜上所述，所設(shè)計(jì)的3個(gè)方案中Case3的設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足各缸EGR均勻性的要求。至此便得到了可以滿(mǎn)足各缸EGR均勻性的EGR穩(wěn)壓腔和支管的設(shè)計(jì)。但要實(shí)現(xiàn)25%EGR率，還需要進(jìn)行EGR系統(tǒng)其余部分的設(shè)計(jì)。這也將是作者接下來(lái)的工作。

2 EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

所設(shè)計(jì)的EGR系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：在結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足基本設(shè)計(jì)要求的前提下，具有提供25%EGR率的能力。由一維熱力學(xué)計(jì)算分析可得，EGR率25%時(shí)EGR系統(tǒng)前后壓差為5 500 Pa，相應(yīng)的質(zhì)量流量為9.32 g/s。因此，只要所設(shè)計(jì)的EGR系統(tǒng)在EGR閥全開(kāi)、質(zhì)量流量為9.32 g/s時(shí)，壓力損失小于5 500 Pa，那么該系統(tǒng)便具有提供25%EGR率的能力。

2.1 幾何模型

作者先后制定了兩個(gè)方案，各方案EGR系統(tǒng)內(nèi)腔幾何模型如圖7所示。在此指出：圖中所示的冷卻器和EGR閥為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定后的簡(jiǎn)化幾何。方案一中EGR閥兩側(cè)進(jìn)出口管徑為18 mm，冷卻器進(jìn)出口管徑為16 mm，其他位置EGR管徑為20 mm。另外，為減少壓損將接口處改為錐形，EGR閥采用電磁閥，如圖7(a)所示。方案二中EGR各處管徑為20 mm，接口處同樣為錐形，EGR閥采用電機(jī)閥。

圖7 各方案EGR系統(tǒng)內(nèi)腔幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

采用多面體網(wǎng)格，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸2 mm，最小網(wǎng)格尺寸0.5 mm，邊界層兩層，總網(wǎng)格數(shù)49萬(wàn)。劃分后的三維CFD計(jì)算域如圖8所示。

圖8 方案一EGR系統(tǒng)CFD計(jì)算域網(wǎng)格

2.3 結(jié)果分析

需指出：考慮到EGR冷卻器及EGR閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于建模，在保證計(jì)算精度的前提下縮短計(jì)算時(shí)間，對(duì)EGR冷卻器及EGR閥采用簡(jiǎn)化幾何模型。該簡(jiǎn)化模型是根據(jù)EGR冷卻器及EGR閥的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)(流量和壓損)對(duì)幾何模型進(jìn)行標(biāo)定后得到的，故與實(shí)際模型等效。

表1中給出了EGR閥全開(kāi)、入口質(zhì)量流量為9.32 g/s時(shí)，所設(shè)計(jì)兩方案EGR系統(tǒng)的壓力損失。可以看出：方案一進(jìn)出口總壓損為8 768 Pa>5 500 Pa，故該EGR系統(tǒng)幾何設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足需求，該EGR系統(tǒng)若要具備提供25%EGR率的性能，需進(jìn)一步降低整個(gè)EGR系統(tǒng)的壓損。方案二進(jìn)出口總壓損為3 892 Pa<5 500 Pa，且有29.25%的余量，故該EGR系統(tǒng)幾何設(shè)計(jì)滿(mǎn)足需求，該EGR系統(tǒng)具備提供25%EGR率的性能，且余量充足。

表1 各方案壓力損失 Pa

EGR系統(tǒng)壓力云圖如圖9所示，可以看出：兩個(gè)方案均為冷卻器和EGR閥位置處壓損較大，可以明顯看出方案一總壓損更大且壓損最大位置在EGR閥處。從圖10可以看出：方案一冷卻器進(jìn)口側(cè)和EGR閥處的流速最大，表明該處壓力損失最大，尤其是EGR閥處；方案二管路拐彎處、冷卻器與EGR閥位置處的氣流速度較快。通過(guò)以上云圖分析可知：由電磁閥更換為電機(jī)閥顯著降低了EGR閥處的壓損，使得整體壓損減小。

圖9 各方案EGR系統(tǒng)壓力云圖

圖10 各方案EGR系統(tǒng)速度云圖

綜上所述，所設(shè)計(jì)的兩個(gè)方案中方案二的設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足25%EGR率的性能需求。

3 結(jié)論

(1)此設(shè)計(jì)中，EGR由各個(gè)進(jìn)氣歧管處引入，各缸EGR均勻性通過(guò)EGR穩(wěn)壓腔和EGR支管設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，Case3的設(shè)計(jì)各缸EGR率均勻性偏差最大時(shí)為-4.79%，最大絕對(duì)偏差為9.22%小于推薦值10%，表明其各缸EGR分布呈現(xiàn)良好一致性，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；

(2)EGR系統(tǒng)EGR閥全開(kāi)、入口質(zhì)量流量為9.32 g/s時(shí)，方案二進(jìn)出口總壓損為3 892 Pa<5 500 Pa，且有29.25%的余量，故該EGR系統(tǒng)具備提供25%EGR率的性能，且余量充足；

(3)所設(shè)計(jì)的EGR系統(tǒng)具備提供25%EGR率的性能，且各缸EGR分布能夠呈現(xiàn)良好一致性。