柴油機(jī)各缸EGR均勻性研究

何 化，魏 威

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引言

2021年5月26日，生態(tài)環(huán)境部舉行例行發(fā)布會(huì)通報(bào)，7月起，我國(guó)將全面實(shí)施重型柴油車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著我國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)全面進(jìn)入國(guó)六時(shí)代，基本實(shí)現(xiàn)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家接軌。與國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)相比，重型車國(guó)六氮氧化物和顆粒物限值分別減低77%和67%。在排放法規(guī)加嚴(yán)的同時(shí)，汽車油耗法規(guī)也逐年嚴(yán)苛。隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)經(jīng)濟(jì)效益有了更高的期待，希望發(fā)動(dòng)機(jī)能進(jìn)一步降低行駛油耗，降低運(yùn)營(yíng)成本。在此環(huán)境下，很多主流發(fā)動(dòng)機(jī)廠為了滿足排放法規(guī)，又進(jìn)一步提升油耗水平，EGR技術(shù)成為國(guó)六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。EGR技術(shù)在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不降低的前提下，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷需求，將一部分廢氣引入到氣缸內(nèi)進(jìn)行燃燒，再循環(huán)廢氣由于具有惰性將會(huì)延緩燃燒過(guò)程，也就是說(shuō)燃燒速度將會(huì)放慢從而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過(guò)程放慢，進(jìn)而抑制NOx排放物的生成。這樣通過(guò)廢氣再循環(huán)的引入在每一個(gè)工作點(diǎn)都達(dá)到排放和油耗協(xié)同，從而使燃燒過(guò)程始終處于理想的情況達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的目的。采用EGR技術(shù)可以顯著降低氮氧化物的排放，EGR率的大小直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化物和顆粒排放物的排放，因?yàn)樗绊懼鴱U氣和新鮮空氣的混合過(guò)程和燃燒過(guò)程，保證各缸EGR率的均勻性，也是保證排放和經(jīng)濟(jì)性的重要一環(huán)。研究表明：如果EGR率差異大，會(huì)導(dǎo)致各缸燃燒不一致，直接影響整機(jī)排放和經(jīng)濟(jì)性[1-3]。

作者在現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三種不同的EGR混合方案，并基于CFD仿真分析評(píng)估不同的混合方案設(shè)計(jì)對(duì)各缸EGR率均勻性的影響。結(jié)果表明各缸EGR率的大小趨勢(shì)會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化，在高速段和低速段呈現(xiàn)出不同的EGR率走勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)EGR均勻性計(jì)算必須同時(shí)計(jì)算考慮高速段和低速段兩種情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合選取最優(yōu)方案。

1 EGR均勻性CFD仿真分析

本次分析的發(fā)動(dòng)機(jī)為國(guó)內(nèi)某款主流的國(guó)六柴油機(jī)，3個(gè)方案的EGR進(jìn)入進(jìn)氣接管的基本結(jié)構(gòu)類似，都采用帶網(wǎng)眼的鋼管插入進(jìn)氣接管。方案1的EGR進(jìn)氣接管采用4排網(wǎng)眼管；方案2在方案1的基礎(chǔ)上把EGR進(jìn)氣接管插入孔向外側(cè)移動(dòng)1.5 mm，增加廢氣進(jìn)入進(jìn)氣接管的混合；方案3在方案1的基礎(chǔ)上減少1排網(wǎng)眼孔，縮短EGR進(jìn)氣管伸入進(jìn)氣接管的長(zhǎng)度2.5 mm三種不同結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本研究采用AVL三維CFD軟件FIRE，進(jìn)行EGR均勻性分析計(jì)算。

由于在2200 r/min時(shí)，EGR的驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng)，此工況能引入缸內(nèi)的EGR流量最大，因此選擇額定轉(zhuǎn)速2200 r/min做計(jì)算工況點(diǎn)。此外為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況下的各缸的EGR的均勻性，選取在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速1400 r/min作為另一個(gè)計(jì)算工況點(diǎn)。

本研究通過(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，對(duì)于三種EGR混合方案設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)比其中的EGR率差異，最終得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1.1 計(jì)算模型

本次報(bào)告計(jì)算了EGR系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含EGR進(jìn)氣管1、進(jìn)氣接管2、進(jìn)氣總管3，氣缸C1-C6，如圖2所示，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FAME HYBRID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)格模型如圖3所示。將空氣入口和各缸歧管口延長(zhǎng)50mm，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。

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。

圖2 EGR率計(jì)算幾何模型

1.2 邊界條件

計(jì)算的邊界條件通過(guò)建立一維熱力學(xué)計(jì)算模型如圖4所示，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表1，然后進(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4 一維熱力學(xué)模型圖

表1 邊界條件列表

由于標(biāo)定點(diǎn)EGR流量最大，且EGR最高，因此選擇標(biāo)定點(diǎn)2200 r/min做計(jì)算工況點(diǎn)。待滿足2200 r/min工況點(diǎn)后，增加1400 r/min的工況點(diǎn)做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

本研究采用質(zhì)量流量法計(jì)算EGR率，公式如下：

式中：m1是進(jìn)氣行程中EGR廢氣的質(zhì)量流量，m2是進(jìn)氣行程中新鮮空氣的質(zhì)量流量。

在2200 r/min工況，對(duì)于EGR進(jìn)氣管外移距離和EGR混合器伸入長(zhǎng)度都很敏感，3個(gè)設(shè)計(jì)方案均可滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)±10%的要求，計(jì)算結(jié)果見表2。

隨著EGR進(jìn)氣管外移，從表2方案1和方案2的對(duì)比可以看出，方案2前端1-2缸EGR率減小，后端4-6缸EGR率增大，第3缸趨勢(shì)不明顯。總體變化趨勢(shì)較小，各缸的EGR率對(duì)EGR進(jìn)氣管的外移距離敏感。方案3縮短混合器伸入段長(zhǎng)度，相對(duì)方案1前端1-2缸EGR率增大，后端3-6缸EGR率減小。變化趨勢(shì)比較明顯，各缸的EGR率對(duì)EGR進(jìn)氣管伸入長(zhǎng)度敏感。

表2 2200r/min的各缸EGR率和偏差值

在1400 r/min工況，對(duì)EGR進(jìn)氣管外移距離開始不敏感，對(duì)縮短EGR進(jìn)氣管伸入段長(zhǎng)度比較敏感，三個(gè)設(shè)計(jì)方案，方案3滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。計(jì)算結(jié)果見表3。

相對(duì)于方案1，隨著混合器外移，前端1-2缸EGR率減小，后端3-6缸EGR率增大。方案2相對(duì)方案1移動(dòng)1.5 mm時(shí)變化很小不敏感。方案3減少網(wǎng)眼孔縮短EGR進(jìn)氣管伸入段長(zhǎng)度，使得前端1-2缸EGR率減小，后端3-6缸EGR率增大，但趨勢(shì)改變較大，對(duì)伸入段長(zhǎng)度較敏感。

表3 1400r/min的各缸EGR率和偏差值

綜上，方案3兩個(gè)工況點(diǎn)都滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，從以上計(jì)算仿真結(jié)果可以看出：

（1）在2200 r/min時(shí)，三個(gè)方案的EGR率偏差都能控制在±10%。其中方案1和方案2的各缸EGR率均勻性稍微好一點(diǎn)。

（2）在1400 r/min時(shí)，方案1和方案2的各缸EGR率均勻性比較差，其中第2缸的EGR率偏差較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出±10%的目標(biāo)要求。而方案3的各缸EGR率偏差都能控制在±10%以內(nèi)，EGR率均勻性比較好。

（3）考慮發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最大扭矩轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，認(rèn)為方案3最優(yōu)，各缸EGR率均勻性最佳。

3 結(jié)論

在本研究中，針對(duì)三種不同的EGR進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)通過(guò)CFD仿真分析，可以得到結(jié)論：

（1）通過(guò)改變EGR進(jìn)氣管的位置和伸入進(jìn)氣管的深度，可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的EGR率。在EGR進(jìn)氣管外移1.5 mm時(shí)，對(duì)額定轉(zhuǎn)速為2200 r/min和1400 r/min的各缸EGR率有一定的影響，但影響程度不大。EGR進(jìn)氣管伸入進(jìn)氣接管的深度對(duì)各缸的EGR率有較大的影響，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)EGR進(jìn)氣管伸入進(jìn)氣接管的長(zhǎng)度，可以改變各缸均勻性，本研究通過(guò)縮短EGR進(jìn)氣管伸入進(jìn)氣接管的長(zhǎng)度2.5 mm，提高了轉(zhuǎn)速為1400 r/min時(shí)各缸EGR率的均勻性。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)各缸EGR率的均勻性趨勢(shì)，是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量的變化而變化的，計(jì)算必須綜合考慮額定轉(zhuǎn)速和最大扭矩轉(zhuǎn)速的EGR率，選取綜合性能比較好的方案。