黃?？?解 亮 歐力郡 卓麗穎

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 安徽 合肥 230601）

引言

近年來(lái)，汽車(chē)尾氣對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，使得國(guó)家對(duì)排放法規(guī)不斷升級(jí)。即將實(shí)施的柴油車(chē)國(guó)Ⅵ法規(guī)，對(duì)各項(xiàng)污染物的排放作了非常嚴(yán)格的限制。廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)是目前柴油機(jī)常用的減排技術(shù)，它將部分廢氣與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸重新參與燃燒，利用廢氣大比熱、低氧含量的特性降低NOx排放[1-3]。EGR 廢氣與新鮮空氣的混合均勻性對(duì)缸內(nèi)燃燒有很大影響，對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，不良的混合均勻性會(huì)使進(jìn)入各個(gè)氣缸的EGR 廢氣產(chǎn)生差異（即各缸實(shí)際EGR 率產(chǎn)生偏差），導(dǎo)致各缸燃燒不一致[4-5]。缸內(nèi)EGR 廢氣占比過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致失火、功率下降、排放升高等后果。

目前，EGR 混合均勻性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)統(tǒng)一，即各缸EGR 率偏差不超過(guò)±10%。

1 CFD 分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究對(duì)象為一臺(tái)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管，該進(jìn)氣歧管由進(jìn)氣總管、穩(wěn)壓腔及出氣口等構(gòu)成，EGR 廢氣導(dǎo)流管采用壓裝方式安裝在進(jìn)氣總管側(cè)面，如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣歧管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

EGR 廢氣與空氣在進(jìn)氣總管處交匯，并在進(jìn)氣總管與穩(wěn)壓腔內(nèi)混合。為保證各缸進(jìn)氣一致性，在進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔內(nèi)設(shè)計(jì)了箭頭狀分流板。

1.2 設(shè)計(jì)變量

以導(dǎo)流管長(zhǎng)度為變量，分析導(dǎo)流管長(zhǎng)度對(duì)EGR 廢氣與缸內(nèi)空氣混合均勻性的影響。導(dǎo)流管長(zhǎng)度以壓裝臺(tái)階面為基準(zhǔn)，導(dǎo)流管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 導(dǎo)流管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

導(dǎo)流管長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)基于其出氣口分別處于進(jìn)氣總管空氣流的層流層、層流及紊流交界、紊流層。

1.3 邊界及求解參數(shù)設(shè)置

計(jì)算時(shí)，使用FAME 生成以六面體為主的計(jì)算網(wǎng)格。考慮到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成一層邊界層網(wǎng)格。計(jì)算采用迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時(shí)間、壓力與速度耦合算法選擇SILMPLE。設(shè)定管內(nèi)空氣流動(dòng)為可壓縮粘性湍流流動(dòng)，空氣為理想氣體，湍流模型為k-ξ-f 方程，使用混合壁面函數(shù)描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等分布，且要求貼近壁面網(wǎng)格的y+值在11～200 之間，殘差小于0.000 1。

計(jì)算為瞬態(tài)計(jì)算，以相應(yīng)位置的瞬態(tài)流量、壓力和溫度作為進(jìn)氣歧管進(jìn)出口的邊界條件。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

EGR 率的計(jì)算公式如下：

式中：REGR表示EGR 率，%；mEGR表示EGR 廢氣的質(zhì)量流量，g/s；m 表示EGR 廢氣與新鮮空氣的總質(zhì)量流量，g/s。

一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，進(jìn)氣歧管出氣口（進(jìn)入各缸）的EGR 率統(tǒng)計(jì)值按如下公式計(jì)算：

式中：t 為一個(gè)工作循環(huán)，s。

EGR 率偏差指的是各氣缸的EGR 率與均值EGR 率（理論上，各缸的EGR 率相同，為均值EGR率）之間的偏差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，各缸的EGR 率偏差應(yīng)保持在±10%以?xún)?nèi)。

1.5 工況設(shè)定

研究用發(fā)動(dòng)機(jī)搭載于N2 類(lèi)車(chē)輛，結(jié)合柴油車(chē)國(guó)Ⅵ法規(guī)及數(shù)據(jù)庫(kù)，選取2 個(gè)工況作為計(jì)算基礎(chǔ)。一個(gè)為3 200 r/min、18%EGR 率工況，另一個(gè)為1 800 r/min、8%EGR 率工況，分別代表高轉(zhuǎn)速、大EGR 率工況以及中低轉(zhuǎn)速、小EGR 率工況。如表2 所示。

表2 計(jì)算工況設(shè)定

2 計(jì)算結(jié)果分析

表3 為計(jì)算結(jié)果對(duì)比。圖2～圖4 分別為不同導(dǎo)流管長(zhǎng)度及工況下的氣體混合跡線圖。

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖2 導(dǎo)流管長(zhǎng)度為14 mm 時(shí)不同工況下的氣體混合跡線圖

從圖2 與表3 可以看出，導(dǎo)流管長(zhǎng)度為14 mm時(shí)，工況1 及工況2，各缸的EGR 率偏差均在10%（絕對(duì)值）以?xún)?nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。其中，3 200 r/min、18%EGR 率工況（高轉(zhuǎn)速、大EGR 率），二缸的EGR率偏差最大，為4.2%，即二缸的EGR 廢氣稍多于其他各缸。1 800 r/min、8%EGR 率工況（中低轉(zhuǎn)速、小EGR 率），四缸的EGR 率偏差最大，為8.9%；二缸次之，為-8.4%，即四缸的EGR 廢氣最多，二缸最少。說(shuō)明14 mm 導(dǎo)流管在高轉(zhuǎn)速、大EGR 率工況下更有利于氣體的混合。

圖3 導(dǎo)流管長(zhǎng)度為20 mm 時(shí)不同工況下的氣體混合跡線圖

從圖3 與表3 可以看出，導(dǎo)流管長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，工況1 和工況2，一缸及二缸的EGR 率偏差均為正值，三缸及四缸的EGR 率偏差均為負(fù)值。工況1，二缸、三缸、四缸的EGR 率偏差均超出10%（絕對(duì)值），二缸的EGR 率偏差最大，達(dá)到19.2%。工況2，一缸及三缸的EGR 率偏差均超出10%（絕對(duì)值），三缸的EGR 率偏差最大，達(dá)到-19.6%。說(shuō)明20 mm 導(dǎo)流管使EGR 廢氣的氣流貫穿性增加，更多的EGR廢氣進(jìn)入了一缸和二缸。

圖4 導(dǎo)流管長(zhǎng)度為26 mm 時(shí)工況1 的氣體混合跡線圖

從圖4 與表3 可以看出，導(dǎo)流管長(zhǎng)度為26 mm時(shí)，只計(jì)算了工況1 的EGR 率偏差，因?yàn)楣r1 下各缸的EGR 率偏差已超過(guò)25%（絕對(duì)值），對(duì)動(dòng)力平順性及排放都非常不利，故而直接排除該方案的進(jìn)一步計(jì)算。需要說(shuō)明的是，因?yàn)閷?dǎo)流管進(jìn)一步加長(zhǎng)，更多的EGR 廢氣進(jìn)入一缸和二缸。

3 結(jié)論

1）建立了研究用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的三維模型，確定了變量（導(dǎo)流管長(zhǎng)度）及計(jì)算工況。通過(guò)計(jì)算得到了不同變量及不同工況下各缸的EGR 率偏差。

2）導(dǎo)流管長(zhǎng)度為14 mm 時(shí)，各缸的EGR 率偏差滿足設(shè)計(jì)要求；導(dǎo)流管長(zhǎng)度為20 mm 及26 mm 時(shí)，EGR 廢氣的氣流貫穿性增加，更多的EGR 廢氣由左側(cè)通道進(jìn)入一缸和二缸，EGR 率偏差超出設(shè)計(jì)要求。

3）通過(guò)模擬計(jì)算可知，設(shè)計(jì)導(dǎo)流管時(shí)，應(yīng)考慮氣流慣性導(dǎo)致的氣體貫穿問(wèn)題，合理設(shè)計(jì)導(dǎo)流管長(zhǎng)度。