廢氣入射管道參數(shù)對缸內(nèi)EGR分層的影響

楊川 廖勇 杜永波 李元棟 張力

摘要：為了在某款摩托車汽油機(jī)缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán) （exhaust gas recirculation，EGR）分層以減少泵氣損失，降低NOx排放，將原有的進(jìn)氣旁通系統(tǒng)改造為EGR系統(tǒng)，使用GT-POWER模型求解出3 000 r/min、60 mg進(jìn)氣量工況下廢氣入射管道以及進(jìn)排氣道的邊界條件和初始條件，并將這些條件導(dǎo)入發(fā)動機(jī)的CONVERGE模型中進(jìn)行計(jì)算，通過對比不同廢氣入射管徑、不同安裝角度、不同安裝距離條件下的缸內(nèi)流動特性、缸內(nèi)速度場以及缸內(nèi)廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，確定了最佳廢氣入射管道參數(shù)。結(jié)果表明：在3 000 r/min、60 mg進(jìn)氣量工況下，當(dāng)廢氣入射管徑為5 mm，入射角度為17.5°，安裝距離為22 mm時，氣缸內(nèi)能實(shí)現(xiàn)EGR分層。

關(guān)鍵詞：EGR分層；汽油機(jī)；CONVERGE仿真

中圖分類號：TK413.4????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???????? 文章編號：1000-582X（2024）01-021-10

Effect of exhaust gas incident pipe parameters on EGR stratification in cylinder

YANG Chuan1， LIAO Yong1， DU Yongbo1， LI Yuandong2， ZHANG Li1

（1. College of Mechanical and Vehicle Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， P. R. China;

2. China Merchants Testing Certification Vehicle Technology Research Institute Co.， Ltd.，

Chongqing 401122， P. R. China）

Abstract： To realize exhaust gas recirculation （EGR） stratification in the cylinder of a motorcycle gasoline engine， so as to reduce pump air loss and NOx emission， the intake bypass system in the original engine was transformed into an EGR system. The boundary conditions and initial conditions of the exhaust incident pipe， inlet and exhaust ducts under 3 000 r/min and 60 mg intake air were solved by using the GT-POWER model. These conditions were imported into the CONVERGE model of the engine for calculation， and the exhaust gas incident pipe parameters were determined by comparing the flow characteristics， velocity field and exhaust gas mass fraction in the cylinder under different exhaust gas incident pipe diameters， installation angles and installation distances. The results show that under the condition of 3 000 r/min and 60 mg intake air， EGR stratification can be realized in the cylinder when the exhaust gas incident pipe diameter is 5 mm， the incident pipe inclination angle is 17.5° and the installation distance is 22 mm.

Keywords： EGR （exhaust gas recirculation） stratification; gasoline engine; CONVERGE simulation

廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）技術(shù)逐漸被應(yīng)用于汽油機(jī)上，以應(yīng)對日趨嚴(yán)格的油耗和排放法規(guī)[1]。EGR技術(shù)能降低發(fā)動機(jī)的泵氣功和傳熱損失，增加進(jìn)氣充量的比熱比[2]，抑制發(fā)動機(jī)的爆震[3]，提高發(fā)動機(jī)的效率[4-5]。太高的EGR率會阻礙火焰?zhèn)鞑?，影響燃燒速度，甚至在小?fù)荷高EGR率的工況下發(fā)生失火；但小負(fù)荷下更需要提高EGR率來降低泵氣功，而EGR分層能解決這個問題。通過采用特殊的EGR結(jié)構(gòu)以及合適的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)EGR分層，可以減少廢氣對火焰?zhèn)鞑サ母蓴_，提高發(fā)動機(jī)對EGR的容忍度。

國外對分層EGR的研究開始得較早。Ricardo公司在1992年提出CCVS系統(tǒng)，通過2個獨(dú)立的進(jìn)氣道在缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)EGR分層，試驗(yàn)表明在部分負(fù)荷條件下可以使發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性提高8%[6]。Ditiu[7]通過設(shè)計(jì)預(yù)燃室的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了廢氣、燃油與空氣分層分布的3分層系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明該內(nèi)燃機(jī)可以在較高的EGR率下持續(xù)穩(wěn)定工作，且大幅降低排放物。大宇公司提出利用滾流來實(shí)現(xiàn)徑向分層，使廢氣保持在兩側(cè)缸壁附近、新鮮工質(zhì)保持在氣缸中心；但是在壓縮行程后期滾流比急劇下降，分層效果受到影響[8]。

劉增勇[9]、姚春德等[10]通過一種出口方向可控并插入到氣道中的EGR導(dǎo)管，實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)EGR分層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該發(fā)動機(jī)可以在20%的EGR率下穩(wěn)定工作，同時大幅降低NOx的排放。部分研究者提出了一種基于排氣回流的EGR分層方式[11-13]，在EGR率為20%時，改善了燃燒效果。裴普成等[14]在一臺五氣門汽油機(jī)上開發(fā)了一套EGR分層系統(tǒng)，結(jié)果表明該發(fā)動機(jī)可以在32%的EGR率下穩(wěn)定工作。

筆者基于某款帶有進(jìn)氣旁通的雙缸摩托車汽油機(jī)，將原機(jī)的進(jìn)氣旁通改造為EGR系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)EGR分層為目標(biāo)對廢氣入射管道參數(shù)進(jìn)行研究。首先使用GT-POWER模型求解出3 000 r/min、60 mg進(jìn)氣量下廢氣入口、進(jìn)排氣道的邊界條件和初始條件，再使用CONVERGE模型求解出不同方案下的仿真結(jié)果，通過對比發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流動特性、速度場以及廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布來確定實(shí)現(xiàn)EGR分層的最佳廢氣入射管道參數(shù)。

1 數(shù)值模型

1.1 GT-POWER模型

研究對象是一臺摩托車用四氣門四沖程自然吸氣汽油機(jī)，燃油采用進(jìn)氣道噴射，燃燒室形狀為半球形。發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

根據(jù)發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及氣門升程、氣道流量系數(shù)、節(jié)氣門體流量系數(shù)建立GT-POWER模型（圖1）。模型主要由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、氣缸、空濾器、消聲器、噴油器、三相催化劑、進(jìn)排氣管路和控制件構(gòu)成。其中進(jìn)排氣管路根據(jù)原始發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)幾何建立，綠色線路為進(jìn)氣管路，紅色線路為排氣管路，藍(lán)色線路為信號采集線路，紫色線路為廢氣循環(huán)管路。在不同實(shí)驗(yàn)方案中，廢氣循環(huán)管道直徑為3、4、5 mm?？刂萍饕蛇M(jìn)排氣門和節(jié)氣門組成，其中節(jié)氣門開度被設(shè)置為變量。GT-POWER自帶的優(yōu)化器會實(shí)時調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度來控制進(jìn)氣質(zhì)量。發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 000 r/min，進(jìn)氣質(zhì)量設(shè)定為60 mg，在EGR進(jìn)氣相位為300°～650°下求解出進(jìn)排氣道和廢氣入口的邊界條件及相關(guān)部件初始條件。邊界條件主要指進(jìn)排氣道入口、廢氣入口的溫度和壓力，初始條件主要指進(jìn)氣門開啟時刻氣缸、進(jìn)氣道、排氣道、廢氣入射管道的初始溫度和初始壓力[15]。

1.2 CONVERGE模型

為方便定位，以燃燒室底部端面圓心為空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，Z軸與氣缸中心線重合，正向與活塞上行方向相同，X軸與進(jìn)氣流動方向在同一平面，坐標(biāo)軸如圖2所示。

廢氣入射管道參數(shù)包括入射管道直徑d（mm）、廢氣入射管道中心線與氣缸中心線之間的距離δ（mm）（以下簡稱安裝距離）以及廢氣入射管道中心線和XOY平面之間的角度θ（°）（以下簡稱入射角度），廢氣入射管道與進(jìn)氣道相交的最低點(diǎn)到XOY平面的距離為14 mm，上述廢氣入射管道參數(shù)如圖2所示。模型網(wǎng)格的尺寸控制在0.125～4.000 mm，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)1 600 000個。缸內(nèi)氣體控制方程由氣體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型方程組成。文中選擇帶壓縮修正的RNG k-ε湍流模型來模擬缸內(nèi)湍流，模型的壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

文中給出了8個實(shí)驗(yàn)方案，各個方案的設(shè)計(jì)參數(shù)值如表2所示。在GT-POWER模型中，直接優(yōu)化器通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，將發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉時刻的進(jìn)氣量控制為60 mg，求解得到不同設(shè)計(jì)方案下進(jìn)排氣道、廢氣入口的邊界條件以及相關(guān)部件的初始條件。其中方案1的部分初始條件如表3所示，進(jìn)排氣道和廢氣入口的邊界條件如圖3所示。

1.3 發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流動評價

發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流動特性由渦流比、滾流比和湍動能來衡量。

繞氣缸中心軸線旋轉(zhuǎn)的氣流被稱為渦流，進(jìn)氣渦流旋轉(zhuǎn)周向速度與活塞平均速度之比稱為渦流比，用以衡量渦流強(qiáng)度。垂直于氣缸中心軸線旋轉(zhuǎn)的氣流被稱為滾流，進(jìn)氣滾流旋轉(zhuǎn)周向速度與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之比稱為滾流比，用以衡量滾流強(qiáng)度。湍動能即湍流動能。渦流比Sz計(jì)算公式如式（1）所示，繞X、Y軸滾流比Tx、Ty計(jì)算公式如式（2）和（3）所示，湍動能k計(jì)算公式如式（4）所示：

S_z=M_z/I_z =（∑ρ_i V_i （x_i v_i-y_i u_i ））/（2π N/60∑ρ_i V_i （x_i^2+y_i^2 ） ），?? （1）

T_x=M_x/I_x =（∑ρ_i V_i （y_i w_i-z_i v_i ））/（2π N/60∑ρ_i V_i （z_i^2+y_i^2 ） ），?? （2）

T_y=M_y/I_y =（∑ρ_i V_i （z_i u_i-x_i w_i ））/（2π N/60∑ρ_i V_i （x_i^2+z_i^2 ） ），? （3）

k=（∑ρ_i V_i （u_i^2+v_i^2+w_i^2 ））/（2∑ρ_i V_i ）。?? （4）

式中：N表示發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；ui、vi、wi分別表示各計(jì)算網(wǎng)格單元在X軸、Y軸、Z軸的速度分量，m/s；xi、yi、zi分別表示各計(jì)算網(wǎng)格單元在X軸、Y軸、Z軸的坐標(biāo)分量，m；ρi表示各計(jì)算網(wǎng)格單元的密度，kg/m3；Vi表示各計(jì)算網(wǎng)格單元的體積，m3；Mx、My、Mz分別表示繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)空氣的動量矩，kg·m2/s；；Ix、Iy、Iz分別表示繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)空氣的轉(zhuǎn)動慣量分別與發(fā)動機(jī)曲軸角速度的乘積，kg·m2·rad/s。

2 仿真結(jié)果

2.1 不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的缸內(nèi)流動特性

通過對比不同廢氣入射管道設(shè)計(jì)參數(shù)下的滾流比、渦流比和湍動能，分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)對缸內(nèi)流動的影響，為發(fā)動機(jī)的后續(xù)開發(fā)和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖4為不同廢氣入射角度θ下缸內(nèi)流動特征參數(shù)對比。d=5 mm保持不變，δ=22 mm保持不變。在有EGR參與的情況下，Ty在進(jìn)氣沖程期間逐漸增加，在曲軸轉(zhuǎn)角450°附近時達(dá)到最大值；在450°～650°保持穩(wěn)定；超過650°后急劇減??；在點(diǎn)火時刻僅維持在0.2到0.4左右，傾角越小，該值越大。不同θ下，Tx曲線呈現(xiàn)W形狀，在曲軸轉(zhuǎn)角為450°、600°、675°時均有極值出現(xiàn)，最大值出現(xiàn)在曲軸轉(zhuǎn)角600°附近，為0.8左右，θ對Tx影響不明顯。不同θ下，在曲軸轉(zhuǎn)角小于500°時，Sz隨著進(jìn)氣過程逐漸增大，在575°附近達(dá)到最大值，最大值隨θ增加而增大；在500°之后，θ越大，Sz越大，同時渦流的衰減速度減慢；當(dāng)θ超過17.5°后，Sz基本不再變化。k在不同θ下具有相同的初始變化趨勢，即從進(jìn)氣開始時刻持續(xù)上升至最大氣門升程處，隨后下降。θ=11°方案的k明顯小于其他θ值方案；θ越大，k在進(jìn)氣后期衰減得越慢；當(dāng)θ超過17.5°后，k基本保持不變。在曲軸轉(zhuǎn)角690°附近，θ為17.5°時的方案，k仍有27.4 m2/s2?？偟膩碚f，θ對缸內(nèi)滾流比的影響不大；當(dāng)θ≤17.5°時，缸內(nèi)渦流隨θ增加而增強(qiáng)，k隨θ增加而增加。

圖5顯示了不同安裝距離下缸內(nèi)流動特征參數(shù)對比。保持d=5 mm，θ=11°，隨著安裝距離δ增加，Tx的最大值相應(yīng)增大，出現(xiàn)時刻提前，滾流的衰減速度也加快，在點(diǎn)火時刻附近（690°），不同δ下的Tx趨于一致。Ty的最大值隨δ增加而減小，與Tx一樣，在點(diǎn)火時刻附近，不同δ下該值趨于一致。Sz隨δ增加而增大，廢氣入射管道越靠近氣缸中心線，渦流的衰減越明顯。這是因?yàn)楫?dāng)廢氣入射管道遠(yuǎn)離氣缸中心線時，高速射流對附近低速氣體的剪切作用加強(qiáng)，使繞缸壁運(yùn)動氣流的速度增加，從而提高渦流比。k隨著δ增大而逐漸減小，在點(diǎn)火時刻附近（690°），δ越小k越大?？偟膩碚f，δ對Tx、Sz有較大影響，δ越大，Tx、Sz呈現(xiàn)增大的趨勢；δ對Ty、k的影響不大。

圖6為不同管道直徑d下缸內(nèi)流動特征參數(shù)對比。安裝距離δ=22 mm保持不變，入射角度θ=17.5°保持不變。Tx隨d增大而增大，最大值出現(xiàn)在曲軸轉(zhuǎn)角600°處，這是因?yàn)殡S著d增大，廢氣的流速也在增加。Ty在曲軸轉(zhuǎn)角位于450°～650°維持最大值，d越大最大值越大。Sz隨d增大而顯著增大，最大值出現(xiàn)在550°附近，到達(dá)最大值之后，d越小，渦流的衰減速度越慢。k的變化以曲軸轉(zhuǎn)角450°為分界點(diǎn)，前后呈現(xiàn)相反的變化趨勢，在曲軸轉(zhuǎn)角位于350°～450°時，d越小k越大；450°到點(diǎn)火時刻附近，d越大k越小。從整體上看，d對缸內(nèi)的滾流和渦流影響更大，d越大k在壓縮后期衰減得更慢。

2.2 不同方案缸內(nèi)速度場和廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布對比

圖7為不同方案缸內(nèi)速度場云圖對比。在缸內(nèi)流動特性中，渦流是影響缸內(nèi)EGR分層的主要因素，其在缸內(nèi)速度場的直觀表現(xiàn)即是在缸壁附近形成高速環(huán)流區(qū)域。從圖中可以看到，方案1、3和4中，缸內(nèi)速度場中均未出現(xiàn)黃色高速環(huán)流區(qū)域，方案2、5、6、7和8中，均有黃色高速環(huán)流區(qū)域出現(xiàn)。對比方案1、2、7可知，廢氣入射管道直徑越大，高速環(huán)流區(qū)域速度越大、范圍越廣。對比方案3、4及5可知，廢氣入射管道安裝距離越大，高速環(huán)流區(qū)域速度越大、范圍越廣。對比方案5、6、7和8可知，廢氣入射角度越大，高速環(huán)流區(qū)域速度越大、范圍越廣。其中，方案7和8的高速繞流區(qū)域速度最高、范圍最大。

圖8為不同方案缸內(nèi)廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布對比。從圖中可以看出，方案1和2的缸內(nèi)EGR率較低，黃色區(qū)域的EGR率為15%，綠色區(qū)域的EGR率為10%，兩者相差5%。方案3和4的缸內(nèi)整體EGR率較低，缸內(nèi)EGR率沿YOZ切片呈現(xiàn)分層，由于兩者入射管道安裝位置關(guān)于XOZ平面對稱，因此EGR率的變化沿YOZ切片是相反的，火花塞附近EGR率約為10%，與黃色區(qū)域EGR率的差值約為5%。方案5、6、7和8中，缸內(nèi)紅色區(qū)域顯著增多，紅色區(qū)域EGR率約為20%，整體EGR率大于前4種方案。方案5的缸內(nèi)EGR分層不明顯。方案6的缸內(nèi)紅色區(qū)域約占圓形切片一半面積，綠色區(qū)域EGR率約為10%，火花塞附近屬綠色區(qū)域。方案7和8的缸內(nèi)EGR分層情況相似，藍(lán)色低EGR率區(qū)域分布于燃燒室頂部，綠色區(qū)域沿缸壁和燃燒室中部分布，紅色區(qū)域主要集中于氣缸中心。火花塞附近區(qū)域EGR率約為10%，與紅色區(qū)域濃度差約為10%。方案7和8的EGR分層效果較好。

3 結(jié)? 論

1） 相比原機(jī)，EGR的介入可以大幅提高缸內(nèi)的滾流比、渦流比和湍動能。

2） 對比方案5、6、7和8可知，入射角度對滾流比影響不大，入射角度小于17.5°時，渦流比和湍動能隨入射角度增大而增大，缸內(nèi)速度場無明顯變化，EGR分層效果增強(qiáng)。

3） 對比方案3、4和5可知，隨安裝距離增加，缸內(nèi)繞X軸滾流比峰值增大且出現(xiàn)時刻提前，繞Y軸的滾流比減小，渦流比增大，湍動能減小，缸壁出現(xiàn)高速環(huán)流，EGR率上升但分層效果均較差。

4） 對比方案1、2和7可知，隨入射管徑增大，滾流比、渦流比、湍動能均增大，缸壁高速環(huán)流速度增大、范圍變廣，缸內(nèi)整體EGR率增加，分層效果增強(qiáng)。

5） 方案7和8在提高缸內(nèi)滾流比、渦流比和湍動能的同時，在點(diǎn)火時刻均擁有較好的EGR分層效果?？紤]到進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)帶來的加工問題，方案7入射角更小，更便于加工。因此方案7是最合適的設(shè)計(jì)方案。

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（編輯? 呂建斌）