基于CFD仿真分析與試驗驗證的EGR率均勻性研究

張 雷 ，魏 威 ，黃燁均

（1.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西汽車行業(yè)協(xié)會，廣西 南寧530000）

0 前言

我國非道路移動機械用柴油機的保有量較高，但相比車用柴油機，非道路用柴油機的排放控制技術(shù)相對落后很多，減排潛力巨大。柴油機排放控制的重點是氮氧化物（NOx）和顆粒（PM）排放，由于NOx和PM生成機理的矛盾性，柴油機的排放控制技術(shù)比汽油機更為復(fù)雜，為了保證柴油機的性能，減少對后處理技術(shù)的依賴并節(jié)約成本，機內(nèi)凈化一直是排放控制研究和應(yīng)用的核心。研究表明：廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)是目前降低柴油機NOx排放最有效的技術(shù)之一[1-4]。在多缸柴油機上采用EGR系統(tǒng)時，如果各缸EGR率不均勻，會導(dǎo)致各缸工作不一致，影響整機排放和動力性。

前期設(shè)計了一種簡單、低成本的廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)，并采用八工況法實驗研究了該EGR系統(tǒng)對非道路用柴油機燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響，結(jié)果表明非道路柴油機采用該EGR系統(tǒng)的八工況加權(quán)比排放量滿足第三階段排放限值的要求[5]。本文進(jìn)一步本文通過CFD仿真分析與試驗相結(jié)合，研究最大EGR率為12%的非道路國三排放增壓非中冷柴油機在有無EGR混合器情況下的EGR均勻性差異與整機各缸均勻性差異。

1 EGR混合CFD仿真分析

本次分析采用一維熱力學(xué)軟件BOOST和三維CFD軟件FIRE，由BOOST計算提供瞬態(tài)的計算邊界，由FIRE做三維EGR分布計算。

通過CFD仿真分析研究，可以對設(shè)計方案進(jìn)行初步判定，因此本文對有無EGR混合器兩種EGR管方案進(jìn)行仿真分析對比。

1.1 計算模型

如圖1，EGR混合幾何模型主要包含進(jìn)氣管1、進(jìn)氣接管2、廢氣進(jìn)氣管4，方案一沒有EGR混合器3，方案二采用EGR混合器3。EGR混合器為末端為斜切口的圓管，伸入長度為三分之一進(jìn)氣接管直徑。

圖1 EG R混合幾何模型

1.2 計算邊界

本次仿真分析使用了UG軟件生成三維模型，通過將UG模型導(dǎo)入FIRE軟件，使用自動網(wǎng)格生成器FAMEHYBRID生成了網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)量約為200萬個，計算網(wǎng)格模型見圖2。將空氣入口和各缸歧管口延長80 mm，再將延長段網(wǎng)格與進(jìn)氣系統(tǒng)網(wǎng)格通過arbit工具連接，這樣能保證各個進(jìn)出口的網(wǎng)格垂直于氣流方向，有利于計算結(jié)果穩(wěn)定。

圖2 EG R混合網(wǎng)格模型

計算使用的湍流模型為k-ε兩方程湍流模型，近壁面處采用了壁面函數(shù)法。

計算的邊界條件來自發(fā)動機一維熱力學(xué)計算，通過計算得到進(jìn)氣系統(tǒng)各進(jìn)出口的周期性邊界條件，見圖3~圖6。進(jìn)行三維的瞬態(tài)CFD計算，最后得到進(jìn)氣歧管各出口EGR率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系曲線。

圖3 一維熱力學(xué)模型圖

圖4 各測量面質(zhì)量流量

圖5 空氣入口質(zhì)量流量

圖6 EG R入口質(zhì)量流量

1.3 計算結(jié)果與分析

通過CFD仿真計算可以輸出發(fā)動機各缸c1~c4的瞬態(tài)EGR率，見圖7、圖8。

圖7 無EG R混合器方案各缸瞬態(tài)EG R率

圖8 有EG R混合器方案各缸瞬態(tài)EG R率

根據(jù)質(zhì)量加權(quán)計算公式求出一個循環(huán)內(nèi)的各缸平均EGR率以及各缸的平均EGR率偏差（見圖9、圖10橫坐標(biāo)為氣缸編號，縱坐標(biāo)為EGR率）。

圖9 各缸平均EG R率

圖10 各缸平均EG R率偏差

從以上計算仿真結(jié)果可以看出：

（1）兩個方案的第1、2缸的平均EGR率均偏低，第3、4的平均EGR率均偏高，這個主要是因為進(jìn)氣管進(jìn)氣口位置造成。

（2）無EGR混合器方案的第1、第2的瞬態(tài)EGR率波動很大。有EGR混合器方案的各缸瞬態(tài)EGR率較平穩(wěn)。

（3）無EGR混合器方案的各缸加權(quán)EGR率相對有EGR混合器方案偏差略大，即無EGR混合器方案混合更不均勻，但最大偏差僅7.7%，小于±10%的標(biāo)準(zhǔn)。而有EGR混合器方案最大偏差也達(dá)到5.6%。

（4）綜上，認(rèn)為針對該小EGR率機型不采用EGR混合器方案也是可行的。

2 試驗對比分析

由于試驗設(shè)備、試驗條件的局限性，無法測出發(fā)動機各缸分別的EGR率，也很難測出各缸發(fā)出功率、排放污染物。因此本試驗僅做出有無EGR混合器兩方案的排放工況點的功率和污染物排放對比，以及第1缸至4缸依次停缸的功率對比，通過排放工況點功率和污染物排放對比以及各缸功率均勻性判斷兩方案的性能差異。通過各缸功率均勻性進(jìn)一步輔證EGR混合均勻性。一般認(rèn)為各缸均勻性在5%以內(nèi)是合理的。

2.1 試驗條件

測功機：AVL公司INDYS22-4

環(huán)境溫度：（25±15）℃或按試驗要求

相對濕度：不控制

大氣壓力：（95 ± 15）kPa

大氣因子要求：0.96≤fa≤1.06

機油：YC800 CH4-4/SJ15 W/40

燃油：0#柴油

冷卻液：臺架軟水

燃油溫度：（38 ± 2）℃

中冷后進(jìn)氣溫度：（49±2）℃

排氣溫度（渦前）：≤ 720℃

排氣背壓：≤10 kPa

進(jìn)氣負(fù)壓：≤-6 kPa

機油溫度（油底殼）：≤ 130℃；

機油壓力（主油道標(biāo)定點）：0.3～0.6 MPa。

2.2 試驗內(nèi)容與結(jié)果分析

發(fā)動機按技術(shù)條件磨合好之后進(jìn)行性能調(diào)試，性能合格后進(jìn)行排放工況點的功率、排放測試，標(biāo)況點功率、綜合排放試驗數(shù)據(jù)（八工況）見表1。

表1 工況點功率、排放試驗數(shù)據(jù)

然后在進(jìn)行停缸試驗，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 停缸試驗試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，可以看出有無EGR混合器方案的功率偏差很小，接近于測功機精度，主要排放污染物CO、NOx+HC的偏差也較小，PM的偏差雖然略大，但是絕對值都較小，遠(yuǎn)低于排放法規(guī)要求。因此，可以認(rèn)為針對本機型有無EGR混合器對性能、排放的影響可以忽略。

而根據(jù)表2，可以計算出兩方案各缸功率均勻性，如圖11。可以看出，有EGR混合器方案的各缸功率均勻性與無EGR混合器方案差異不大，且均小于5%。

圖11 各缸功率均勻性偏差對比

3 結(jié)論

通過CFD仿真分析和試驗驗證，可以得到結(jié)論：

（1）對于采用無冷卻器的廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)的柴油機，能滿足非道路第三階段排放限值。

（2）對于小EGR率增壓非中冷柴油機，新鮮空氣遠(yuǎn)多于廢氣，自由混合可能就已經(jīng)比較均勻，有無EGR混合器對EGR率均勻性影響很小。