導流管長度對EGR 混合均勻性的影響

黃保科 解 亮 歐力郡 卓麗穎

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 安徽 合肥 230601）

引言

近年來，汽車尾氣對環(huán)境的污染問題日趨嚴峻，使得國家對排放法規(guī)不斷升級。即將實施的柴油車國Ⅵ法規(guī)，對各項污染物的排放作了非常嚴格的限制。廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)是目前柴油機常用的減排技術(shù)，它將部分廢氣與新鮮空氣混合后進入氣缸重新參與燃燒，利用廢氣大比熱、低氧含量的特性降低NOx排放[1-3]。EGR 廢氣與新鮮空氣的混合均勻性對缸內(nèi)燃燒有很大影響，對于多缸發(fā)動機，不良的混合均勻性會使進入各個氣缸的EGR 廢氣產(chǎn)生差異（即各缸實際EGR 率產(chǎn)生偏差），導致各缸燃燒不一致[4-5]。缸內(nèi)EGR 廢氣占比過多，會導致失火、功率下降、排放升高等后果。

目前，EGR 混合均勻性的設(shè)計標準相對統(tǒng)一，即各缸EGR 率偏差不超過±10%。

1 CFD 分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究對象為一臺四缸發(fā)動機的進氣歧管，該進氣歧管由進氣總管、穩(wěn)壓腔及出氣口等構(gòu)成，EGR 廢氣導流管采用壓裝方式安裝在進氣總管側(cè)面，如圖1所示。

圖1 進氣歧管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

EGR 廢氣與空氣在進氣總管處交匯，并在進氣總管與穩(wěn)壓腔內(nèi)混合。為保證各缸進氣一致性，在進氣歧管穩(wěn)壓腔內(nèi)設(shè)計了箭頭狀分流板。

1.2 設(shè)計變量

以導流管長度為變量，分析導流管長度對EGR 廢氣與缸內(nèi)空氣混合均勻性的影響。導流管長度以壓裝臺階面為基準，導流管長度設(shè)計如表1 所示。

表1 導流管長度設(shè)計

導流管長度的設(shè)計基于其出氣口分別處于進氣總管空氣流的層流層、層流及紊流交界、紊流層。

1.3 邊界及求解參數(shù)設(shè)置

計算時，使用FAME 生成以六面體為主的計算網(wǎng)格。考慮到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成一層邊界層網(wǎng)格。計算采用迎風離散格式，一階隱式格式離散時間、壓力與速度耦合算法選擇SILMPLE。設(shè)定管內(nèi)空氣流動為可壓縮粘性湍流流動，空氣為理想氣體，湍流模型為k-ξ-f 方程，使用混合壁面函數(shù)描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等分布，且要求貼近壁面網(wǎng)格的y+值在11～200 之間，殘差小于0.000 1。

計算為瞬態(tài)計算，以相應位置的瞬態(tài)流量、壓力和溫度作為進氣歧管進出口的邊界條件。

1.4 評價指標

EGR 率的計算公式如下：

式中：REGR表示EGR 率，%；mEGR表示EGR 廢氣的質(zhì)量流量，g/s；m 表示EGR 廢氣與新鮮空氣的總質(zhì)量流量，g/s。

一個工作循環(huán)內(nèi)，進氣歧管出氣口（進入各缸）的EGR 率統(tǒng)計值按如下公式計算：

式中：t 為一個工作循環(huán)，s。

EGR 率偏差指的是各氣缸的EGR 率與均值EGR 率（理論上，各缸的EGR 率相同，為均值EGR率）之間的偏差。根據(jù)經(jīng)驗值，一個工作循環(huán)內(nèi)，各缸的EGR 率偏差應保持在±10%以內(nèi)。

1.5 工況設(shè)定

研究用發(fā)動機搭載于N2 類車輛，結(jié)合柴油車國Ⅵ法規(guī)及數(shù)據(jù)庫，選取2 個工況作為計算基礎(chǔ)。一個為3 200 r/min、18%EGR 率工況，另一個為1 800 r/min、8%EGR 率工況，分別代表高轉(zhuǎn)速、大EGR 率工況以及中低轉(zhuǎn)速、小EGR 率工況。如表2 所示。

表2 計算工況設(shè)定

2 計算結(jié)果分析

表3 為計算結(jié)果對比。圖2～圖4 分別為不同導流管長度及工況下的氣體混合跡線圖。

表3 計算結(jié)果對比

圖2 導流管長度為14 mm 時不同工況下的氣體混合跡線圖

從圖2 與表3 可以看出，導流管長度為14 mm時，工況1 及工況2，各缸的EGR 率偏差均在10%（絕對值）以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。其中，3 200 r/min、18%EGR 率工況（高轉(zhuǎn)速、大EGR 率），二缸的EGR率偏差最大，為4.2%，即二缸的EGR 廢氣稍多于其他各缸。1 800 r/min、8%EGR 率工況（中低轉(zhuǎn)速、小EGR 率），四缸的EGR 率偏差最大，為8.9%；二缸次之，為-8.4%，即四缸的EGR 廢氣最多，二缸最少。說明14 mm 導流管在高轉(zhuǎn)速、大EGR 率工況下更有利于氣體的混合。

圖3 導流管長度為20 mm 時不同工況下的氣體混合跡線圖

從圖3 與表3 可以看出，導流管長度為20 mm時，工況1 和工況2，一缸及二缸的EGR 率偏差均為正值，三缸及四缸的EGR 率偏差均為負值。工況1，二缸、三缸、四缸的EGR 率偏差均超出10%（絕對值），二缸的EGR 率偏差最大，達到19.2%。工況2，一缸及三缸的EGR 率偏差均超出10%（絕對值），三缸的EGR 率偏差最大，達到-19.6%。說明20 mm 導流管使EGR 廢氣的氣流貫穿性增加，更多的EGR廢氣進入了一缸和二缸。

圖4 導流管長度為26 mm 時工況1 的氣體混合跡線圖

從圖4 與表3 可以看出，導流管長度為26 mm時，只計算了工況1 的EGR 率偏差，因為工況1 下各缸的EGR 率偏差已超過25%（絕對值），對動力平順性及排放都非常不利，故而直接排除該方案的進一步計算。需要說明的是，因為導流管進一步加長，更多的EGR 廢氣進入一缸和二缸。

3 結(jié)論

1）建立了研究用發(fā)動機進氣歧管的三維模型，確定了變量（導流管長度）及計算工況。通過計算得到了不同變量及不同工況下各缸的EGR 率偏差。

2）導流管長度為14 mm 時，各缸的EGR 率偏差滿足設(shè)計要求；導流管長度為20 mm 及26 mm 時，EGR 廢氣的氣流貫穿性增加，更多的EGR 廢氣由左側(cè)通道進入一缸和二缸，EGR 率偏差超出設(shè)計要求。

3）通過模擬計算可知，設(shè)計導流管時，應考慮氣流慣性導致的氣體貫穿問題，合理設(shè)計導流管長度。