文丘里管對空濾進氣系統的流體性能影響研究

張帆 羅宏錦 胡德勇

摘要：隨著國家國六排放法規（簡稱“國六”）的發布，對燃油車輛的蒸發系統排放量提出了更嚴格的要求。作為燃油系統中的重要部件——碳罐，需要釋放更多的燃油蒸汽到發動機中燃燒以減少污染油汽的排放。因此，越來越多帶渦輪增壓的車輛將文丘里管安裝到空濾干凈管上，通過文丘里管的脫附效應來提高車輛的碳罐脫附量。本文主要針對文丘里管在空氣濾清器干凈管側的設計進行研究，主要包括干凈管安裝文丘里管后對其氣流的影響，以及文丘里管在干凈管上的導入方式產生的效果。研究表明，文丘里管對空濾干凈管來講整體的氣體壓力損失影響較小。在文丘里位置選擇時應盡量避免選在流速較高的拐彎處，對文丘里的脫附比以及空濾干凈側的速度均勻度會產生一定的影響，為文丘里管設計提供經驗性的參考。

Abstract： With the release of the national emissions regulations， more stringent requirements have been imposed on the evaporation system emissions of fuel vehicles. As an important part of the fuel system - the carbon tank - more fuel vapor needs to be released into the engine for combustion to reduce emissions of polluting oil vapor. As a result， more and more vehicles with turbocharging are attaching venturi tubes to air filter cleaners to increase the amount of carbon tank desorption in the vehicle through the desorption effect of venturi tubes. This paper investigates the design of venturi tubes on the clean tube side of air filters， mainly covering the effect of the installation locations of a venturi tube on the airflow of the clean tube and the effect of the way the venturi is introduced on the clean tube. The study shows that the venturi tube has a small effect on the overall total pressure loss of the air filter clean system. However， it suggests the location of the venturi pipe needs to avoid installing near the bending area with high velocity in the air cleaner duct， which will reduce the purge efficiency of venturi tube and the velocity uniformity of clear side duct. This study provides an empirical reference for the venturi tube design.

關鍵詞：空氣濾清器;文丘里管;CFD

Key words： air cleaner;venturi tube;CFD

0 ?引言

國家為加強燃油汽車排放污染物的控制，環保部頒布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》法規中對于IV型試驗（蒸發排放試驗）中5.3.4.1中[1]要求對于第一類車排放限值在0.70g/test，第二類車Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、限值分別為0.70g/test、0.90g/test、1.20g/test，相比于國V的2g/test而言，排放限值加嚴到1.30g/test，測試方式上采用WLTC循環進行前序試驗，整體測試時間增加1倍。對燃油系統而言，無疑是更大的挑戰。

在碳罐脫附系統上，發動機在怠速階段，通過歧管的負壓脫附碳罐中吸附的燃油蒸汽。而對于渦輪增壓發動機而言，增壓產生的正壓會對脫附的性能產生一定的影響，某些增壓發動機僅依靠怠速脫附無法滿足蒸發排放要求。由此，文丘里管作為一種類似于氣泵的產品被廣泛應用在國六燃油車上[2]。其功能特點在于：當渦輪增壓器工作時，通過借助增壓氣體的能量，利用文氏效應在管內產生一個真空，從而達到吸附碳罐中的油氣的目的[3-4]。

文丘里管作為一個新增零件，設計在空氣濾清器干凈側，需要在干凈側管路上增加一個管口，在這個管口上會有增壓器氣體與燃油蒸汽通過文丘里管進入到空濾干凈管上。本文針對某國六1.6T發動機的空濾干凈側為案例，研究了文丘里管對空濾干凈管的影響，并且提出了文丘里管在空濾干凈管的布置方案。

1 ?模型設置

在國六上普遍應用的文丘里管的壓力工作區間通常在20-80kPa之間，當入口壓力到達80kPa時，此時會在文丘里管的噴嘴區域產生高速的氣流[5]，其最大速度約在0.7～1.1馬赫數，而馬赫數大于0.3時，處于亞音速以及超音速階段[6]。根據空氣動力學的基本理論，此時氣體處于可壓縮狀態。

整體邊界選擇，空濾干凈管入口采用流量入口，設置值為150g/s，出口采用壓力出口，文丘里管進氣端和脫附端均采用壓力進口，其中脫附端主要是負壓脫附效應，進氣端壓力選擇正壓80kPa，見圖1。湍流模型采用Realizable k-epsilon with all wall Y+ treatment，采用耦合流進行計算[7]。（圖1）

2 ?流場結果分析

2.1 增加文丘里管對空濾系統總壓損失的影響

首先，比較文丘里管安裝和未安裝時空濾干凈管內部流場的差異。通過計算得出，空濾干凈管未安裝文丘里管時，管道的總壓損失約為0.52kPa，沿著主氣流方向分別在A、B、C三個點處設置文丘里管，如圖2所示，以此找到文丘里管對空濾干凈管的影響。通過計算得出A、B、C三處靜壓的值接近在5.4～5.6kPa之間。（圖2）

如表1所示，壓強接近的壁面增加文丘里管后干凈管的總壓差約有10%的提高，對于整體系統而言，0.05～0.06kPa的總壓損失對發動機性能影響較小[8]。

2.2 文丘里管在干凈管拐彎處的影響

如圖3所示，選取干凈管上的1段截面沿著截面的周向設置文丘里管，分別位置為D、E、F，此三個位置點分別為彎管拐彎處的外側、頂面、內側。

氣流因拐彎處的分流，會形成速度不均勻以及從外側到內側產生的靜壓梯度，總體來說是在D側因過渡半徑較大流速會小于F側。關注這三個位置，從而進一步反映出研究文丘里本身以及對空濾系統性能的影響。

首先，將三者分析對比，每個位置文丘里管性能如下表2所示，Vent_P2為文丘里管脫附端，Vent_Inlet為文丘里管進氣端。脫附比是評價文丘里管脫附效率的數值，是脫附側的質量流量和文丘里管入口處質量流量的比值，脫附比越高證明脫附的效率越高。在系統上的體現是：在借氣量（Vent_Inlet）相同的情況下，從脫附端Vent_P2吸附的氣體越多越好，吸入的氣體越多，碳罐中脫附的燃油蒸汽就越多。從表2可知，D處的脫附比最高，效果最好，F處效果最差，比D處脫附比少了0.076。

其次，當在彎管處增加文丘里管，容易產生擾流，對管道內氣流的均勻度會產生一定影響。空濾干凈管的速度均勻度是評價空濾干凈管的一項重要指標。由于渦輪增壓發動機需要來流溫度來保證其工作性能，因此速度均勻度越高越有利于提高渦輪增壓器工作性能。由圖4可以看出氣流在不同位置存在一定差異，通過換算得到的結果為，D、E處均勻度約在97.4%左右，差異不大，而在F處下降到96.8%，F處對主氣流的干擾較前兩者更大。

3 ?結論

以空濾干凈管為研究對象，首先研究了文丘里管對空濾系統總壓損失的影響，隨后將文丘里管布置在空濾干凈管的轉彎拐角處三個特殊位置，通過將文丘里布置在不同的位置來研究其對空濾的影響，最終結果表明：

①文丘里管對空濾干凈管的壓降影響十分微弱，不足以因為文丘里管進而影響空濾系統的進氣效果;

②另外通過仿真分析結果可以進一步看出，文丘里管在安裝到空濾干凈管后的脫附效果有一定影響，當文丘里管設置在空濾干凈管拐彎處時，需建議進口放在拐彎外側從而提高脫附效率;

③通過將文丘里管布置位置應盡量壁面速度分流區域對主管路氣流產生一定的擾動，從而降低干凈管進入渦輪增壓器的速度均勻度，而影響渦輪增壓器的性能。

參考文獻：

[1]環境保護部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[J].中國質量技術監督，2016，1（6）：10-12.

[2]黎娜，王孔龍.文丘里管在國六排放標準中的應用分析[J]. 北京汽車，2019，3（3）：6-8，27.

[3]鄭偉，張振東，薛光明.柴油機多級并聯文丘里管進氣系統[J].車用發動機，2012，1（1）：19-22.

[4]陳賢，鄭偉.增壓柴油機采用多級可變文曲利管式進氣系統的實驗研究[J].小型內燃機與摩托車，2012，41（1）：14-20.

[5]董志強，鄧建勝，石平義，等.柴油機冷EGR系統文丘里管的設計研究[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2017，6（3）：103-104.

[6]華勝軍.燃料電池發動機尾氣能量回收的研究[D].浙江杭州：浙江大學，2005.

[7]Dhaval V，Mohsen E，Vylace C， et al. Cfd Driven Parametric Design of Air-air Jet Pump for Automotive Carbon Canister Purging[J]. Sae International Journal of Passenger Cars Mechanical Systems， 2017， 10（2）：1-2017.

[8]黎亞洲，廖曉煒，劉峰，等.燃料/空氣文丘里混合器的研究綜述[J].中國特種設備安全，2018，34（3）：82-88.

收稿日期：2020-05-26。

作者簡介：張帆，女，廣西柳州人，本科，學士，從事汽車動力總成研發;羅宏錦，男，廣西柳州人，本科，學士，從事汽車發動機進氣系統研發;胡德勇，男，四川南充人，本科，學士，從事汽車發動機進氣系統研發。