某柴油機進氣歧管廢氣均勻性分析

卓麗穎，周波

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

EGR（Exhaust Gas Recirculation）即廢氣再循環，是指把發動機排出的部分廢氣與新鮮空氣混合，分別進入進氣歧管然后流入氣缸。由于廢氣中含有大量不能燃燒的CO2，在氣缸內氣體混合的過程中，CO2能夠降低混合氣的燃燒溫度，從而減少 NOX的生成。此外，廢氣再循環可以減少總的廢氣流量，因此也會減少相應的有害物質排出量。廢氣再循環過程中廢氣進入每個缸中均勻性主要影響發動機的工作性能和排放性能。如果每個缸 EGR 率分布不均勻， EGR 率較高的氣缸，廢氣比較多，其氧濃度較小，排煙濃度比較大；EGR 率較低的氣缸，廢氣比較少，混合氣體溫度不能有效降低，NOx排放量也很難得到控制。

1 計算模型

圖1是本文所要研究的各缸EGR均勻性計算的模型，包括進氣總管、EGR管、進氣歧管。利用FIRE M軟件生成六面體體網格如圖1所示。圖 2、3、4分別為一維BOOST計算的扭矩、功率和比油耗與試驗結果的對比，從圖中可以看出，標定誤差在 3%以內，分析模型滿足性能設計要求。并且進出口和EGR管路進口拉伸20層體網格，防止進出口氣體回流，總體網格數約33萬。

圖1 進氣歧管三維模型圖和體網格圖

圖2 一維試驗和模擬扭矩值的對比

圖3 一維試驗和模擬功率值的對比

圖4 一維試驗和模擬扭比油耗的對比

2 計算結果及分析

2.1 邊界條件設置

圖5 工況一EGR質量流量與溫度分布

圖6 工況二EGR 質量流量與溫度分布

本文利用一維BOOST計算結果作為三維瞬態計算提供周期性質量流量和溫度數據，計算取兩個工況（工況一為1/2最大EGR率的工況，工況二為最大EGR率的工況）分析EGR分布均勻性。如圖5和圖6所示，兩種工況下，分別對應新鮮空氣入口處、EGR入口處和每個進氣歧管出口。本次瞬態計算首先計算四個循環，用于計算收斂。最后計算第五個循環，用于結果的輸出。

2.2 評價標準

EGR混合器的設計目的是使再循環廢氣均勻的分配到每個氣缸內，減小每個缸 EGR 率的差異，滿足發動機工作穩定性及排放指標的需求。因此，需要計算每個缸內 EGR的分布情況。EGR率偏差的計算如下所示：

（1）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]。

（3）一個工作循環的EGR率統計值按如下公式計算：

帶EGR的進氣歧管要求各管道的EGR分布均勻，根據AVL的經驗，為了達到降低NOX目的，要求一個工作循環內EGR流量的相對偏差保持在±10%以內。

2.3 CFD結果分析

方案一的EGR管路數模如圖7所示，EGR管路入口為無插管的形式。每個氣缸的EGR率與EGR率偏差如下表所示。表中為兩種工況下，一個工作循環內的進氣總量、EGR質量流量、EGR率及EGR率偏差。對于工況一，EGR率偏差四缸達到 20.1%明顯偏少，二缸為-23.7%明顯偏多。主要是由于進氣總管內無插管，由于新鮮空氣的流動，廢氣沿著管壁流向三缸、四缸，因此一二缸內的廢氣量較少，三四缸偏多。

表1 方案一進氣歧管計算結果

方案二把EGR管路延伸至進氣總管內，采用斜切口的形式，并且斜切口短管方向朝向一二缸方向，主要是為了將廢氣引入一二缸。計算結果顯示工況一，一缸EGR率偏差達到了31%，三缸EGR率降低至-33%。主要原因應該是斜切口的長度擋住了部分廢氣向三缸、四缸流動，因此需要優化EGR管路入口的形式和長度。

表2 方案二進氣歧管計算結果

表3 方案三進氣歧管計算結果

方案三把EGR管路延伸至進氣總管內，EGR管路采用平切口，并且長度縮短。計算結果顯示工況一和工況二，四個缸的EGR率均降低至[-10%,10%]之間，滿足評價標準的要求。

圖7 依次為方案一、二、三方案的EGR管路模型

3 結語

本文利用AVL仿真軟件 FIRE 和 BOOST 建立了基于一維、三維的計算模型，研究分析進氣歧管各歧管內的EGR均勻性。根據計算結果，對EGR管路進行三次優化設計，最終實現該系統 EGR 率分布均勻性的結果，將 EGR 率分布控制在±10%以內。為試驗節省了大量時間和工作，為結構設計提供技術支持，為進氣歧管的EGR管路設計積累了豐富的經驗。