卓麗穎，周波

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

EGR（Exhaust Gas Recirculation）即廢氣再循環(huán)，是指把發(fā)動(dòng)機(jī)排出的部分廢氣與新鮮空氣混合，分別進(jìn)入進(jìn)氣歧管然后流入氣缸。由于廢氣中含有大量不能燃燒的CO2，在氣缸內(nèi)氣體混合的過程中，CO2能夠降低混合氣的燃燒溫度，從而減少 NOX的生成。此外，廢氣再循環(huán)可以減少總的廢氣流量，因此也會(huì)減少相應(yīng)的有害物質(zhì)排出量。廢氣再循環(huán)過程中廢氣進(jìn)入每個(gè)缸中均勻性主要影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和排放性能。如果每個(gè)缸 EGR 率分布不均勻， EGR 率較高的氣缸，廢氣比較多，其氧濃度較小，排煙濃度比較大；EGR 率較低的氣缸，廢氣比較少，混合氣體溫度不能有效降低，NOx排放量也很難得到控制。

1 計(jì)算模型

圖1是本文所要研究的各缸EGR均勻性計(jì)算的模型，包括進(jìn)氣總管、EGR管、進(jìn)氣歧管。利用FIRE M軟件生成六面體體網(wǎng)格如圖1所示。圖 2、3、4分別為一維BOOST計(jì)算的扭矩、功率和比油耗與試驗(yàn)結(jié)果的對比，從圖中可以看出，標(biāo)定誤差在 3%以內(nèi)，分析模型滿足性能設(shè)計(jì)要求。并且進(jìn)出口和EGR管路進(jìn)口拉伸20層體網(wǎng)格，防止進(jìn)出口氣體回流，總體網(wǎng)格數(shù)約33萬。

圖1 進(jìn)氣歧管三維模型圖和體網(wǎng)格圖

圖2 一維試驗(yàn)和模擬扭矩值的對比

圖3 一維試驗(yàn)和模擬功率值的對比

圖4 一維試驗(yàn)和模擬扭比油耗的對比

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 邊界條件設(shè)置

圖5 工況一EGR質(zhì)量流量與溫度分布

圖6 工況二EGR 質(zhì)量流量與溫度分布

本文利用一維BOOST計(jì)算結(jié)果作為三維瞬態(tài)計(jì)算提供周期性質(zhì)量流量和溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算取兩個(gè)工況（工況一為1/2最大EGR率的工況，工況二為最大EGR率的工況）分析EGR分布均勻性。如圖5和圖6所示，兩種工況下，分別對應(yīng)新鮮空氣入口處、EGR入口處和每個(gè)進(jìn)氣歧管出口。本次瞬態(tài)計(jì)算首先計(jì)算四個(gè)循環(huán)，用于計(jì)算收斂。最后計(jì)算第五個(gè)循環(huán)，用于結(jié)果的輸出。

2.2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

EGR混合器的設(shè)計(jì)目的是使再循環(huán)廢氣均勻的分配到每個(gè)氣缸內(nèi)，減小每個(gè)缸 EGR 率的差異，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性及排放指標(biāo)的需求。因此，需要計(jì)算每個(gè)缸內(nèi) EGR的分布情況。EGR率偏差的計(jì)算如下所示：

（1）EGR率的計(jì)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]。

（3）一個(gè)工作循環(huán)的EGR率統(tǒng)計(jì)值按如下公式計(jì)算：

帶EGR的進(jìn)氣歧管要求各管道的EGR分布均勻，根據(jù)AVL的經(jīng)驗(yàn)，為了達(dá)到降低NOX目的，要求一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)EGR流量的相對偏差保持在±10%以內(nèi)。

2.3 CFD結(jié)果分析

方案一的EGR管路數(shù)模如圖7所示，EGR管路入口為無插管的形式。每個(gè)氣缸的EGR率與EGR率偏差如下表所示。表中為兩種工況下，一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的進(jìn)氣總量、EGR質(zhì)量流量、EGR率及EGR率偏差。對于工況一，EGR率偏差四缸達(dá)到 20.1%明顯偏少，二缸為-23.7%明顯偏多。主要是由于進(jìn)氣總管內(nèi)無插管，由于新鮮空氣的流動(dòng)，廢氣沿著管壁流向三缸、四缸，因此一二缸內(nèi)的廢氣量較少，三四缸偏多。

表1 方案一進(jìn)氣歧管計(jì)算結(jié)果

方案二把EGR管路延伸至進(jìn)氣總管內(nèi)，采用斜切口的形式，并且斜切口短管方向朝向一二缸方向，主要是為了將廢氣引入一二缸。計(jì)算結(jié)果顯示工況一，一缸EGR率偏差達(dá)到了31%，三缸EGR率降低至-33%。主要原因應(yīng)該是斜切口的長度擋住了部分廢氣向三缸、四缸流動(dòng)，因此需要優(yōu)化EGR管路入口的形式和長度。

表2 方案二進(jìn)氣歧管計(jì)算結(jié)果

表3 方案三進(jìn)氣歧管計(jì)算結(jié)果

方案三把EGR管路延伸至進(jìn)氣總管內(nèi)，EGR管路采用平切口，并且長度縮短。計(jì)算結(jié)果顯示工況一和工況二，四個(gè)缸的EGR率均降低至[-10%,10%]之間，滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖7 依次為方案一、二、三方案的EGR管路模型

3 結(jié)語

本文利用AVL仿真軟件 FIRE 和 BOOST 建立了基于一維、三維的計(jì)算模型，研究分析進(jìn)氣歧管各歧管內(nèi)的EGR均勻性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對EGR管路進(jìn)行三次優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng) EGR 率分布均勻性的結(jié)果，將 EGR 率分布控制在±10%以內(nèi)。為試驗(yàn)節(jié)省了大量時(shí)間和工作，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，為進(jìn)氣歧管的EGR管路設(shè)計(jì)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。