某柴油機進氣歧管EGR分布的CFD模擬與優化

伊士旺，關昊，彭成，趙錚，張德勝（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

某柴油機進氣歧管EGR分布的CFD模擬與優化

伊士旺，關昊，彭成，趙錚，張德勝
（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定071000；
2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

廢氣再循環（EGR）可以有效降低NOx排放。對于采用EGR技術的多缸柴油機，若各缸廢氣分配不均會影響其燃燒穩定性，導致各缸工作不一致。本文采用1D-3D耦合計算方法，對柴油機部分負荷工況點進行CFD分析。通過對比EGR管出口處速度流場及各缸EGR率，找到優化方向，解決產品實際問題。

柴油機廢氣再循環進氣歧管CFD

1　　前言

近期國家對環境問題日趨重視，且排放法規越來越嚴格，如何降低車輛排放已成為亟待解決的問題。柴油機的排放物主要為NOx和顆粒。研究表明，廢氣再循環技術（EGR）是降低柴油機NOx排放最為有效的技術措施之一。EGR系統一般可通過內部EGR和外部EGR兩種方式來實現循環。外部EGR是通常所指的EGR，是將部分廢氣通過進氣歧管引入燃燒室，以降低缸內氧濃度和燃燒溫度，達到降低NOx排放的目的［1］。對于采用EGR技術的多缸柴油機，若各缸EGR分配不均，會導致各缸的燃燒差異變大，進而影響各缸工作一致性，使NOx排放難以控制。本文利用CFD方法對多缸柴油機進氣歧管內EGR分布進行數值模擬，并依據仿真結果完成對EGR管結構的優化［2］。

2　　模型建立與分析方法

2.1問題描述

公司研發的某3.0L六缸柴油機在排放性能摸底試驗期間出現各缸燃燒數據不一致現象，且排放難以控制。圖1為轉速1 500 r/min、平均有效壓力400 kPa工況的氣缸壓力曲線。通過分析發現，第3、第4缸的最大爆發壓力明顯低于其他4個缸，且其氣缸壓力曲線的第二個峰值明顯低于第一個峰值，這說明存在主燃期燃燒不充分的現象。另外通過分析外特性的燃燒數據，發現各缸的氣缸壓力的一致性保持較好。初步判斷為部分負荷工況下，由于各缸EGR廢氣分配不均勻導致燃燒差異性較大。

圖1　1500　r/min部分負荷工況的氣缸壓力曲線

2.2 1D模型

本次分析采用1D-3D耦合計算方法，邊界條件由AVL公司1D熱力學軟件BOOST提供，3D模型由流體軟件Fire計算。1D模型見圖2所示，虛線框內表示進氣歧管和EGR部分。1D模型和3D模型的數據傳遞通過圖2中的link單元完成。

圖2　1D模型

在1D-3D耦合計算過程中BOOST模型首先單獨計算30個循環，使1D結果達到收斂，然后自動通過link單元將邊界條件（質量流量和溫度等）傳遞給3D模型。Fire應用1D模型計算得到的邊界條件單獨計算一個循環，得到初始的流場分布。最后，BOOST和Fire開始耦合計算，雙方計算每一曲軸轉角都相互交換數據。本次分析計算10個循環達到收斂，如圖3所示。

圖3　1D-3D耦合計算示意圖

本文選擇3個部分負荷工況進行計算，轉速和平均有效壓力分別為1 500 r/min和400 kPa、2 000 r/min和700 kPa、2 700 r/min和300 kPa，以后分別稱為工況1、工況2和工況3，其EGR率覆蓋范圍為20%～40%。為滿足不同工況下各缸EGR分配均勻，所以對EGR管結構設計有更高的要求。

2.3 CFD模型

計算模型是依據實際進氣系統3D模型得到的內流場結構，如圖4所示。受節氣門位置限制，進氣總管較短，EGR管布置在進氣總管與穩壓腔接合處，所以廢氣與新鮮空氣混合距離非常有限。原機的EGR管設計了一個開孔，開口方向與新鮮充量進氣方向相反。

圖4　CFD模型

本文采用AVL-Fire軟件進行CFD計算，以評估各氣缸EGR率的均勻性。計算網格為90%六面體的混合型網格，為節省計算時間，網格單元數量控制在14萬個以內。

3　　計算結果

3.1評價指標

EGR率計算公式為

其中，EGR為EGR率，mEGR為EGR的質量流量，mf為新鮮空氣的質量流量。

本次分析可以統計出每個缸進入的廢氣量和新鮮充量，從而可以得到各缸的EGR率。

一個工作循環的EGR率統計值計算公式為

本文將各缸的EGRi與EGRAVG之間的差值定義為差異σ，如式（3）所示。

其中，i為各氣缸。

采用EGR技術的多缸柴油機要求進氣歧管各支管的EGR分布均勻。根據經驗，一個工作循環的各缸EGR率差異最大為10%，即最大差異與最小差異的差值［3］。

3.2結果分析

3.2.1原機EGR率分布情況

對原機在工況1，各缸EGR率及與平均EGR率差異的計算結果如圖5所示。

圖5　　原機工況1下的各缸EGR率對比結果

圖中結果表明，第4缸的EGR率最大，第3缸次之，第1、2、5、6缸的EGR率則基本相同，但都低于平均值。各缸間的最大EGR率差異為11.65%，大于評價指標10%。

EGR流場分布云圖也可以體現出各缸在進氣時的EGR分布情況，在各缸進氣流量最大時刻截取EGR流場分布云圖。根據圖5的結果，在此只給出了第1缸和第4缸的EGR流場分布云圖，如圖6～圖7所示。

從EGR流場分布云圖可以看出，不管是第1缸進氣還是第4缸進氣，第3缸、第4缸進氣支管區域的EGR率明顯高于其他4個缸。這說明當EGR管只開一個孔時，廢氣與新鮮空氣混合不充分，主要停滯在進氣歧管穩壓腔中部附近，使得位置處于中間的第3、第4缸的EGR率較高。

圖6　第1缸進氣時EGR流場分布

圖7　第4缸進氣時EGR流場分布

3.2.2優化思路

基于原機各氣缸EGR率分布不均的實際狀況，制定出以下3個優化方案，從中選出優化結果。

（1）原機的EGR管只開一個孔，且開孔方向與新鮮充量進氣方向相反。若將開孔方向改為與新鮮充量進氣方向一致，則更加不利于廢氣與新鮮空氣混合。此方案不可取，不予考慮。

（2）若EGR管開兩個孔，分兩種情況。當兩孔連線與新鮮充量進氣方向一致時，此種情況和只開一孔結果類似，第3、第4缸的EGR率會高于其他氣缸；當兩孔連線與新鮮充量進氣方向垂直時，此種情況不利于廢氣在第3、第4缸進氣支管區域分布，使得第3、第4缸的EGR率低于其他氣缸，會促使各氣缸EGR率趨于一致。

（3）根據以上兩點推測，結合發動機為6缸柴油機，且進氣總管布置在第3、第4缸中間，可設計EGR管開孔為3個。其中一個孔方向設置與新鮮充量進氣方向一致，三孔對稱分布。此方案可保證第3、第4缸EGR率，又可以兼顧其他缸EGR分布，在此作為優化方案，如圖8所示。

圖8　EGR管三孔示意圖

圖9　優化后工況1的EGR分布情況

圖10　優化后工況2的EGR分布情況

圖11　優化后工況3的EGR分布情況

圖12　第1缸進氣時EGR流場分布

圖13　第4缸進氣時EGR流場分布

3.2.3優化方案結果

對于優化后方案，分別計算其工況1至工況3，各缸EGR率及與平均EGR率的差異如圖9至圖11所示。

由此可見，優化后這3個工況點的各缸間最大EGR率差異分別為4.84%、5.04%、4.97%，均在評價指標10%以內，滿足了設計要求。

圖12和圖13分別為工況3下第1缸和第4缸進氣時，進氣管內EGR流場分布云圖。從圖中可以看出，當第1缸進氣或者第4缸進氣時，整個穩壓腔內的EGR分布比較均勻。這說明當EGR管開3個孔時，廢氣與新鮮空氣能夠實現在不同EGR率下均勻混合。

后期對優化方案進行了樣件制作，并對排放點

及外特性工況進行試驗驗證。試驗結果表明，在工況1下，最大爆發壓力（Pmax）變動控制在200 kPa內，最大爆壓對應的曲軸轉角變動（φPmax）控制在1℃A以內，各缸的燃燒數據一致性較好，有效地改善了燃燒循環變動，如圖14所示。此外，對于外特性工況，EGR管的改進并沒有影響各缸新鮮充量的分配，依然能夠達到整機原有性能水平。

圖14　　優化后工況1的燃燒數據

4　　總結

運用CFD分析方法可以對發動機進氣歧管EGR分布進行數值模擬。本文研究發現不同EGR管開孔形式對多缸柴油機EGR分布有很大影響。在優化各缸EGR均勻分配時，可根據進氣歧管結構特征來調整EGR伸入管的開孔形式或者深度，以滿足不同范圍的EGR率要求。

可見，如果在發動機詳細設計階段，運用CAE的方法就可以發現設計缺陷，進而提供可行的完整的解決方案，避免后期設計變更的風險，有效地縮短產品設計周期，降低了開發費用。

［1］周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］Maftouni N，Ebrahimi R，Hossein S.The Effect of Intake Manifold Runners Length on the Volumetric Efficiency by 3-D CFD Model［C］.SAE 2006-32-0118.

［3］Husberg T，Gjirja S，Denbratt I，et al.Visualization of EGR Influence on Diesel Combustion With Long Ignition Delay in a Heavy-duty Engine［C］. SAE 2004-01-2947.

A Simulation and Optimization of Intake Manifold EGR Distribution in a Diesel Engine Based on CFD

Yi Shiwang，Guan Hao，Peng Cheng，Zhao Zheng，Zhang Desheng
（1.Technical Center，Great Wall Motor Company Limited，Baoding 071000，China；2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center，Baoding 071000，China）

EGR（Exhaust Gas Re circulation） can reduce the emission of NOxeffectively.For Multi-cylinder diesel engine using EGR technology，if exhaust gas distribution of every cylinder is not uniform，it could affect the Combustion stability，caused the consistence of every cylinder is not good enough.This article uses 1D-3D coupling calculation method，and analyses part load condition which there was a problem in test.According to analyse simulation results，we find the optimization direction.

diesel engine，EGR，Intake Manifold，CFD

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.009

來稿日期：2015-09-27

伊士旺（1986-），男，工程師，主要研究方向為計算流體動力學。