柴油機各缸EGR均勻性研究

何 化，魏 威

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 南寧 530007）

0 引言

2021年5月26日，生態環境部舉行例行發布會通報，7月起，我國將全面實施重型柴油車國六排放標準，標志著我國汽車標準全面進入國六時代，基本實現與歐美發達國家接軌。與國五標準相比，重型車國六氮氧化物和顆粒物限值分別減低77%和67%。在排放法規加嚴的同時，汽車油耗法規也逐年嚴苛。隨著內燃機技術的發展，用戶對經濟效益有了更高的期待，希望發動機能進一步降低行駛油耗，降低運營成本。在此環境下，很多主流發動機廠為了滿足排放法規，又進一步提升油耗水平，EGR技術成為國六柴油發動機的關鍵技術之一。EGR技術在保證發動機動力性不降低的前提下，根據發動機轉速和負荷需求，將一部分廢氣引入到氣缸內進行燃燒，再循環廢氣由于具有惰性將會延緩燃燒過程，也就是說燃燒速度將會放慢從而導致燃燒室中的壓力形成過程放慢，進而抑制NOx排放物的生成。這樣通過廢氣再循環的引入在每一個工作點都達到排放和油耗協同，從而使燃燒過程始終處于理想的情況達到降低發動機燃油消耗的目的。采用EGR技術可以顯著降低氮氧化物的排放，EGR率的大小直接影響發動機的氮氧化物和顆粒排放物的排放，因為它影響著廢氣和新鮮空氣的混合過程和燃燒過程，保證各缸EGR率的均勻性，也是保證排放和經濟性的重要一環。研究表明：如果EGR率差異大，會導致各缸燃燒不一致，直接影響整機排放和經濟性[1-3]。

作者在現有的發動機基礎上，設計了三種不同的EGR混合方案，并基于CFD仿真分析評估不同的混合方案設計對各缸EGR率均勻性的影響。結果表明各缸EGR率的大小趨勢會隨著發動機的轉速變化而變化，在高速段和低速段呈現出不同的EGR率走勢，發動機EGR均勻性計算必須同時計算考慮高速段和低速段兩種情況，根據計算結果綜合選取最優方案。

1 EGR均勻性CFD仿真分析

本次分析的發動機為國內某款主流的國六柴油機，3個方案的EGR進入進氣接管的基本結構類似，都采用帶網眼的鋼管插入進氣接管。方案1的EGR進氣接管采用4排網眼管；方案2在方案1的基礎上把EGR進氣接管插入孔向外側移動1.5 mm，增加廢氣進入進氣接管的混合；方案3在方案1的基礎上減少1排網眼孔，縮短EGR進氣管伸入進氣接管的長度2.5 mm三種不同結構如圖1所示。

本研究采用AVL三維CFD軟件FIRE，進行EGR均勻性分析計算。

由于在2200 r/min時，EGR的驅動能力最強，此工況能引入缸內的EGR流量最大，因此選擇額定轉速2200 r/min做計算工況點。此外為了研究發動機常用工況下的各缸的EGR的均勻性，選取在發動機最大扭矩轉速1400 r/min作為另一個計算工況點。

本研究通過CFD仿真分析研究，可以對設計方案進行初步判定，對于三種EGR混合方案設計進行分析，對比其中的EGR率差異，最終得出最優的設計方案。

1.1 計算模型

本次報告計算了EGR系統，系統主要包含EGR進氣管1、進氣接管2、進氣總管3，氣缸C1-C6，如圖2所示，使用了UG軟件生成三維模型，通過將UG模型導入FIRE軟件，使用自動網格生成器FAME HYBRID生成了網格，總網格數量約為200萬個，計算網格模型如圖3所示。將空氣入口和各缸歧管口延長50mm，再將延長段網格與進氣系統網格通過arbit工具連接，這樣能保證各個進出口的網格垂直于氣流方向，有利于計算結果穩定。

計算使用的湍流模型為k-ε兩方程湍流模型，近壁面處采用了壁面函數法。

圖2 EGR率計算幾何模型

1.2 邊界條件

計算的邊界條件通過建立一維熱力學計算模型如圖4所示，通過計算得到進氣系統各進出口的周期性邊界條件見表1，然后進行三維的瞬態CFD計算，最后得到進氣歧管各出口EGR率隨曲軸轉角的變化關系曲線。

圖4 一維熱力學模型圖

表1 邊界條件列表

由于標定點EGR流量最大，且EGR最高，因此選擇標定點2200 r/min做計算工況點。待滿足2200 r/min工況點后，增加1400 r/min的工況點做進一步的驗證。

2 計算結果與分析

本研究采用質量流量法計算EGR率，公式如下：

式中：m1是進氣行程中EGR廢氣的質量流量，m2是進氣行程中新鮮空氣的質量流量。

在2200 r/min工況，對于EGR進氣管外移距離和EGR混合器伸入長度都很敏感，3個設計方案均可滿足設計目標±10%的要求，計算結果見表2。

隨著EGR進氣管外移，從表2方案1和方案2的對比可以看出，方案2前端1-2缸EGR率減小，后端4-6缸EGR率增大，第3缸趨勢不明顯?？傮w變化趨勢較小，各缸的EGR率對EGR進氣管的外移距離敏感。方案3縮短混合器伸入段長度，相對方案1前端1-2缸EGR率增大，后端3-6缸EGR率減小。變化趨勢比較明顯，各缸的EGR率對EGR進氣管伸入長度敏感。

表2 2200r/min的各缸EGR率和偏差值

在1400 r/min工況，對EGR進氣管外移距離開始不敏感，對縮短EGR進氣管伸入段長度比較敏感，三個設計方案，方案3滿足設計目標。計算結果見表3。

相對于方案1，隨著混合器外移，前端1-2缸EGR率減小，后端3-6缸EGR率增大。方案2相對方案1移動1.5 mm時變化很小不敏感。方案3減少網眼孔縮短EGR進氣管伸入段長度，使得前端1-2缸EGR率減小，后端3-6缸EGR率增大，但趨勢改變較大，對伸入段長度較敏感。

表3 1400r/min的各缸EGR率和偏差值

綜上，方案3兩個工況點都滿足設計目標，從以上計算仿真結果可以看出：

（1）在2200 r/min時，三個方案的EGR率偏差都能控制在±10%。其中方案1和方案2的各缸EGR率均勻性稍微好一點。

（2）在1400 r/min時，方案1和方案2的各缸EGR率均勻性比較差，其中第2缸的EGR率偏差較大，遠遠超出±10%的目標要求。而方案3的各缸EGR率偏差都能控制在±10%以內，EGR率均勻性比較好。

（3）考慮發動機額定轉速和最大扭矩轉速的發動機工況，認為方案3最優，各缸EGR率均勻性最佳。

3 結論

在本研究中，針對三種不同的EGR進氣管的結構通過CFD仿真分析，可以得到結論：

（1）通過改變EGR進氣管的位置和伸入進氣管的深度，可以改變發動機各缸的EGR率。在EGR進氣管外移1.5 mm時，對額定轉速為2200 r/min和1400 r/min的各缸EGR率有一定的影響，但影響程度不大。EGR進氣管伸入進氣接管的深度對各缸的EGR率有較大的影響，通過合理的設計EGR進氣管伸入進氣接管的長度，可以改變各缸均勻性，本研究通過縮短EGR進氣管伸入進氣接管的長度2.5 mm，提高了轉速為1400 r/min時各缸EGR率的均勻性。

（2）發動機各缸EGR率的均勻性趨勢，是隨著發動機轉速和進氣流量的變化而變化的，計算必須綜合考慮額定轉速和最大扭矩轉速的EGR率，選取綜合性能比較好的方案。