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.廣西汽車行業協會，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比汽油機更為復雜，為了保證柴油機的性能，減少對后處理技術的依賴并節約成本，機內凈化一直是排放控制研究和應用的核心。研究表明：廢氣再循環（EGR）技術是目前降低柴油機NOx排放最有效的技術之一[1-4]。在多缸柴油機上采用EGR系統時，如果各缸EGR率不均勻，會導致各缸工作不一致，影響整機排放和動力性。

前期設計了一種簡單、低成本的廢氣再循環（EGR）系統，并采用八工況法實驗研究了該EGR系統對非道路用柴油機燃油經濟性和排放特性的影響，結果表明非道路柴油機采用該EGR系統的八工況加權比排放量滿足第三階段排放限值的要求[5]。本文進一步本文通過CFD仿真分析與試驗相結合，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軟件BOOST和三維CFD軟件FIRE，由BOOST計算提供瞬態的計算邊界，由FIRE做三維EGR分布計算。

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

1.1 計算模型

如圖1，EGR混合幾何模型主要包含進氣管1、進氣接管2、廢氣進氣管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模型導入FIRE軟件，使用自動網格生成器FAMEHYBRID生成了網格，總網格數量約為200萬個，計算網格模型見圖2。將空氣入口和各缸歧管口延長80 mm，再將延長段網格與進氣系統網格通過arbit工具連接，這樣能保證各個進出口的網格垂直于氣流方向，有利于計算結果穩定。

圖2 EG R混合網格模型

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法。

計算的邊界條件來自發動機一維熱力學計算，通過計算得到進氣系統各進出口的周期性邊界條件，見圖3~圖6。進行三維的瞬態CFD計算，最后得到進氣歧管各出口EGR率隨曲軸轉角的變化關系曲線。

圖3 一維熱力學模型圖

圖4 各測量面質量流量

圖5 空氣入口質量流量

圖6 EG R入口質量流量

1.3 計算結果與分析

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

圖7 無EG R混合器方案各缸瞬態EG R率

圖8 有EG R混合器方案各缸瞬態EG R率

根據質量加權計算公式求出一個循環內的各缸平均EGR率以及各缸的平均EGR率偏差（見圖9、圖10橫坐標為氣缸編號，縱坐標為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，這個主要是因為進氣管進氣口位置造成。

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

（3）無EGR混合器方案的各缸加權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%的標準。而有EGR混合器方案最大偏差也達到5.6%。

（4）綜上，認為針對該小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

由于試驗設備、試驗條件的局限性，無法測出發動機各缸分別的EGR率，也很難測出各缸發出功率、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一步輔證EGR混合均勻性。一般認為各缸均勻性在5%以內是合理的。

2.1 試驗條件

測功機：AVL公司INDYS22-4

環境溫度：（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）℃

中冷后進氣溫度：（49±2）℃

排氣溫度（渦前）：≤ 720℃

排氣背壓：≤10 kPa

進氣負壓：≤-6 kPa

機油溫度（油底殼）：≤ 130℃；

機油壓力（主油道標定點）：0.3～0.6 MPa。

2.2 試驗內容與結果分析

發動機按技術條件磨合好之后進行性能調試，性能合格后進行排放工況點的功率、排放測試，標況點功率、綜合排放試驗數據（八工況）見表1。

表1 工況點功率、排放試驗數據

然后在進行停缸試驗，試驗數據見表2。

表2 停缸試驗試驗數據

根據表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，遠低于排放法規要求。因此，可以認為針對本機型有無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 結論

通過CFD仿真分析和試驗驗證，可以得到結論：

（1）對于采用無冷卻器的廢氣再循環（EGR）系統的柴油機，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，新鮮空氣遠多于廢氣，自由混合可能就已經比較均勻，有無EGR混合器對EGR率均勻性影響很小。