基于EGR分層的直噴汽油機進氣道結構優化研究

趙云龍，洪偉，李慧，謝方喜

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025)

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基于EGR分層的直噴汽油機進氣道結構優化研究

趙云龍，洪偉，李慧，謝方喜

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025)

為了實現廢氣圍繞在可燃混合氣周圍，并且廢氣較濃區域集中于燃燒室底部的EGR分層形式，基于1臺缸內直噴汽油機，利用CFD仿真軟件Fire針對原機切向氣道結構以及切向氣道與螺旋氣道相結合的氣道形式進行了仿真，探究其實現預期EGR分層的潛力，并從缸內進氣流場角度分析EGR分層機理。結果表明：原機切向氣道由于滾流在壓縮沖程中被大幅削弱，不能形成研究預期的EGR分層形式；采用切向氣道與螺旋氣道相結合的進氣道結構形式可以使滾流在壓縮沖程中具有較好的保持性，并結合EGR相位調整，實現了約10%的EGR分層梯度，EGR分層形式符合研究預期。

進氣道； 汽油機； 廢氣再循環； 分層； 流場分析

較大的泵氣損失是限制汽油機燃油經濟性的主要原因之一，將EGR技術應用于汽油機可以增加其缸內工質，從而降低泵氣損失，使汽油機的經濟性得以提升[1]。但是EGR的介入會在一定程度上影響汽油機的正常燃燒，因此EGR分層技術應運而生。一些研究表明，EGR分層可以在提高汽油機經濟性的同時，提高發動機輸出功率并進一步降低汽油機NOx排放。進氣道結構形式對缸內進氣流場影響較大，也勢必對缸內EGR分層產生較大影響[2-8]。

本研究意在實現廢氣圍繞在可燃混合氣周圍,并且廢氣濃度較高的區域集中于燃燒室底部的EGR分層形式。應用AVL-Fire軟件在1臺缸內直噴汽油機的基礎上建立原機氣道的三維仿真模型，探究原機切向氣道實現研究預期分層形式的潛力，并進一步優化選取切向氣道與螺旋氣道相結合的氣道形式，并從進氣流場角度分析EGR分層機理。

1 CFD模型的建立

本研究CFD模型基于某直噴汽油機建立，該發動機基本參數見表1。體網格通過Fire軟件的前處理器FAME中的自動劃分網格工具(FAME Hybrid Assistant)來生成，然后通過Check工具對體網格中的負網格進行進一步的細化處理。本研究選取了切向氣道與螺旋氣道相結合的氣道形式，其計算網格見圖1。

表1 發動機基本參數

邊界條件的選取對于仿真計算的準確性有著重要的影響，本研究將再循環廢氣的進氣口和新鮮空氣的進氣口均設置為Inlet/Outlet進出口邊界，并根據直噴汽油機溫度特性對進氣道、氣缸蓋、氣缸套、活塞以及進氣門的初始平均溫度進行了設置：將進氣道壁面、氣缸蓋底面和氣缸套設定為固定壁面，其溫度分別為360 K，550 K和500 K；將進氣門表面和活塞表面設定為移動壁面，其溫度分別為293.15 K和500 K。設定的缸內的初始條件為充滿廢氣，壓力為101 kPa；進氣道空氣側壓力為101 kPa；EGR側壓力為130 kPa。

為了探究內燃機缸內工作過程，在多維數值模擬計算中主要對可壓縮黏性流體的納維-斯托克斯方程進行求解，在求解過程中需滿足質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程以及理想氣體的狀態方程。在本研究中湍流模型選取精度和穩定性較好的k-ζ-f四方程模型。

2 原機切向氣道對EGR分層的影響研究

2.1 原機切向氣道EGR分層情況

由于在原機氣道中直接引入EGR會導致廢氣與新鮮空氣在沒有進入氣缸前便產生嚴重的摻混，本研究在氣道中添加導管對再循環的廢氣進行導向，防止廢氣提前摻混，并且為了達到廢氣圍繞在新鮮充量周圍的預期分層效果，將導管布置于進氣道外側靠近邊沿的區域，保證與導管及氣道的流線形式基本一致。考慮到需要對廢氣流動范圍進行約束，將導管的橫截面設計為橢圓形，并且為了阻止廢氣與新鮮充量的提前摻混，將導管的末端設置于氣門頭部附近。該仿真方案的計算網格透視圖見圖2。

仿真研究中選取工況點為2 000 r/min。前期工作發現，在原機氣道模式下，壓縮沖程中再循環廢氣與新鮮空氣摻混嚴重，較難形成EGR分層。通過調整EGR壓力與停止相位，最終發現EGR壓力為130 kPa，ERG停止相位為240°BTDC(壓縮上止點)時可以形成缸內EGR分層。圖3示出了原機氣道添加導管模式下在壓縮上止點附近(40°BTDC)火花塞所在平面的EGR分層情況。從縱向截面可以看出，在壓縮上止點附近形成了EGR分層，在氣缸壁及燃燒室頂部廢氣濃度較高，EGR率約為30%，而活塞頂部及燃燒室中間區域的EGR率較低，約為21%，EGR濃度差約為9%。由于原機的火花塞布置在燃燒室頂部靠近中心的位置，而此處的廢氣濃度較高，這勢必會對燃燒過程產生不良影響，偏離了研究預期的分層效果。從橫向截面可以看出，雖然在壓縮上止點附近形成了約10%的EGR濃度差的分層，但整體EGR分層界限較為混亂，分層梯度不明顯，在氣缸中心區域出現EGR率較高的區域，而氣缸壁附近存在大量EGR率較低的區域，偏離了研究預期的EGR分層模式。

2.2 原機切向氣道進氣流場分析

缸內氣流運動對混合氣形成有較大的影響，為了分析缸內廢氣分層機理，有必要對進氣及壓縮過程中缸內進氣流場進行分析。選取的發動機工況點為2 000 r/min，EGR壓力為130 kPa，空氣側壓力為101 kPa。原機氣道下火花塞所在截面上的速度場分布見圖4。

在進氣初期，隨著進氣門開度的增大，缸內進氣流速有所增加，隨著進氣沖程中活塞的下行，氣流速度逐漸降低。270°BTDC左右，缸內形成了逆時針方向旋轉的滾流，并且隨著活塞的下行，在進氣下止點附近形成了占據整個氣缸容積的滾流。當活塞運動到壓縮沖程，氣流受到擠壓，并且由于受到燃燒室排氣側凹坑、凸臺的擾動，逐漸形成了單側的滾流。偏向一側的滾流在其氣流運動下會使廢氣向燃燒室另一側擴散，這勢必導致缸內廢氣摻混現象的加劇。隨著壓縮沖程中活塞的上行，缸內的滾流被不斷削弱，在壓縮沖程末期，滾流基本消失。這也可以被認為是原機切向氣道模式下EGR分層形式偏離研究預期的原因之一。

3 氣道優化模式下的流場對比及EGR分層情況

為了探尋可以實現研究預期的廢氣分層的氣道結構形式，針對原機切向氣道滾流在壓縮沖程末期被大幅削弱的不足，本研究在切向氣道加入擋板對再循環的廢氣進行引導的同時，結合柴油機螺旋氣道渦流運動保持性較好的特點，引入螺旋氣道提升缸內滾流運動在壓縮沖程末期的保持性，并在螺旋氣道外側加入導管對再循環的廢氣進行引導，導管形狀與氣道的彎曲方向基本保持一致，并延伸至氣門頭部上方，在最大限度上避免再循環的廢氣與新鮮空氣摻混。導管的截面為橢圓形，在導管延伸至氣門頭部附近時逐漸縮小，意在與進氣道的形狀相配合，其結構形式見圖5。

3.1 氣道優化模式下的進氣流場

選取的發動機工況點為2 000 r/min，EGR壓力為130 kPa，空氣側壓力為101 kPa。優化選取的切向氣道與螺旋氣道相結合的氣道模式下火花塞所在截面上的進氣速度場分布見圖6。在進氣初期，缸內氣流流速較低，并在進氣門頭部附近凹坑、凸臺的擾動下使凸臺上方形成了小尺度的滾流運動。在進氣下止點附近，在燃燒室頂部逐漸形成了較為規則的大型滾流，相比于原機氣道，滾流的流線更加光順，這樣就能夠使氣流維持較大的動能。并且在整個壓縮沖程中，滾流得到了較完整的保留，在壓縮沖程末期，滾流運動仍占據整個燃燒室范圍。滾流有助于將壁面附近的空氣轉運至氣缸底部乃至另一側壁面，有利于實現廢氣分層的改善。因此，從進氣流場的角度而言，采用切向氣道與螺旋氣道相結合的氣道形式相比于原機的氣道形式更有利于實現缸內EGR的分層。

3.2 EGR分層效果分析

仿真選取工況點為發動機轉速2 000 r/min，EGR壓力130 kPa，空氣側壓力101 kPa，在整個曲軸轉角范圍內通入再循環廢氣。為了結合氣流運動探求EGR分層形成機理，截取了多個曲軸轉角下的缸內廢氣分布情況，圖7示出了火花塞所在縱向截面各曲軸轉角下缸內EGR分層情況。再循環的廢氣首先從燃燒室頂部靠近氣門頭部的位置進入氣缸內，在325°BTDC時EGR濃度差約為72%。在靠近進氣下止點時，空氣的卷吸作用使得較大尺度的滾流在氣門頭部以下的區域形成，再循環的廢氣沿著氣缸壁向下方及活塞頂部凹坑擴散，此時氣缸壁面EGR率較高，EGR濃度差約為35%。進入壓縮沖程后，缸內混合氣摻混程度逐漸加劇，但由于在氣道優化模式下缸內大尺度的滾流在整個壓縮沖程中得以保存，始終保持了外側EGR率較高而中心區域EGR率較低的分層形式。

圖8示出了不同曲軸轉角下火花塞所在橫向截面的廢氣分布情況。再循環廢氣在345°BTDC時出現，此時EGR濃度差約為80%，隨著進氣沖程活塞的下行，廢氣在缸內氣流運動的作用下以渦流的形式沿氣缸壁面擴散。在265°BTDC時，廢氣基本擴散至整個圓周，EGR濃度差約為63%。在壓縮沖程中出現廢氣摻混現象，氣缸中心區域的EGR率有所升高，但缸內較強的氣流運使得缸內始終保持壁面附近EGR率較高，中心區域EGR率較低的分層形式。壓縮至點火時刻附近(15°BTDC)時，中心區域EGR率約為19%，靠近氣缸壁區域EGR率約為29%，EGR濃度差約為10%。

在前期工作中發現EGR停止相位也會對EGR的分層產生較大的影響，因此，考慮進一步結合原機氣道EGR停止相位優化結果對EGR分層效果進行進一步優化，即選取EGR停止相位為240°BTDC，火花塞點火時刻附近(15°BTDC)缸內EGR分層情況見圖9。在240°BTDC曲軸轉角處停止通入EGR，產生的廢氣較濃區域基本集中于燃燒室底部，分層梯度明顯，且EGR的分層界限更加平直、清晰。由于火花塞布置在氣缸頂部中心位置，因此，這種EGR分層形式下廢氣對燃燒過程的不良影響較小，接近研究預期實現的分層形式。但由于并非全程通入EGR，缸內平均EGR率有所下降，在壓縮上止點附近缸內EGR率最高為20%，最低約為10%，EGR濃度差約為10%。

4 結論

a) 原機切向氣道結構形式下的EGR分層偏離了研究預期的分層效果，原因是缸內滾流運動在壓縮沖程中被嚴重削弱;

b) 采用切向氣道與螺旋氣道相結合的氣道結構形式，可以在進氣過程形成更加規則的滾流，滾流在整個壓縮沖程中保持性良好，有利于實現研究預期形式的EGR分層;

c) 采用切向氣道與螺旋氣道相結合的氣道結構形式，并結合EGR停止相位優化結果(240°BTDC)，實現了燃燒室底層EGR濃度較高，可燃混合氣區域EGR濃度較低且分層梯度明顯的EGR分層形式，EGR率最高約為20%，最低約為10%，EGR濃度差為10%。

[1] Groves W N,BjorkhaugM.Stratified Exhaust Gas Recirculation in a SI Engine[C].SAE Paper 860318,1986.

[2] Koji Morita,Yukihiro Sonoda,Takashi Kawase.Emission Reduction of a Stoichimetric Gasoline Direct Injection Engine[C].SAE Paper 2005-01-3687.

[3] 姚春德,劉增勇,盧艷彬，等.四氣門汽油機分層EGR的試驗研究[J].工程熱物理學報,2005(6)：1053-1056.

[4] 韓林沛，洪偉，楊俊偉，等.缸內滾流對廢氣再循環汽油機性能影響的計算研究[J].車用發動機，2014,(1)：38-44.

[5] 李慧.基于氣道設計的GDI發動機EGR分層效果的仿真研究[D].長春：吉林大學，2014.

[6] 宋金甌,姚春德,姚廣濤.汽油機廢氣滾流分層技術燃燒放熱規律的研究[J].內燃機學報，2006，24(2)：157-161.

[7] Sangmyeong Han,Wai K Cheng.Design and Demonstration of a Spark Ignition Engine Operating in a Stratified-EGR Mode[C].SAE Paper 980122,1998.

[8] Anderas W Berntsson.The Effect of Tumble Flow on Efficiency for a Direct Injected Turbocharged Downsized Gasoline Engine[C].SAE Paper 2011-24-0054.

[編輯：姜曉博]

Optimization of Stratified EGR Intake Port in Gasoline Direct Injection Engine

ZHAO Yun-long，HONG Wei，LI Hui，XIE Fang-xi

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

In order to realize the EGR stratification of air-fuel mixture surrounded by the exhaust gas and thick exhaust area distributed at the bottom of combustion chamber, the flow field of tangential port and combined port by tangential port and helical port were simulated with the CFD FIRE software to research the potential of EGR stratification and the mechanism of EGR stratification was analyzed from the view of in-cylinder gas flow based on a gasoline direct injection engine.The results indicate that the tangential port cannot realize the anticipated EGR stratification because the tumble flow weakens during the compression stroke.On the contrary, the combined port has better stability and can realize about 10% gradient of EGR stratification by combining the adjustment of EGR phase.Accordingly, the developed EGR stratification realizes the anticipated effect.

intake port; gasoline engine; EGR; stratification; flow field analysis

2014-09-10；

2015-01-13

國家高技術研究發展計劃“863”資助項目(2012AA111702)；國家自然科學基金資助項目(51276080，51206059);吉林省科技引導計劃青年科研基金項目(20140520128JH)

趙云龍(1990—)，男，碩士，主要研究方向為汽油機節能技術體系開發；uniqueaq@126.com。

謝方喜(1982—)，男，講師，主要研究方向為汽油機節能技術體系開發；jluxfx@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.013

TK411.5

B

1001-2222(2015)02-0061-05