某汽油機進氣歧管進氣均勻性分析

祝思敏

某汽油機進氣歧管進氣均勻性分析

祝思敏

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330000）

廢氣再循環（EGR）技術是控制發動機及整車排放的重要手段，EGR的均勻分布能有效保證燃燒質量、優化排放。文章對某汽油機進氣歧管進氣均勻性進行分析，分為空氣均勻性分析與廢氣均勻性分析。根據計算結果對模型進行優化，均勻性得到了顯著改善。

空氣均勻性；流量系數；廢氣均勻性；EGR率

前言

隨著排放法規的升級，為解決排放問題，廢氣再循環(EGR)技術在汽油機上的應用越來越廣泛。EGR技術一方面可以降低缸內燃燒溫度，從而降低氮氧化合物的排放，以滿足法規的要求；另一方面，在汽油機部分負荷工況采用EGR技術可以有效提高進氣歧管壓力，在同等負荷條件下增大節氣門的開度，減少泵氣損失，從而改善燃油經濟性[1]。

在多缸發動機上采用EGR技術時，某一缸引入的廢氣過多，會導致缸內氧氣濃度低，排放煙度大；引入的廢氣過少，不能有效降低燃燒最高溫度，氮氧化合物的形成得不到有效控制[2-3]。因此，有必要對EGR分布進行數值模擬，并根據仿真結果對模型進行優化，以得到滿足要求的進氣系統。

本文所分析的汽油機進氣歧管的進氣均勻性，分兩個部分：（1）進氣歧管空氣均勻性；（2）進氣歧管廢氣均勻性。其中，空氣均勻性分析是EGR閥門完全關閉，只有空氣的流動。廢氣均勻性分析是EGR閥門開啟一定角度，同時有空氣和廢氣流通。本文基于AVL FIRE軟件對進氣歧管進行CFD分析，根據計算結果對結構進行優化，使各缸空氣與EGR分布更加均勻。

1 模型建立

圖1為該汽油機的進氣歧管三維數模，AIR為進氣總管（空氣）入口，EGR為EGR管路入口，OUT1—OUT4分別為進氣歧管出口，分別與1—4氣缸連通。

主體網格尺寸為2 mm，局部加密1 mm，邊界層一層，邊界層厚度0.5 mm，最終網格單元數約為59萬。

設定氣體為可壓縮黏性湍流流動，湍流模型為--模型，壁面模型選擇混合壁面。動量方程、連續方程選擇二階精度差分格式，其他方程選擇一階迎風格式。

圖1 進氣歧管三維數模

2 空氣均勻性計算

2.1 邊界條件

進口邊界：總壓1 bar，出口邊界：靜壓0.975 bar。

2.2 分析結果

2.2.1評價標準

流量系數的計算公式為：

式中：m為理論流量，為氣體常數（287.14 kJ/kg），為溫度，為出口壓力，0為進口壓力，A為出口面積，ψ為流量因子，為絕熱指數（1.41），m為計算所得流量，為流量系數。

2.2.2計算結果

流量系數最大上偏差為1.44%，最大下偏差?1.77%，進氣均勻，在評價標準范圍內，滿足要求，可進行廢氣均勻性計算。

表1 空氣均勻性計算結果

流量系數流量系數偏差% BND_OUT10.734 9?0.32 BND_OUT20.724 2?1.77 BND_OUT30.747 91.44 BND_OUT40.742 10.65

3 廢氣均勻性計算

3.1 邊界條件

通過一維BOOST計算得到進氣歧管進出口的壓力、溫度、流量等邊界條件。工況點，發動機轉速3 500 rpm、扭矩112 N·m、EGR率21%。

圖2 進出口質量流量

圖3 進出口溫度

3.2 分析結果

3.2.1評價標準[4]

率的計算公式如下：

其中，EGR表示第缸EGR率，單位：%；

m表示第缸廢氣質量流量，單位：kg/h；

m表示第缸新鮮空氣質量流量，單位：kg/h。

其中，m表示第缸的EGR質量流量，單位：kg/h；m代表四缸平均EGR質量流量，單位：kg/h。

3.2.2計算結果

廢氣均勻性計算為瞬態計算，共計算五個循環，前四個循環為了保證計算能夠收斂，最后一個循環輸出計算結果。

表2 原方案計算結果

EGR率/%EGR率偏差% BND_OUT121.620.93 BND_OUT222.103.15 BND_OUT321.962.51 BND_OUT420.01?6.59

從表2計算結果來看，二缸廢氣量偏多，四缸廢氣量偏少，并且偏差量較大，需對模型進行調整。

由于四缸廢氣量偏少，表明EGR管路插入進氣總管的深度過大。改進方案1對EGR管路進行調整，縮短插入的深度后，再次分析廢氣均勻性。

圖4 原方案與改進方案1

經計算，改進方案1中：三缸EGR率偏差最大，為4.61%；四缸EGR率偏差最小，為?4.19%。EGR率偏差仍較大，需再次進行調整。

改進方案1繼續調整得到改進方案2。為了繼續增大四缸流量，將EGR管路深入端的截面弧度調大。

圖5 改進方案1與改進方案2

經計算，改進方案2中：三缸EGR率偏差最大，為4.21%；四缸EGR率偏差最小，為?1.90%。除三缸廢氣量偏大，其余三缸廢氣量較均勻。原方案EGR率偏差最大差距為9.74%，改進方案2 EGR率偏差最大差距為6.11%，EGR均勻性得到明顯改善。

表3 改進方案2計算結果

EGR率/%EGR率偏差/% BND_OUT121.37?1.58 BND_OUT221.56?0.73 BND_OUT322.634.21 BND_OUT421.31?1.90

三個方案的EGR率偏差分布見圖9，由圖中可見，四缸的EGR率偏差越來越小。

圖6 不同方案EGR率偏差分布

4 結論

本文通過對汽油機進氣均勻性分析，得出以下結論：

（1）進氣歧管空氣均勻性計算合格后再進行廢氣均勻性計算；

（2）EGR率偏差過大，可以根據計算結果調整EGR管路布置、EGR管路插入進氣總管深度和EGR管路出口端面形狀等措施來改進模型；

（3）在發動機研發階段，通過CFD分析可節省大量的試驗工作，降低研發周期和研發成本。

[1] 尹曼莉,葉伊蘇.基于CFD的發動機EGR均勻性仿真優化[C].長沙: AVL2018年用戶大會論文集,2018.

[2] 李福海,丁技峰,付海燕.某四缸柴油機EGR系統仿真分析[J].小型內燃機與摩托車,2010,39(1):75-77.

[3] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社,2004.

[4] 伊士旺,關昊,彭成,等.某柴油機進氣歧管EGR分布的CFD模擬與優化[J].柴油機設計與制造,2016,22(01):33-36+56.

The Analysis of Intake Uniformity for the Intake Manifold on Diesel Engine

ZHU Simin

( Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330000 )

Exhaust Gas Recirculation (EGR) is a topical way to decrease the emission of engines and vehicles, and uniform distribution of EGR can effectively ensure combustion quality and optimize emission. The analysis of intake uniformity of intake manifold with EGR can be divided into air uniformity analysis and exhaust gas uniformity analysis. According to the calculation results, the model is optimized and the uniformity is improved effectively.

Air uniformity; Discharge coefficient; Exhaust gas uniformity; EGR ratio

U464.172

A

1671-7988(2021)23-101-03

U464.172

A

1671-7988(2021)23-101-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.028

祝思敏（1984—），女，學士，工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，主要從事汽車發動機附件系統研究和應用工作。