李俊琦，石磊，牛鴻斌，閆樂樂，王新校

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油發(fā)動機具有經濟性好、動力性強、可靠性高等特點，是汽車、工程機械、農業(yè)機械、電站和船舶的主要動力來源[1]。隨著國家車輛排放標準中對NOx排放要求越來越嚴格，廢氣再循環(huán)(exhaust gas re-circulation,EGR)技術已經成為必不可少的關鍵技術之一[2-3]。當環(huán)境溫度低于-15 ℃時，EGR廢氣與新鮮空氣的混合氣溫度會低于0 ℃，此時，混合氣中析出的水蒸氣或冷凝水附著在發(fā)動機進氣管壁上導致管路結冰，隨著結冰量不斷增加，阻礙發(fā)動機進氣，導致發(fā)動機無法起動、動力性下降、排放超標等故障[4-6]。

劉志治等[7]通過在EGR混合器增加水循環(huán)加熱結構，有效解決了國六天然氣發(fā)動機EGR混合器結冰故障。本文中分析某EGR柴油機在冬季寒區(qū)試驗時出現EGR混合器周圍管路結冰故障原因，提出解決方案，并進行試驗驗證，有效解決EGR混合器周圍管路在寒區(qū)工作時結冰故障，為EGR發(fā)動機開發(fā)提供參考。

1 進氣結冰故障分析

某EGR國六柴油機在寒區(qū)試驗過程中，出現發(fā)動機起動失敗及動力性下降等問題，拆檢進氣管路發(fā)現該發(fā)動機EGR混合器周圍管路結冰嚴重，進氣加熱格柵存有大量碎冰，進氣節(jié)流閥閥片表面附著冰層，結冰故障現象如圖1所示。

a)EGR混合器管路 b)進氣加熱格柵 c)進氣節(jié)流閥圖1 結冰故障現象

1.1 結冰原理分析

空氣熱平衡[8]方程為：

qm,ChC=qm,AhA+qm,BhB，

(1)

式中：qm,C為EGR混合氣質量流量，kg/s；hC為EGR混合氣質量焓，kJ/kg；qm,A為EGR廢氣質量流量，kg/s；hA為EGR廢氣質量焓，kJ/kg；qm,B為新鮮空氣質量流量，kg/s；hB為新鮮空氣質量焓，kJ/kg。

空氣水分濕平衡方程[8]為：

qm,CdC=qm,AdA+qm,BdB，

(2)

式中：dC為EGR混合氣含濕量，g/kg；dA為EGR廢氣含濕量，g/kg；dB為新鮮空氣含濕量，g/kg。

空氣質量守恒方程[8]為：

qm,C=qm,A+qm,B。

(3)

由式(1)～(3)可得：

qm,A/qm,B=(hC-hB)/(hA-hC)，

(4)

qm,A/qm,B=(dC-dB)/(dA-dC)。

(5)

由式(4)(5)可得：

(hC-hB)/(hA-hC)=(dC-dB)/(dA-dC) 。

(6)

空氣焓-濕示意如圖2所示。由圖2可知：EGR廢氣(狀態(tài)A)與新鮮空氣(狀態(tài)B)混合，得到混合氣(狀態(tài)C)，狀態(tài)C位于相對濕度100%以下時析出冷凝水。當析出的冷凝水撞擊金屬管壁附著，金屬管壁溫度低于冰點，水珠即凍結為冰[9-10]。

圖2 空氣焓-濕示意圖

根據質量守恒及熱量/濕量守恒原則，建立混合器模型，模型主要參數包括EGR廢氣、低溫新鮮空氣、混合氣的質量流量和相關的空氣焓濕等參數[11]。

1.2 故障工況

該柴油機多運行在市郊，紅綠燈較多，柴油機運行的環(huán)境溫度為-28～-12 ℃，EGR混合器后的氣體溫度為-15～12 ℃。

1.3 仿真與試驗分析

該機型寒區(qū)試驗結果表明，EGR混合器下游及周圍區(qū)域為易結冰區(qū)。利用STAR-CCM+流體分析軟件對該機型EGR混合段氣體流場進行CFD仿真，得到該段管路的氣體溫度與EGR混合氣中EGR廢氣的質量分數w分布如圖3所示。由圖3可知，EGR混合器下游(黑框區(qū)域)溫度低于0 ℃，混合氣中EGR廢氣質量分數相對較高，而且有明顯的回流區(qū)，確定此處為初始結冰區(qū)域。隨著此處冰層厚度不斷增加，混合器兩端的EGR混合器中的水分也吸附在初始冰層上并向兩側延伸。

a)溫度 b) EGR廢氣質量分數正視圖 c) EGR廢氣質量分數俯視圖圖3 EGR混合段溫度分布與EGR廢氣的質量分數分布圖

CFD仿真分析結論與寒區(qū)試驗中EGR混合器結冰現象一致。進氣加熱格柵表面結冰最少，格柵之間及表面無大范圍的冰，少量冰是由被攔截的冰上附著的水流到格柵表面形成的，帶有冰瘤的特征，由此判斷進氣格柵不是結冰的第一現場。

進氣節(jié)流閥閥片下游表面有明顯結冰，距離節(jié)流閥越遠，結冰越少，這是因為在關閉進氣節(jié)流閥過程中，閥片產生負壓區(qū)，在閥片吸力面有明顯的EGR氣體回流，距離閥片越遠，回流越少。因此，將EGR混合器遠離進氣節(jié)流閥，可以有效避免氣體回流導致的進氣節(jié)流閥結冰。

2 EGR混合均勻性分析

2.1 結構優(yōu)化

根據以上分析， EGR混合器及進氣加熱格柵位置的改進方案為：1)在EGR混合器處增加水套結構，利用發(fā)動機循環(huán)水對此部位已形成的結冰及時進行化冰處理，同時預防結冰；2)將EGR混合器布置位置遠離進氣節(jié)流閥，避免進氣節(jié)流閥關閉時，因閥片動作產生負壓導致EGR氣體回流造成結冰；3)將進氣加熱格柵由EGR混合器后更改到EGR混合器前，有效避免在進氣加熱格柵不工作時被進氣加熱格柵攔截的冰上附著的水流到格柵表面，形成冰瘤、碎冰等問題；4)考慮進氣溫度壓力傳感器的耐溫限制，將進氣溫度壓力傳感器布置在遠離進氣節(jié)流閥及進氣加熱格柵的位置。管路改進前、后結構對比如圖4所示。

a)改進前 b)改進后圖4 改進前、后結構對比

2.2 混合均勻性仿真

多缸柴油機各缸新鮮進氣與EGR廢氣分配不均勻時，各缸燃燒性能不同，NOx和PM排放差距較大，不利于改善柴油機的燃油經濟性和排放性能[12-13]。為保證EGR柴油機燃油及排放性能，需保證新鮮進氣及EGR廢氣進入柴油機各氣缸的均勻性，通常將新鮮進氣及EGR廢氣的各缸均勻性統(tǒng)稱為EGR混合均勻性。評估改進后EGR混合均勻性，保證改進后發(fā)動機的動力及排放性能。

發(fā)動機第i缸的新鮮進氣量均勻性

式中：m1,i為第i缸新鮮進氣質量，g;n為發(fā)動機缸數，n=6。

柴油機第i缸的EGR廢氣均勻性

式中：m2,i為第i缸廢氣質量，g。

選擇柴油機轉速為1800 r/min和1200 r/min 2個工況點進行一維、三維耦合計算分析：1)利用GT-Power熱力學仿真軟件搭建發(fā)動機一維模型，并對該模型性能數據進行標定；2)將性能數據作為三維CFD仿真邊界，輸入到STAR-CCM+流體分析軟件中；3)分析得到改進前、后EGR混合均勻性計算結果，如表1～4所示。由表1～4可知，發(fā)動機轉速為1800、1200 r/min 2個工況下，各缸新鮮進氣均勻性由±14.5%降低為±2.5%；各缸EGR廢氣均勻性均由±13.0%降低為±8.0%，新鮮進氣與EGR廢氣均勻性均有顯著提高，進一步證明改進后方案有利于提升發(fā)動機性能。

表1 轉速為1800 r/min時新鮮進氣量均勻性 %

表2 轉速為1200 r/min時新鮮進氣量均勻性 %

表3 轉速為1800 r/min時EGR廢氣均勻性 %

表4 轉速為1200 r/min時EGR廢氣均勻性 %

3 加熱格柵前移方案結冰仿真分析與試驗驗證

3.1 仿真分析

為了預測改進后方案的結冰風險，利用STAR-CCM+流體分析軟件，分析柴油機轉速為1200 r/min時EGR內部管路流場。為更好地分析結冰風險，按照氣體流出EGR混合器方向，在計算模型中提取4個截面，依次為截面1、2、3、4，分析各截面上的氣體溫度和混合器中EGR廢氣的質量分數。各截面溫度與EGR廢氣的質量分數分布云圖如圖5所示。

a)溫度分布 b)EGR廢氣的質量分數分布圖5 各截面溫度與EGR廢氣的質量分數分布云圖

由圖5可知：截面1位于EGR混合器內部，EGR廢氣未與新鮮進氣交匯，無冷凝水析出風險，其結冰風險較??；截面2氣體位于EGR混合器出口位置，該截面局部出現低溫氣體區(qū)域，且混合氣中EGR廢氣的質量分數較高，其結冰風險較小但高于截面1；截面3位于混合器斜切口的背風面，該截面上氣體溫度低、EGR廢氣質量分數高，結冰風險較大；截面4的EGR廢氣質量分數及氣體溫度均較低，結冰風險與截面2類似。進一步提取截面2～4的氣體速度分布情況，明確結冰風險。截面2～4氣體速度分布云圖如圖6所示。

a)截面2 b)截面3 c)截面4圖6 截面2～4氣體速度分布云圖

由圖6可知：截面2與截面4中氣體流速較快，流速分布均勻，且無回流區(qū)，無結冰風險；截面3的氣體流速分布不均勻，EGR混合管路中心存在低速區(qū)，考慮此處不接觸管路壁面，同時壁面氣體流速較快，可將該區(qū)域附近的EGR混合氣抽吸至缸內，其結冰風險相對較小。

由以上仿真分析可知，結構優(yōu)化后結冰風險較小，因此進一步進行試驗驗證。

3.2 試驗驗證

在柴油機開發(fā)過程中，環(huán)境倉試驗和寒區(qū)試驗是針對結冰驗證的2種有效試驗方式。按照改進后的方案，分別進行冷倉試驗和寒區(qū)試驗。經環(huán)境倉結冰驗證，滿足溫度為-35 ℃時EGR混合器管路不結冰的要求。在環(huán)境溫度為-35～-20 ℃的寒區(qū)(海拉爾、黑河)進行試驗驗證，原結冰區(qū)域即進氣接管EGR混合段僅出現少量結冰，發(fā)動機起動正常運行后，結冰消失；寒區(qū)的長怠速、低負荷等工況，原結冰區(qū)域無結冰現象出現，改進措施有效。

4 結論

針對某EGR柴油機的EGR混合器管路周圍、進氣加熱格柵、進氣節(jié)流閥等管路結冰故障，通過仿真評估、試驗驗證，分析了不同部位結冰的根本原因并提出解決方案，為今后EGR機型開發(fā)提供參考。

1)在進氣接管混合器處提前預留水套結構，可降低結冰風險。

2)為避免氣體回流造成進氣節(jié)流閥結冰，EGR混合器布置應遠離進氣節(jié)流閥。

3)將進氣加熱格柵移至EGR混合器前，可以避免進氣加熱格柵不工作時在其表面形成冰瘤或碎冰。

4)改進后柴油機各缸新鮮進氣均勻性及各缸EGR廢氣均勻性均比改進前明顯提高。

5)對改進后的柴油機進行環(huán)境倉試驗和寒區(qū)試驗，原結冰區(qū)域不再出現結冰現象，結構改進后對改善結冰有明顯效果。