進氣歧管結構差異對發動機各缸EGR率均勻性的影響

鄧彪

（上海新動力汽車科技股份有限公司，上海 200438）

0 前言

自2021年7月1日起，我國全面實施重型車國六排放標準，相關氮氧化物（NOx）排放質量濃度限值和顆粒物（PM）含量限值比國五排放標準分別降低77%和67%［1］。目前市場上滿足國六排放要求的天然氣發動機（以下簡稱“國六天然氣發動機”）主流技術路線是采用當量燃燒＋廢氣再循環（EGR）＋三元催化（TWC）后處理技術［2］，不僅可以降低發動機的燃油耗，而且開發成本遠低于稀薄燃燒技術路線［3］。

EGR 技術能夠有效抑制NOx的產生，同時降低發動機缸內的燃燒溫度。但是各缸的EGR率差異大會導致各缸燃燒存在較大差異，增加失火和爆燃的風險，影響發動機的排放性能、可靠性及經濟性［4］，因此各缸EGR率的均勻性至關重要。

為保證各缸EGR 率的均勻性，進氣側缸外預混，即將空氣、循環廢氣和燃氣在進氣側進行充分混合是非常必要的［5］。各缸EGR的均勻性不僅與系統設計有關，而且與進氣歧管至各缸的進氣均勻性有關。本文以某國六天然氣發動機為例，對全速全負荷下各缸的EGR 率進行臺架測試，并分析各缸EGR 率的均勻性，利用瞬態計算流體力學（CFD）仿真分析各缸進氣均勻性；對進氣歧管結構設計進行優化，提升各缸進氣的均勻性；基于優化后的進氣歧管進行各缸EGR率均勻性測試，以期為后期天然氣發動機的結構設計優化提供參考。

1 EGR率均勻性測試

1.1 發動機基本參數

表1為本文選用的重型國六天然氣發動機的基本參數，該發動機采用當量燃燒＋EGR+TWC 后處理技術路線。本文臺架測試通過確認發動機狀態，對發動機的各缸進氣歧管進行打孔，在全速全負荷工況下測量各缸EGR 率，并分析各缸EGR 率的均勻性。

表1 發動機基本參數

1.2 EGR率計算

針對天然氣發動機的EGR率計算，主要方法是通過測量發動機進氣總管（中冷后）中的CO2、排氣管中的CO2，以及大氣環境中的CO2的體積分數來確定，其計算公式［6］如下：

式中：REGR為EGR率；φCO2，in為中冷后進氣歧管中的CO2氣體體積分數；φCO2，en為環境中CO2的體積分數；φCO2，out是排氣測排氣管中的CO2體積分數。

1.3 臺架測試結果分析

臺架測試主要采用MEXA-7200DEGR型廢氣分析排放測量儀記錄發動機各缸的ERG率情況，測試臺架如圖1所示。在進氣歧管上打孔，連接排放設備，分別測試各缸EGR率；在確保發動機狀態正常時，分別記錄全速全負荷工況下各缸EGR 率情況，對比分析特定轉速1 900 r/min（額定功率轉速工況點）、1 600 r/min（外特性點工況點）、1 200 r/min（最大扭矩轉速工況點）下。對應的各缸EGR率均勻性情況結果如圖2和圖3所示，其中各缸EGR率均勻性為各缸EGR率與平均EGR率的比值。

圖1 發動機EGR率測試臺架

圖2 全負荷下各缸EGR率

圖3 各缸EGR率均勻性

由圖2和圖3可知：發動機各缸EGR率均勻性較差，其中4缸EGR率相比其他缸較低；尤其是發動機轉速在1 200 r/min 時，各缸EGR 率均勻性較差，其中2 缸、3 缸的EGR 率均勻性相對偏差超過9%。由此可見該發動機各缸均勻性較差，這會導致發動機各缸燃燒存在差異，使發動機各缸存在失火和爆燃的風險。

1.4 CFD仿真分析

根據發動機各缸實測EGR率，對發動機的進氣歧管進行CFD建模仿真分析。圖4為該款天然氣發動機的進氣歧管三維流體域模型圖，通過采用STAR CCM+軟件對該發動機進氣歧管進行了三維CFD穩態均勻性模擬分析。設定進氣口與進氣歧管壓降固定（?p=2.5 kPa），同時一個氣缸的進氣門完全打開，其他氣缸保持關閉（例如，當1 缸的進氣門全開，2缸至6缸的進氣門全部關閉）。因此，有6個不同出口的CFD模型［7］，如圖5所示。

圖4 進氣歧管三維流體域模型

圖5 各缸進氣歧管的CFD模型

發動機各缸進氣測試情況見表2。計算分析6 個氣缸進氣歧管的流速，對各缸進氣過程中存在的壓力損失、氣體流動狀態，以及壓力損失部位進行詳細的模擬分析，以此對整個進氣歧管的流暢狀態進行評估；通過各支管的平均流量系數來判斷是否滿足進氣壓損要求；通過計算氣體在各進氣歧管里的分布狀態來判斷是否滿足新鮮空氣進氣均勻性要求。結果表明，發動機的3缸平均流量系數相對偏差大于2.5%，因此，這款發動機的新鮮空氣穩態均勻性不滿足與平均流量系數相對偏差≤±2.5%的要求。

表2 發動機各缸進氣測試情況

2 改進措施

2.1 進氣歧管結構優化及仿真

為增強混合氣體之間的相互擾動，對原發動機機進氣總管進行重新設計，對進氣彎管（與進氣歧管連接）的角度以及進氣歧管道進行優化設計（如圖6 所示），以增強進入各缸氣體的穩態均勻性。優化后的進氣歧管CFD仿真模型如圖7所示。

圖6 進氣歧管的優化設計

圖7 優化后各缸進氣歧管的CFD仿真模型

優化后發動機各缸進氣測試情況見表3。由表3可知，優化后的進氣歧管的新鮮空氣穩態均勻性滿足平均流量系數相對偏差≤±2.5 %的要求。

表3 優化后發動機各缸進氣測試情況

2.2 臺架試驗驗證

將設計優化后的進氣歧管安裝在發動機上，進行全速全負荷臺架試驗，分別記錄分析1 900 r/min、1 600 r/min、1 200 r/min各缸的EGR率均勻性情況［8］，結果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，各缸的EGR率波動較小，優化后的進氣總管各缸EGR率均勻性控制在≤2.0%，相比原發動機有較大的提升。

圖8 優化后全負荷下各缸EGR率

圖9 優化后各缸EGR率均勻性

3 結語

本文以某國六天然氣發動機為例，臺架測量各缸EGR 率，發現各缸EGR 率有較大的差異，其中2缸、3缸、4缸在1 200 r/min 全速全負荷工況下差異>9%。

通過STAR CCM+軟件對該發動機進氣歧管進行三維CFD穩態均勻性模擬分析，發現進氣穩態均勻性不滿足要求，平均流量系數相對偏差應≤±2.5%。

對進氣歧管設計進行優化，通過優化后的進氣歧管仿真分析可知，平均流量系數相對偏差滿足≤±2.5%的要求。將新設計的進氣歧管搭載在發動機上進行臺架試驗，發現各缸的EGR率波動較小，優化后的進氣總管各缸EGR 率均勻性在2.0%以內，證明了優化后各缸的EGR率均勻性較好，與原發動機相比更具有優勢。研究結果可為后期同類發動機的進氣歧管設計開發提供參考。