機(jī)車增壓柴油機(jī)廢氣再循環(huán)設(shè)計(jì)與校核

白文濤，王雪琦，崔志軍，陳文軒，胡曉宇

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

在全國(guó)各個(gè)鐵路局中，內(nèi)燃機(jī)車的保有量仍然不小，而隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，機(jī)車用柴油機(jī)的氮氧化物值越來(lái)越難滿足要求，所以現(xiàn)在為了降低排放物中氮氧化物的含量采用了很多技術(shù)[1]。如選擇性催化還原（SCR），該方案是將還原劑尿素或氨參入排放的尾氣中，最后經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)生成氮?dú)夂退?，這兩種綠色無(wú)污染物質(zhì)；也有使用機(jī)內(nèi)進(jìn)化措施降低氮氧化物的排放，如改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)和燃燒室形狀、推遲燃油提前角、高壓多段噴射、廢氣再循環(huán)（EGR）、加乙醇燃燒等等，本研究的是EGR技術(shù)在降低氮氧化物碰到的實(shí)際問(wèn)題，其中一個(gè)最主要的就是在某些情況時(shí)，增壓柴油機(jī)存在進(jìn)氣壓力大于排氣壓力大，導(dǎo)致無(wú)法將廢氣順利導(dǎo)入到進(jìn)氣系統(tǒng)中，這就使得在部分工況下廢氣再循環(huán)系統(tǒng)無(wú)法工作[1]。對(duì)于該問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)一款文丘里管將廢氣順利引入進(jìn)氣系統(tǒng)中，讓某機(jī)車增壓柴油機(jī)在所有工況下能夠順利進(jìn)行廢氣再循環(huán)，從而降低氮氧化物的排放量。

1 文丘里管的設(shè)計(jì)原理

文丘里管的工作原理和引射器差不多，是一種縮擴(kuò)型噴管結(jié)構(gòu)。按照氣體的流動(dòng)方向，文丘里管由收縮噴嘴段、喉口混合段和擴(kuò)壓段三部分組成，圖1為文丘里管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 文丘里管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

氣體由進(jìn)氣管流入，開(kāi)始進(jìn)入收縮段，由于直徑減小在收縮段內(nèi)有一個(gè)氣體壓縮過(guò)程，氣體流動(dòng)速度加快，馬赫數(shù)增加，并且氣體的密度、壓力和溫度都會(huì)減小；然后進(jìn)入喉口混合段，此時(shí)氣體壓力應(yīng)該降到了廢氣引入管以下形成背壓環(huán)境，使得廢氣能夠順利進(jìn)入進(jìn)氣管與新鮮空氣充分混合，當(dāng)廢氣與新鮮空氣在喉口混合段完成了混合之后，馬上就進(jìn)入擴(kuò)壓段，進(jìn)入擴(kuò)壓段的氣體此時(shí)也處于亞音速的情況下，氣體壓力慢慢上升，溫度和密度都增加，氣體流動(dòng)速度變小，氣體完成膨脹階段[2]。就是這個(gè)原理的作用，使得在收縮段，氣體壓力不斷減小直到降至廢氣壓力以下，這就讓廢氣壓力在壓力查的推動(dòng)下順利進(jìn)入到進(jìn)氣管，從而實(shí)現(xiàn)了廢氣引入。同時(shí)，在氣體膨脹過(guò)程中，壓力提高，不至于引起進(jìn)氣壓力的大幅度下降，減小了壓力損失，并且配合其他的方法，文丘里管還能在不消耗機(jī)械功的前提下進(jìn)行廢氣引入與混合[3]。

文丘里管有并聯(lián)與串聯(lián)兩種連接方式，處于對(duì)柴油機(jī)尺寸和結(jié)構(gòu)的考慮，選用了并聯(lián)的方式連接，文丘里管的進(jìn)口連在壓氣機(jī)的出口端，文丘里管的出口連在渦輪機(jī)的進(jìn)口端。

2 文丘里管基本參數(shù)計(jì)算

增壓柴油機(jī)在高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣壓力相對(duì)排氣壓力較高，所以選擇柴油機(jī)在100%負(fù)荷下轉(zhuǎn)速為1000 r/min作為參考工況，對(duì)文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，邊界條件為；文丘里管進(jìn)口段與出口端的直徑與進(jìn)氣管的直徑相等d1=d2=160 mm，壓氣機(jī)出口端壓力p1=0.32 MPa，空氣溫度T=340 K，進(jìn)氣流量m=2.12 kg/s，渦輪機(jī)進(jìn)口段壓力p=0.253 MPa，R為氣體常數(shù)，這里取值287 J/（kg·K），κ取值1.4，將進(jìn)氣壓力與廢氣壓力的壓差設(shè)置為△p=5×104Pa使用上述公式可得到：

氣體密度：

氣體流速：

當(dāng)?shù)匾羲伲?/p>

馬赫數(shù)：

由馬赫數(shù)結(jié)合氣體動(dòng)力函數(shù)表，使用線性插值法可以得：

上式中：Acr為臨界截面積，mm2；dcr為臨界直徑。

渦輪機(jī)前端的背壓對(duì)文丘里管喉口混合段的壓力值起關(guān)鍵性作用，那么喉口設(shè)計(jì)壓力：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果查詢氣體動(dòng)力函數(shù)表，加上線性插值法算出：

選取收縮段的錐角為24°，使之符合錐角在10°～40°的合理范圍。

選取擴(kuò)壓段錐角為14°，使之符合錐角在11°～18°的合理范圍。

其二維草圖如圖2所示，二維模型如圖3所示。

圖2 文丘里管二維建模草圖

3 對(duì)設(shè)計(jì)的文丘里管進(jìn)行校核

使用Catia三維建模軟件構(gòu)建出圖3中文丘里管的三維模型。并將這個(gè)模型導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和模擬計(jì)算。在Fluent中需要設(shè)置流體物質(zhì)、明確求解計(jì)算模型和湍流模型、設(shè)置邊界條件等等，在此次流體計(jì)算過(guò)程中將文丘里管里面的氣體視為三維不可壓縮黏性湍流流動(dòng)，求解器模型選擇SIMPLE算法，湍流模型使用模型，認(rèn)為EGR中引入的廢氣與新鮮空氣混合不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只有能量交換。

圖3 文丘里管的三維模型

采用100%負(fù)荷、EGR率為5%時(shí)的柴油機(jī)工況進(jìn)行三維模擬仿真。將文丘里管進(jìn)口和廢氣引入管進(jìn)口的質(zhì)量流量分別作為進(jìn)口邊界，如圖4所示，文丘里管的出口設(shè)置為壓力出口，質(zhì)量流量和出口壓力的數(shù)值在GT-power一維仿真的后處理中可得到，如表1所示。

圖4 Fluent中文丘里管網(wǎng)格劃分

表1 文丘里管模型設(shè)置數(shù)據(jù)

通過(guò)Fluent模擬，得到如圖5、圖6所示的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)。

圖5 文丘里管外表Fluent壓力場(chǎng)分布

圖6 文丘里管截面Fluent速度場(chǎng)分布

由圖可知，采用100%負(fù)荷、EGR率為5%時(shí)的柴油機(jī)工況下的壓力分布梯度很明顯，從文丘里管進(jìn)口處的0.32 MPa降低到了在喉口混合段的0.242 MPa左右，滿足了低于廢氣引入管內(nèi)壓力的引入要求，并且降低值明顯小于ω=30°時(shí)的0.12 MPa，能量損失較小，且在廢氣引入過(guò)與喉口段的交界處的局部低壓區(qū)相比ω=30°時(shí)有所減小，在擴(kuò)壓段的過(guò)程中壓力漸漸恢復(fù)到了0.27 MPa，在文丘里管的出口處每一處地方的壓力也都達(dá)到了一樣。在速度矢量圖上能夠看出，在擴(kuò)壓段外圍的低速區(qū)消失，在中間部分出現(xiàn)低速區(qū)，且呈拋物線，基本滿足廢氣再循環(huán)的要求。

4 使用GT-power軟件對(duì)設(shè)計(jì)的文丘里管進(jìn)行模擬仿真

確定了文丘里管的結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，在GT-power中建立模型。如圖7所示，在GT-power中將會(huì)把文丘里管分成三段，壓縮段和擴(kuò)壓段用錐形管來(lái)代替，喉口混合段和廢氣引入管作為一個(gè)整體代替。且會(huì)在壓氣機(jī)之后的進(jìn)氣管內(nèi)和廢氣引入管內(nèi)加裝兩個(gè)閥門(mén)，前者稱為進(jìn)氣管EGR閥，用來(lái)控制進(jìn)氣量。后者稱為排氣管EGR閥（即廢氣旁通閥），如圖7所示，隨著氣閥開(kāi)啟角的增加，廢氣引入會(huì)增加，那么進(jìn)氣中廢氣比例上升，所以EGR率會(huì)逐漸增加，以此原理來(lái)控制廢氣的引入量以達(dá)到控制EGR率的目的。運(yùn)行該模型進(jìn)行模擬仿真，并且將模擬結(jié)果與原機(jī)進(jìn)行比較。

圖7 增加EGR系統(tǒng)后機(jī)車增壓柴油機(jī)GT-Power模型

表2 模擬結(jié)果與原機(jī)比較

通過(guò)比較數(shù)據(jù)得出：通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)出的文丘里管基本能夠?qū)崿F(xiàn)將廢氣順利引入進(jìn)氣系統(tǒng)中，克服排氣管與進(jìn)氣管之間的壓力逆差，但是隨著廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的使用，柴油機(jī)氮氧化物的排放得到降低，但是功率、扭矩有所降低，油耗也略微升高。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）增壓柴油機(jī)要采用廢氣再循環(huán)技術(shù)改善NOx排放性能，必須采用特殊方法克服排氣管與進(jìn)氣管之間的壓力逆差，才能將足量的廢氣送入進(jìn)氣管，從而實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)，并且可以根據(jù)柴油機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)與校核。

（2）通過(guò)對(duì)增壓柴油機(jī)排放特性分析，可以看出100%負(fù)荷時(shí)，在增壓柴油機(jī)中加入EGR可以充分降低NOx排放量；但是相應(yīng)的功率、扭矩有所降低，油耗和碳煙的排放升高。