機車增壓柴油機廢氣再循環設計與校核

白文濤，王雪琦，崔志軍，陳文軒，胡曉宇

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616）

0 引言

在全國各個鐵路局中，內燃機車的保有量仍然不小，而隨著排放標準的不斷提高，機車用柴油機的氮氧化物值越來越難滿足要求，所以現在為了降低排放物中氮氧化物的含量采用了很多技術[1]。如選擇性催化還原（SCR），該方案是將還原劑尿素或氨參入排放的尾氣中，最后經過一系列化學反應生成氮氣和水，這兩種綠色無污染物質；也有使用機內進化措施降低氮氧化物的排放，如改進進氣系統和燃燒室形狀、推遲燃油提前角、高壓多段噴射、廢氣再循環（EGR）、加乙醇燃燒等等，本研究的是EGR技術在降低氮氧化物碰到的實際問題，其中一個最主要的就是在某些情況時，增壓柴油機存在進氣壓力大于排氣壓力大，導致無法將廢氣順利導入到進氣系統中，這就使得在部分工況下廢氣再循環系統無法工作[1]。對于該問題，擬設計一款文丘里管將廢氣順利引入進氣系統中，讓某機車增壓柴油機在所有工況下能夠順利進行廢氣再循環，從而降低氮氧化物的排放量。

1 文丘里管的設計原理

文丘里管的工作原理和引射器差不多，是一種縮擴型噴管結構。按照氣體的流動方向，文丘里管由收縮噴嘴段、喉口混合段和擴壓段三部分組成，圖1為文丘里管的結構簡圖。

圖1 文丘里管結構簡圖

氣體由進氣管流入，開始進入收縮段，由于直徑減小在收縮段內有一個氣體壓縮過程，氣體流動速度加快，馬赫數增加，并且氣體的密度、壓力和溫度都會減小；然后進入喉口混合段，此時氣體壓力應該降到了廢氣引入管以下形成背壓環境，使得廢氣能夠順利進入進氣管與新鮮空氣充分混合，當廢氣與新鮮空氣在喉口混合段完成了混合之后，馬上就進入擴壓段，進入擴壓段的氣體此時也處于亞音速的情況下，氣體壓力慢慢上升，溫度和密度都增加，氣體流動速度變小，氣體完成膨脹階段[2]。就是這個原理的作用，使得在收縮段，氣體壓力不斷減小直到降至廢氣壓力以下，這就讓廢氣壓力在壓力查的推動下順利進入到進氣管，從而實現了廢氣引入。同時，在氣體膨脹過程中，壓力提高，不至于引起進氣壓力的大幅度下降，減小了壓力損失，并且配合其他的方法，文丘里管還能在不消耗機械功的前提下進行廢氣引入與混合[3]。

文丘里管有并聯與串聯兩種連接方式，處于對柴油機尺寸和結構的考慮，選用了并聯的方式連接，文丘里管的進口連在壓氣機的出口端，文丘里管的出口連在渦輪機的進口端。

2 文丘里管基本參數計算

增壓柴油機在高負荷、高轉速下，進氣壓力相對排氣壓力較高，所以選擇柴油機在100%負荷下轉速為1000 r/min作為參考工況，對文丘里管結構參數進行計算設計，邊界條件為；文丘里管進口段與出口端的直徑與進氣管的直徑相等d1=d2=160 mm，壓氣機出口端壓力p1=0.32 MPa，空氣溫度T=340 K，進氣流量m=2.12 kg/s，渦輪機進口段壓力p=0.253 MPa，R為氣體常數，這里取值287 J/（kg·K），κ取值1.4，將進氣壓力與廢氣壓力的壓差設置為△p=5×104Pa使用上述公式可得到：

氣體密度：

氣體流速：

當地音速：

馬赫數：

由馬赫數結合氣體動力函數表，使用線性插值法可以得：

上式中：Acr為臨界截面積，mm2；dcr為臨界直徑。

渦輪機前端的背壓對文丘里管喉口混合段的壓力值起關鍵性作用，那么喉口設計壓力：

根據計算結果查詢氣體動力函數表，加上線性插值法算出：

選取收縮段的錐角為24°，使之符合錐角在10°～40°的合理范圍。

選取擴壓段錐角為14°，使之符合錐角在11°～18°的合理范圍。

其二維草圖如圖2所示，二維模型如圖3所示。

圖2 文丘里管二維建模草圖

3 對設計的文丘里管進行校核

使用Catia三維建模軟件構建出圖3中文丘里管的三維模型。并將這個模型導入Fluent軟件進行網格的劃分和模擬計算。在Fluent中需要設置流體物質、明確求解計算模型和湍流模型、設置邊界條件等等，在此次流體計算過程中將文丘里管里面的氣體視為三維不可壓縮黏性湍流流動，求解器模型選擇SIMPLE算法，湍流模型使用模型，認為EGR中引入的廢氣與新鮮空氣混合不發生化學反應，只有能量交換。

圖3 文丘里管的三維模型

采用100%負荷、EGR率為5%時的柴油機工況進行三維模擬仿真。將文丘里管進口和廢氣引入管進口的質量流量分別作為進口邊界，如圖4所示，文丘里管的出口設置為壓力出口，質量流量和出口壓力的數值在GT-power一維仿真的后處理中可得到，如表1所示。

圖4 Fluent中文丘里管網格劃分

表1 文丘里管模型設置數據

通過Fluent模擬，得到如圖5、圖6所示的壓力場和速度場。

圖5 文丘里管外表Fluent壓力場分布

圖6 文丘里管截面Fluent速度場分布

由圖可知，采用100%負荷、EGR率為5%時的柴油機工況下的壓力分布梯度很明顯，從文丘里管進口處的0.32 MPa降低到了在喉口混合段的0.242 MPa左右，滿足了低于廢氣引入管內壓力的引入要求，并且降低值明顯小于ω=30°時的0.12 MPa，能量損失較小，且在廢氣引入過與喉口段的交界處的局部低壓區相比ω=30°時有所減小，在擴壓段的過程中壓力漸漸恢復到了0.27 MPa，在文丘里管的出口處每一處地方的壓力也都達到了一樣。在速度矢量圖上能夠看出，在擴壓段外圍的低速區消失，在中間部分出現低速區，且呈拋物線，基本滿足廢氣再循環的要求。

4 使用GT-power軟件對設計的文丘里管進行模擬仿真

確定了文丘里管的結構參數之后，在GT-power中建立模型。如圖7所示，在GT-power中將會把文丘里管分成三段，壓縮段和擴壓段用錐形管來代替，喉口混合段和廢氣引入管作為一個整體代替。且會在壓氣機之后的進氣管內和廢氣引入管內加裝兩個閥門，前者稱為進氣管EGR閥，用來控制進氣量。后者稱為排氣管EGR閥（即廢氣旁通閥），如圖7所示，隨著氣閥開啟角的增加，廢氣引入會增加，那么進氣中廢氣比例上升，所以EGR率會逐漸增加，以此原理來控制廢氣的引入量以達到控制EGR率的目的。運行該模型進行模擬仿真，并且將模擬結果與原機進行比較。

圖7 增加EGR系統后機車增壓柴油機GT-Power模型

表2 模擬結果與原機比較

通過比較數據得出：通過計算設計出的文丘里管基本能夠實現將廢氣順利引入進氣系統中，克服排氣管與進氣管之間的壓力逆差，但是隨著廢氣再循環系統的使用，柴油機氮氧化物的排放得到降低，但是功率、扭矩有所降低，油耗也略微升高。

5 結語

（1）增壓柴油機要采用廢氣再循環技術改善NOx排放性能，必須采用特殊方法克服排氣管與進氣管之間的壓力逆差，才能將足量的廢氣送入進氣管，從而實現廢氣再循環，并且可以根據柴油機的性能參數進行計算設計與校核。

（2）通過對增壓柴油機排放特性分析，可以看出100%負荷時，在增壓柴油機中加入EGR可以充分降低NOx排放量；但是相應的功率、扭矩有所降低，油耗和碳煙的排放升高。