祝思敏

某汽油機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)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(huán)（EGR）技術(shù)是控制發(fā)動機(jī)及整車排放的重要手段，EGR的均勻分布能有效保證燃燒質(zhì)量、優(yōu)化排放。文章對某汽油機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)氣均勻性進(jìn)行分析，分為空氣均勻性分析與廢氣均勻性分析。根據(jù)計算結(jié)果對模型進(jìn)行優(yōu)化，均勻性得到了顯著改善。

空氣均勻性；流量系數(shù)；廢氣均勻性；EGR率

前言

隨著排放法規(guī)的升級，為解決排放問題，廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。EGR技術(shù)一方面可以降低缸內(nèi)燃燒溫度，從而降低氮氧化合物的排放，以滿足法規(guī)的要求；另一方面，在汽油機(jī)部分負(fù)荷工況采用EGR技術(shù)可以有效提高進(jìn)氣歧管壓力，在同等負(fù)荷條件下增大節(jié)氣門的開度，減少泵氣損失，從而改善燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。

在多缸發(fā)動機(jī)上采用EGR技術(shù)時，某一缸引入的廢氣過多，會導(dǎo)致缸內(nèi)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(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)仿真結(jié)果對模型進(jìn)行優(yōu)化，以得到滿足要求的進(jìn)氣系統(tǒng)。

本文所分析的汽油機(jī)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣均勻性，分兩個部分：（1）進(jìn)氣歧管空氣均勻性；（2）進(jìn)氣歧管廢氣均勻性。其中，空氣均勻性分析是EGR閥門完全關(guān)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(jìn)氣歧管進(jìn)行CFD分析，根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)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(jī)的進(jìn)氣歧管三維數(shù)模，AIR為進(jìn)氣總管（空氣）入口，EGR為EGR管路入口，OUT1—OUT4分別為進(jìn)氣歧管出口，分別與1—4氣缸連通。

主體網(wǎng)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(wǎng)格單元數(shù)約為59萬。

設(shè)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(xù)方程選擇二階精度差分格式，其他方程選擇一階迎風(fēng)格式。

圖1 進(jìn)氣歧管三維數(shù)模

2 空氣均勻性計算

2.1 邊界條件

進(jìn)口邊界：總壓1 bar，出口邊界：靜壓0.975 bar。

2.2 分析結(jié)果

2.2.1評價標(biāo)準(zhǔn)

流量系數(shù)的計算公式為：

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

2.2.2計算結(jié)果

流量系數(shù)最大上偏差為1.44%，最大下偏差?1.77%，進(jìn)氣均勻，在評價標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿足要求，可進(jìn)行廢氣均勻性計算。

表1 空氣均勻性計算結(jié)果

流量系數(shù)流量系數(shù)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(jìn)氣歧管進(jìn)出口的壓力、溫度、流量等邊界條件。工況點，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速3 500 rpm、扭矩112 N·m、EGR率21%。

圖2 進(jìn)出口質(zhì)量流量

圖3 進(jìn)出口溫度

3.2 分析結(jié)果

3.2.1評價標(biāo)準(zhǔn)[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(zhì)量流量，單位：kg/h；

m表示第缸新鮮空氣質(zhì)量流量，單位：kg/h。

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

3.2.2計算結(jié)果

廢氣均勻性計算為瞬態(tài)計算，共計算五個循環(huán)，前四個循環(huán)為了保證計算能夠收斂，最后一個循環(huán)輸出計算結(jié)果。

表2 原方案計算結(jié)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(jié)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(jìn)行調(diào)整。

由于四缸廢氣量偏少，表明EGR管路插入進(jìn)氣總管的深度過大。改進(jìn)方案1對EGR管路進(jìn)行調(diào)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(jìn)方案1

經(jīng)計算，改進(jìn)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(jìn)行調(diào)整。

改進(jìn)方案1繼續(xù)調(diào)整得到改進(jìn)方案2。為了繼續(xù)增大四缸流量，將EGR管路深入端的截面弧度調(diào)大。

圖5 改進(jìn)方案1與改進(jìn)方案2

經(jīng)計算，改進(jìn)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(jìn)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(jìn)方案2計算結(jié)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(jié)論

本文通過對汽油機(jī)進(jìn)氣均勻性分析，得出以下結(jié)論：

（1）進(jìn)氣歧管空氣均勻性計算合格后再進(jìn)行廢氣均勻性計算；

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

（3）在發(fā)動機(jī)研發(fā)階段，通過CFD分析可節(jié)省大量的試驗工作，降低研發(fā)周期和研發(fā)成本。

[1] 尹曼莉,葉伊蘇.基于CFD的發(fā)動機(jī)EGR均勻性仿真優(yōu)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(jī)EGR系統(tǒng)仿真分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2010,39(1):75-77.

[3] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4] 伊士旺,關(guān)昊,彭成,等.某柴油機(jī)進(jìn)氣歧管EGR分布的CFD模擬與優(yōu)化[J].柴油機(jī)設(shè)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(xué)士，工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，主要從事汽車發(fā)動機(jī)附件系統(tǒng)研究和應(yīng)用工作。