某柴油機進氣歧管進氣均勻性分析

趙真真，張超，周波，孫影

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

隨著排放法規的升級，對氮氧化合物、碳氫化合物及一氧化碳等廢氣的排放要求也逐步升高。由于廢氣中含有大量的二氧化碳，而二氧化碳不能燃燒卻能吸收熱量，使得氣缸中的燃燒溫度降低，從而減少了氮氧化合物的生成量，廢氣再循環(EGR)是凈化排氣中氮氧化合物的主要方法[1]。

在多缸發動機上采用EGR系統時，有時各缸EGR氣體分布不均勻，導致EGR率高的氣缸氧氣濃度低，排放煙度大；EGR率低的氣缸不能有效降低燃燒最高溫度，氮氧化合物的形成依然得不到有效控制[2-3]。因此，有必要對EGR分布進行數值模擬，并根據仿真結果對各缸 EGR率均勻性進行優化，以得到滿足要求的進氣結構。

本文所分析的某柴油機進氣歧管的進氣均勻性，分兩個部分：（1）進氣歧管空氣均勻性；（2）進氣歧管廢氣均勻性。其中，空氣均勻是指EGR閥門完全關閉，只有空氣均勻地流入各氣缸。廢氣均勻是指EGR閥門開啟一定角度，進氣歧管中同時有空氣和廢氣流通，最終混合后，均勻地流入各氣缸。由于EGR閥門并非一直開啟，并且在不同工況下閥門開啟角度不同，所以只有在調整進氣歧管空氣進氣均勻后，再調整廢氣均勻性才有意義。通過對模型進行調整，最終使得進氣歧管進氣均勻。

1 模型建立

圖1為該柴油機的進氣歧管三維數模，BND_IN_AIR為進氣總管（空氣）入口，BND_IN_EGR為EGR管路（廢氣）入口，BND_OUT1～BND_OUT4分別為進氣歧管出口，分別與1～4氣缸連通。

對進氣歧管進行數值計算之前，先進行網格劃分。首先利用 Hypermesh軟件劃分面網格；其次，將面網格導入到FIRE M軟件劃分體網格，網格尺寸為2mm。為了有利于計算收斂，進出口邊界均沿法線方向延長了20層（每層高度為2mm）。最終的網格單元數約為34萬。

圖1 進氣歧管三維數模

2 空氣均勻性計算

2.1 邊界條件

進口邊界：總壓1bar，出口邊界：靜壓0.975bar

2.2 分析結果

2.2.1 評價標準

流量系數的計算公式為：

式中：mth為理論流量，R為氣體常數（287.14kJ/kg），T為溫度，p為出口壓力，p0為進口壓力，Aref為出口面積，為流量因子，k為絕熱指數（1.41），mcalc為計算所得流量， 為流量系數。

2.2.2 計算結果

柴油機進氣歧管空氣均勻性的評價標準是流量系數差異性在[-2.5%,2.5%]范圍內。根據表1中的計算結果可以看出：流量系數最大上偏差為 0.84%，最大下偏差-1.01%，均在評價標準范圍內，滿足要求，可進行廢氣均勻性計算。

表1 空氣均勻性計算結果

3 廢氣均勻性計算

3.1 邊界條件

通過一維BOOST計算得到進氣歧管進出口的壓力、溫度、流量等邊界條件。選擇標定工程師提供的兩個工況點進行廢氣均勻性計算：工況一，發動機轉速 2600rpm、扭矩184N·m、EGR率24.35%；工況二，發動機轉速1300rpm、扭矩11N·m、EGR率50.49%。

圖2 進出口質量流量_工況一

圖3 進出口溫度_工況一

圖4 進出口質量流量_工況二

圖5 進出口溫度_工況二

3.2 分析結果

3.2.1 評價標準[4-6]

EGR率的計算公式如下：

其中，EGRi表示第i缸EGR率[%]；

mEGRi表示第i缸廢氣質量流量[kg/h]；

mfi表示第i缸新鮮空氣質量流量[kg/h]。

其中，mEGRi表示第i缸的EGR質量流量[kg/h]；

mEGR_AVG代表四缸平均EGR質量流量[kg/h]。

根據要求，一個循環內 EGR率偏差在[-10%,10%]范圍內。

上述提到的兩個工況，廢氣均勻性均合格才算合格。下面分別進行兩個工況的廢氣均勻性計算。

3.2.2 工況一原始方案計算結果

首先計算工況一，廢氣均勻性計算為瞬態計算，共計算五個循環，前四個循環為了保證計算能夠收斂，最后一個循環輸出計算結果。

表2 原始方案計算結果_工況一

從表2計算結果來看，一二缸廢氣量偏多，三四缸廢氣量偏少，并且偏差量較大，需對模型進行調整。

3.2.3 工況二改進方案計算結果

圖6 原方案與改進方案1

由于原方案 EGR管路與進氣總管相連接部位的管路與水平線有一定的偏轉角度（向一二缸偏轉），所以一二缸廢氣量偏多，三四缸廢氣量偏少。改進方案1對EGR管路進行調整，將其調整至水平方向，再次計算進氣歧管廢氣均勻性。

經計算，改進方案 1中：二缸 EGR率偏差最大，為16.50%；四缸EGR率偏差最小，為-11.10%。不在評價標準[-10%,10%]范圍內。

圖7 改進方案1與改進方案2

對改進方案1繼續進行調整得到改進方案2。改進方案1的EGR管路插入進氣總管深度2mm，對進入總管的廢氣有導流作用，可能是導致一二缸廢氣量偏多、三四缸廢氣量偏少的原因；改進方案2的EGR管路直接與進氣總管相連接，具體見圖7。

圖8 改進方案2與改進方案3

經計算，改進方案 2中：二缸 EGR率偏差最大，為13.86%；四缸EGR率偏差最小，為-8.87%。除2缸EGR率偏大，不在評價標準[-10%,10%]范圍內，其余三缸均合格。通過計算結果可知，EGR管路插入進氣總管部分對廢氣有導流作用，調整后僅二缸廢氣量偏大。

對改進方案2繼續進行調整，得到改進方案3。由于前面調整了EGR管路方向及插入深度，現對進氣總管的彎曲角度進行調整。由于改進方案2進氣總管彎曲角度過大，導致空氣在經過彎角處過多的集中在彎角外緣處，所以三四缸空氣量會偏多，廢氣量偏小。將改進方案2的進氣總管彎曲角度調小，得到改進方案3。

經計算，改進方案3中：二缸EGR率偏差最大，為3.18%；四缸EGR率偏差最小，為-2.40%。均在評價標準[-10%,10%]范圍內，調整合格。

表3 改進方案3計算結果_工況一

原設計方案經過調整EGR管路布置得到改進方案1，改進方案1經過調整EGR管路插入深度得到改進方案2，改進方案2經過調整進氣總管彎曲角度得到改進方案3，四個方案的 EGR率偏差分布見圖 9，EGR率偏差的要求范圍為[-10%，10%]，由圖中可見，每次調整都更為接近評價標準，最終改進方案3的EGR率偏差在標準范圍內，符合要求。

圖9 不同方案EGR率偏差分布

從原方案模型到改進方案3模型，由于模型總體變動不大，對空氣均勻性影響較小，再次對改進方案3進行空氣均勻性分析，計算結果仍在評價標準范圍內。

3.2.4 工況二計算結果

工況一下，模型經過一系列調整，最終改進方案3的廢氣均勻性符合標準。現針對改進方案 3，計算在工況二下廢氣分布是否均勻。

經計算，一缸EGR率偏差最大，為1.90%；三缸EGR率偏差最小，為-1.46%。在評價范圍內，滿足要求。

表4 改進方案3計算結果_工況二

5 結論

本文通過對柴油機進氣歧管進行空氣均勻性分析和廢氣均勻性分析，得出以下結論：

（1）進氣歧管空氣均勻性計算合格后再進行廢氣均勻性計算；

（2）初始方案計算廢氣均勻性不合格，可以根據計算結果調整EGR管路分布、EGR管路插入進氣總管深度和進氣總管的彎曲角度及方向等措施來改進模型；

（3）改進方案在一個工況下廢氣均勻分布后，再計算另一個工況，兩個工況下均需滿足評價標準；

（4）在發動機研發階段，通過CFD分析可以降低研發周期和研發成本。