某柴油機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)氣均勻性分析

趙真真，張超，周波，孫影

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

隨著排放法規(guī)的升級，對氮氧化合物、碳?xì)浠衔锛耙谎趸嫉葟U氣的排放要求也逐步升高。由于廢氣中含有大量的二氧化碳，而二氧化碳不能燃燒卻能吸收熱量，使得氣缸中的燃燒溫度降低，從而減少了氮氧化合物的生成量，廢氣再循環(huán)(EGR)是凈化排氣中氮氧化合物的主要方法[1]。

在多缸發(fā)動機(jī)上采用EGR系統(tǒng)時，有時各缸EGR氣體分布不均勻，導(dǎo)致EGR率高的氣缸氧氣濃度低，排放煙度大；EGR率低的氣缸不能有效降低燃燒最高溫度，氮氧化合物的形成依然得不到有效控制[2-3]。因此，有必要對EGR分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)仿真結(jié)果對各缸 EGR率均勻性進(jìn)行優(yōu)化，以得到滿足要求的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)。

本文所分析的某柴油機(jī)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣均勻性，分兩個部分：（1）進(jìn)氣歧管空氣均勻性；（2）進(jìn)氣歧管廢氣均勻性。其中，空氣均勻是指EGR閥門完全關(guān)閉，只有空氣均勻地流入各氣缸。廢氣均勻是指EGR閥門開啟一定角度，進(jìn)氣歧管中同時有空氣和廢氣流通，最終混合后，均勻地流入各氣缸。由于EGR閥門并非一直開啟，并且在不同工況下閥門開啟角度不同，所以只有在調(diào)整進(jìn)氣歧管空氣進(jìn)氣均勻后，再調(diào)整廢氣均勻性才有意義。通過對模型進(jìn)行調(diào)整，最終使得進(jìn)氣歧管進(jìn)氣均勻。

1 模型建立

圖1為該柴油機(jī)的進(jìn)氣歧管三維數(shù)模，BND_IN_AIR為進(jìn)氣總管（空氣）入口，BND_IN_EGR為EGR管路（廢氣）入口，BND_OUT1～BND_OUT4分別為進(jìn)氣歧管出口，分別與1～4氣缸連通。

對進(jìn)氣歧管進(jìn)行數(shù)值計算之前，先進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先利用 Hypermesh軟件劃分面網(wǎng)格；其次，將面網(wǎng)格導(dǎo)入到FIRE M軟件劃分體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2mm。為了有利于計算收斂，進(jìn)出口邊界均沿法線方向延長了20層（每層高度為2mm）。最終的網(wǎng)格單元數(shù)約為34萬。

圖1 進(jìn)氣歧管三維數(shù)模

2 空氣均勻性計算

2.1 邊界條件

進(jìn)口邊界：總壓1bar，出口邊界：靜壓0.975bar

2.2 分析結(jié)果

2.2.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

流量系數(shù)的計算公式為：

式中：mth為理論流量，R為氣體常數(shù)（287.14kJ/kg），T為溫度，p為出口壓力，p0為進(jìn)口壓力，Aref為出口面積，為流量因子，k為絕熱指數(shù)（1.41），mcalc為計算所得流量， 為流量系數(shù)。

2.2.2 計算結(jié)果

柴油機(jī)進(jìn)氣歧管空氣均勻性的評價標(biāo)準(zhǔn)是流量系數(shù)差異性在[-2.5%,2.5%]范圍內(nèi)。根據(jù)表1中的計算結(jié)果可以看出：流量系數(shù)最大上偏差為 0.84%，最大下偏差-1.01%，均在評價標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿足要求，可進(jìn)行廢氣均勻性計算。

表1 空氣均勻性計算結(jié)果

3 廢氣均勻性計算

3.1 邊界條件

通過一維BOOST計算得到進(jìn)氣歧管進(jìn)出口的壓力、溫度、流量等邊界條件。選擇標(biāo)定工程師提供的兩個工況點(diǎn)進(jìn)行廢氣均勻性計算：工況一，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 2600rpm、扭矩184N·m、EGR率24.35%；工況二，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1300rpm、扭矩11N·m、EGR率50.49%。

圖2 進(jìn)出口質(zhì)量流量_工況一

圖3 進(jìn)出口溫度_工況一

圖4 進(jìn)出口質(zhì)量流量_工況二

圖5 進(jìn)出口溫度_工況二

3.2 分析結(jié)果

3.2.1 評價標(biāo)準(zhǔn)[4-6]

EGR率的計算公式如下：

其中，EGRi表示第i缸EGR率[%]；

mEGRi表示第i缸廢氣質(zhì)量流量[kg/h]；

mfi表示第i缸新鮮空氣質(zhì)量流量[kg/h]。

其中，mEGRi表示第i缸的EGR質(zhì)量流量[kg/h]；

mEGR_AVG代表四缸平均EGR質(zhì)量流量[kg/h]。

根據(jù)要求，一個循環(huán)內(nèi) EGR率偏差在[-10%,10%]范圍內(nèi)。

上述提到的兩個工況，廢氣均勻性均合格才算合格。下面分別進(jìn)行兩個工況的廢氣均勻性計算。

3.2.2 工況一原始方案計算結(jié)果

首先計算工況一，廢氣均勻性計算為瞬態(tài)計算，共計算五個循環(huán)，前四個循環(huán)為了保證計算能夠收斂，最后一個循環(huán)輸出計算結(jié)果。

表2 原始方案計算結(jié)果_工況一

從表2計算結(jié)果來看，一二缸廢氣量偏多，三四缸廢氣量偏少，并且偏差量較大，需對模型進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3 工況二改進(jìn)方案計算結(jié)果

圖6 原方案與改進(jìn)方案1

由于原方案 EGR管路與進(jìn)氣總管相連接部位的管路與水平線有一定的偏轉(zhuǎn)角度（向一二缸偏轉(zhuǎn)），所以一二缸廢氣量偏多，三四缸廢氣量偏少。改進(jìn)方案1對EGR管路進(jìn)行調(diào)整，將其調(diào)整至水平方向，再次計算進(jìn)氣歧管廢氣均勻性。

經(jīng)計算，改進(jìn)方案 1中：二缸 EGR率偏差最大，為16.50%；四缸EGR率偏差最小，為-11.10%。不在評價標(biāo)準(zhǔn)[-10%,10%]范圍內(nèi)。

圖7 改進(jìn)方案1與改進(jìn)方案2

對改進(jìn)方案1繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整得到改進(jìn)方案2。改進(jìn)方案1的EGR管路插入進(jìn)氣總管深度2mm，對進(jìn)入總管的廢氣有導(dǎo)流作用，可能是導(dǎo)致一二缸廢氣量偏多、三四缸廢氣量偏少的原因；改進(jìn)方案2的EGR管路直接與進(jìn)氣總管相連接，具體見圖7。

圖8 改進(jìn)方案2與改進(jìn)方案3

經(jīng)計算，改進(jìn)方案 2中：二缸 EGR率偏差最大，為13.86%；四缸EGR率偏差最小，為-8.87%。除2缸EGR率偏大，不在評價標(biāo)準(zhǔn)[-10%,10%]范圍內(nèi)，其余三缸均合格。通過計算結(jié)果可知，EGR管路插入進(jìn)氣總管部分對廢氣有導(dǎo)流作用，調(diào)整后僅二缸廢氣量偏大。

對改進(jìn)方案2繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，得到改進(jìn)方案3。由于前面調(diào)整了EGR管路方向及插入深度，現(xiàn)對進(jìn)氣總管的彎曲角度進(jìn)行調(diào)整。由于改進(jìn)方案2進(jìn)氣總管彎曲角度過大，導(dǎo)致空氣在經(jīng)過彎角處過多的集中在彎角外緣處，所以三四缸空氣量會偏多，廢氣量偏小。將改進(jìn)方案2的進(jìn)氣總管彎曲角度調(diào)小，得到改進(jìn)方案3。

經(jīng)計算，改進(jìn)方案3中：二缸EGR率偏差最大，為3.18%；四缸EGR率偏差最小，為-2.40%。均在評價標(biāo)準(zhǔn)[-10%,10%]范圍內(nèi)，調(diào)整合格。

表3 改進(jìn)方案3計算結(jié)果_工況一

原設(shè)計方案經(jīng)過調(diào)整EGR管路布置得到改進(jìn)方案1，改進(jìn)方案1經(jīng)過調(diào)整EGR管路插入深度得到改進(jìn)方案2，改進(jìn)方案2經(jīng)過調(diào)整進(jìn)氣總管彎曲角度得到改進(jìn)方案3，四個方案的 EGR率偏差分布見圖 9，EGR率偏差的要求范圍為[-10%，10%]，由圖中可見，每次調(diào)整都更為接近評價標(biāo)準(zhǔn)，最終改進(jìn)方案3的EGR率偏差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合要求。

圖9 不同方案EGR率偏差分布

從原方案模型到改進(jìn)方案3模型，由于模型總體變動不大，對空氣均勻性影響較小，再次對改進(jìn)方案3進(jìn)行空氣均勻性分析，計算結(jié)果仍在評價標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

3.2.4 工況二計算結(jié)果

工況一下，模型經(jīng)過一系列調(diào)整，最終改進(jìn)方案3的廢氣均勻性符合標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)針對改進(jìn)方案 3，計算在工況二下廢氣分布是否均勻。

經(jīng)計算，一缸EGR率偏差最大，為1.90%；三缸EGR率偏差最小，為-1.46%。在評價范圍內(nèi)，滿足要求。

表4 改進(jìn)方案3計算結(jié)果_工況二

5 結(jié)論

本文通過對柴油機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行空氣均勻性分析和廢氣均勻性分析，得出以下結(jié)論：

（1）進(jìn)氣歧管空氣均勻性計算合格后再進(jìn)行廢氣均勻性計算；

（2）初始方案計算廢氣均勻性不合格，可以根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整EGR管路分布、EGR管路插入進(jìn)氣總管深度和進(jìn)氣總管的彎曲角度及方向等措施來改進(jìn)模型；

（3）改進(jìn)方案在一個工況下廢氣均勻分布后，再計算另一個工況，兩個工況下均需滿足評價標(biāo)準(zhǔn)；

（4）在發(fā)動機(jī)研發(fā)階段，通過CFD分析可以降低研發(fā)周期和研發(fā)成本。