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        柴油機各缸EGR均勻性研究

        2022-06-16 14:18:30化,魏
        裝備制造技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:進氣管網(wǎng)眼段長度

        何 化,魏 威

        (廣西玉柴機器股份有限公司,廣西 南寧 530007)

        0 引言

        2021年5月26日,生態(tài)環(huán)境部舉行例行發(fā)布會通報,7月起,我國將全面實施重型柴油車國六排放標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)志著我國汽車標(biāo)準(zhǔn)全面進入國六時代,基本實現(xiàn)與歐美發(fā)達國家接軌。與國五標(biāo)準(zhǔn)相比,重型車國六氮氧化物和顆粒物限值分別減低77%和67%。在排放法規(guī)加嚴(yán)的同時,汽車油耗法規(guī)也逐年嚴(yán)苛。隨著內(nèi)燃機技術(shù)的發(fā)展,用戶對經(jīng)濟效益有了更高的期待,希望發(fā)動機能進一步降低行駛油耗,降低運營成本。在此環(huán)境下,很多主流發(fā)動機廠為了滿足排放法規(guī),又進一步提升油耗水平,EGR技術(shù)成為國六柴油發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一。EGR技術(shù)在保證發(fā)動機動力性不降低的前提下,根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷需求,將一部分廢氣引入到氣缸內(nèi)進行燃燒,再循環(huán)廢氣由于具有惰性將會延緩燃燒過程,也就是說燃燒速度將會放慢從而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過程放慢,進而抑制NOx排放物的生成。這樣通過廢氣再循環(huán)的引入在每一個工作點都達到排放和油耗協(xié)同,從而使燃燒過程始終處于理想的情況達到降低發(fā)動機燃油消耗的目的。采用EGR技術(shù)可以顯著降低氮氧化物的排放,EGR率的大小直接影響發(fā)動機的氮氧化物和顆粒排放物的排放,因為它影響著廢氣和新鮮空氣的混合過程和燃燒過程,保證各缸EGR率的均勻性,也是保證排放和經(jīng)濟性的重要一環(huán)。研究表明:如果EGR率差異大,會導(dǎo)致各缸燃燒不一致,直接影響整機排放和經(jīng)濟性[1-3]。

        作者在現(xiàn)有的發(fā)動機基礎(chǔ)上,設(shè)計了三種不同的EGR混合方案,并基于CFD仿真分析評估不同的混合方案設(shè)計對各缸EGR率均勻性的影響。結(jié)果表明各缸EGR率的大小趨勢會隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化而變化,在高速段和低速段呈現(xiàn)出不同的EGR率走勢,發(fā)動機EGR均勻性計算必須同時計算考慮高速段和低速段兩種情況,根據(jù)計算結(jié)果綜合選取最優(yōu)方案。

        1 EGR均勻性CFD仿真分析

        本次分析的發(fā)動機為國內(nèi)某款主流的國六柴油機,3個方案的EGR進入進氣接管的基本結(jié)構(gòu)類似,都采用帶網(wǎng)眼的鋼管插入進氣接管。方案1的EGR進氣接管采用4排網(wǎng)眼管;方案2在方案1的基礎(chǔ)上把EGR進氣接管插入孔向外側(cè)移動1.5 mm,增加廢氣進入進氣接管的混合;方案3在方案1的基礎(chǔ)上減少1排網(wǎng)眼孔,縮短EGR進氣管伸入進氣接管的長度2.5 mm三種不同結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        本研究采用AVL三維CFD軟件FIRE,進行EGR均勻性分析計算。

        由于在2200 r/min時,EGR的驅(qū)動能力最強,此工況能引入缸內(nèi)的EGR流量最大,因此選擇額定轉(zhuǎn)速2200 r/min做計算工況點。此外為了研究發(fā)動機常用工況下的各缸的EGR的均勻性,選取在發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速1400 r/min作為另一個計算工況點。

        本研究通過CFD仿真分析研究,可以對設(shè)計方案進行初步判定,對于三種EGR混合方案設(shè)計進行分析,對比其中的EGR率差異,最終得出最優(yōu)的設(shè)計方案。

        1.1 計算模型

        本次報告計算了EGR系統(tǒng),系統(tǒng)主要包含EGR進氣管1、進氣接管2、進氣總管3,氣缸C1-C6,如圖2所示,使用了UG軟件生成三維模型,通過將UG模型導(dǎo)入FIRE軟件,使用自動網(wǎng)格生成器FAME HYBRID生成了網(wǎng)格,總網(wǎng)格數(shù)量約為200萬個,計算網(wǎng)格模型如圖3所示。將空氣入口和各缸歧管口延長50mm,再將延長段網(wǎng)格與進氣系統(tǒng)網(wǎng)格通過arbit工具連接,這樣能保證各個進出口的網(wǎng)格垂直于氣流方向,有利于計算結(jié)果穩(wěn)定。

        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(shù)法。

        圖2 EGR率計算幾何模型

        1.2 邊界條件

        計算的邊界條件通過建立一維熱力學(xué)計算模型如圖4所示,通過計算得到進氣系統(tǒng)各進出口的周期性邊界條件見表1,然后進行三維的瞬態(tài)CFD計算,最后得到進氣歧管各出口EGR率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系曲線。

        圖4 一維熱力學(xué)模型圖

        表1 邊界條件列表

        由于標(biāo)定點EGR流量最大,且EGR最高,因此選擇標(biāo)定點2200 r/min做計算工況點。待滿足2200 r/min工況點后,增加1400 r/min的工況點做進一步的驗證。

        2 計算結(jié)果與分析

        本研究采用質(zhì)量流量法計算EGR率,公式如下:

        式中:m1是進氣行程中EGR廢氣的質(zhì)量流量,m2是進氣行程中新鮮空氣的質(zhì)量流量。

        在2200 r/min工況,對于EGR進氣管外移距離和EGR混合器伸入長度都很敏感,3個設(shè)計方案均可滿足設(shè)計目標(biāo)±10%的要求,計算結(jié)果見表2。

        隨著EGR進氣管外移,從表2方案1和方案2的對比可以看出,方案2前端1-2缸EGR率減小,后端4-6缸EGR率增大,第3缸趨勢不明顯??傮w變化趨勢較小,各缸的EGR率對EGR進氣管的外移距離敏感。方案3縮短混合器伸入段長度,相對方案1前端1-2缸EGR率增大,后端3-6缸EGR率減小。變化趨勢比較明顯,各缸的EGR率對EGR進氣管伸入長度敏感。

        表2 2200r/min的各缸EGR率和偏差值

        在1400 r/min工況,對EGR進氣管外移距離開始不敏感,對縮短EGR進氣管伸入段長度比較敏感,三個設(shè)計方案,方案3滿足設(shè)計目標(biāo)。計算結(jié)果見表3。

        相對于方案1,隨著混合器外移,前端1-2缸EGR率減小,后端3-6缸EGR率增大。方案2相對方案1移動1.5 mm時變化很小不敏感。方案3減少網(wǎng)眼孔縮短EGR進氣管伸入段長度,使得前端1-2缸EGR率減小,后端3-6缸EGR率增大,但趨勢改變較大,對伸入段長度較敏感。

        表3 1400r/min的各缸EGR率和偏差值

        綜上,方案3兩個工況點都滿足設(shè)計目標(biāo),從以上計算仿真結(jié)果可以看出:

        (1)在2200 r/min時,三個方案的EGR率偏差都能控制在±10%。其中方案1和方案2的各缸EGR率均勻性稍微好一點。

        (2)在1400 r/min時,方案1和方案2的各缸EGR率均勻性比較差,其中第2缸的EGR率偏差較大,遠遠超出±10%的目標(biāo)要求。而方案3的各缸EGR率偏差都能控制在±10%以內(nèi),EGR率均勻性比較好。

        (3)考慮發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速和最大扭矩轉(zhuǎn)速的發(fā)動機工況,認(rèn)為方案3最優(yōu),各缸EGR率均勻性最佳。

        3 結(jié)論

        在本研究中,針對三種不同的EGR進氣管的結(jié)構(gòu)通過CFD仿真分析,可以得到結(jié)論:

        (1)通過改變EGR進氣管的位置和伸入進氣管的深度,可以改變發(fā)動機各缸的EGR率。在EGR進氣管外移1.5 mm時,對額定轉(zhuǎn)速為2200 r/min和1400 r/min的各缸EGR率有一定的影響,但影響程度不大。EGR進氣管伸入進氣接管的深度對各缸的EGR率有較大的影響,通過合理的設(shè)計EGR進氣管伸入進氣接管的長度,可以改變各缸均勻性,本研究通過縮短EGR進氣管伸入進氣接管的長度2.5 mm,提高了轉(zhuǎn)速為1400 r/min時各缸EGR率的均勻性。

        (2)發(fā)動機各缸EGR率的均勻性趨勢,是隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣流量的變化而變化的,計算必須綜合考慮額定轉(zhuǎn)速和最大扭矩轉(zhuǎn)速的EGR率,選取綜合性能比較好的方案。

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