某型柴油机EGR率优化仿真分析

陈园明，王宏大，王次安（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



某型柴油机EGR率优化仿真分析

陈园明，王宏大，王次安
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

应用一维BOOST软件和三维Fire软件对某型柴油机进气歧管EGR率分布进行模拟分析。采用瞬态分析模式，对各个工况下EGR气体在进气歧管中的分布进行计算，结果表明：初始设计方案各缸EGR率偏差较大，不能满足评价标准；依据分析结果对EGR废气进口进行优化，最终优化后各缸EGR率偏差能够满足评价标准。

进气歧管；EGR率偏差；CFD

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.032

CLC NO.: U461Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-104-03

前言

随着我国汽车产业的发展，机动车尾气污染问题日益突出，国家的排放法规也越来越严格。如何降低机动车污染物的排放已成为亟待解决的问题。当前发动机厂家通常采用两种技术路线，其中最常用的是 EGR后处理路线，所谓EGR(Exhaust Gas Recirculation)是将发动机燃烧后的部分废气通过进气歧管与新鲜空气混合，混合气一起进入气缸，以降低缸内氧浓度和燃烧温度达到降低NOx排放的目的。

本文所分析柴油机为四缸发动机，依据经验如果各缸新鲜空气和废气比例即EGR率均匀性较差时，容易导致发动机扭矩降低且NOx的形成也不能得到有效的控制。因此本文采用CFD技术对某柴油机进气歧管内的EGR分布进行分析，通过对分析结果的评估对进气歧管进行优化，保证歧管的EGR率能够满足要求。

1、数值仿真

1.1计算描述

本文采用1D分析和3D分析耦合的方法，首先通过1D仿真分析软件BOOST对发动机进行热力学分析，得出歧管各进出口的压力、温度和流量等边界条件，然后利用3D软件Fire对歧管进行CFD分析，得出发动机各缸的EGR均匀性系数，依据分析结果对歧管的设计结构进行评估。

1.2热力学分析

图1为该柴油机一维BOOST热力学仿真分析模型，如图中红框所示测点M19-M26分别表示1～4缸进气歧管的8个出口，测点 MP18表示进气歧管的新鲜空气进口，测点MP27表示EGR气体进口。

根据标定工程师提供的发动机EGR分析点：发动机机转速3200rpm扭矩164Nm时，EGR率为27%；通过一维热力学分析可以计算得出各个进气歧管各个测点的压力、流速、温度、质量流量等边界数据。

1.3CFD数值模拟

1.3.1模型建立

图2为该发动机进气歧管三维数模，从图中可以看出该歧管设计有八个出口，其中每两个出口分别对应发动机一个缸。图中蓝色圈位置即为EGR废气进口设置，从图中可以看出EGR进气口伸入歧管内部，废气与新鲜气体流向有120deg的夹角。

在进气歧管进行 CFD分析前首先通过前处理软件hypermesh对三维模型进行面网格的划分，然后将完成的面网格导入到AVL Fire软件中，利用Fire软件自带的FAME MESHING模块对歧管进行体网格划分，歧管主体区域区域网格尺寸为2mm，在EGR废气进口某些狭小区域网格尺寸为1mm，处理好的流体网格总数约为46万。

1.3.2数值方法

本文计算设置中采用瞬态计算模式，采用迎风离散格式，一阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SILMPLE。设定管内空气流动为可压缩粘性湍流流动，空气为理想气体，湍流模型为k-z-f方程，使用混合壁面函数描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布，且要求贴近壁面的网格的y+值在11～200之间。残差小于0.0001。

2、结果分析

2.1评价指标

EGR率的计算公式如下：

其中，EGR表示EGR率

mEGR表示EGR质量流量

m表示EGR+新鲜空气总质量流量一个工作循环的EGR率统计值按如下：公式计算：

带EGR的进气歧管要求各管道的EGR分布均匀，根据里卡多的经验，要求一个工作循环内EGR率的相对偏差保持在±5%以内。

2.2初始模型分析结果

本次瞬态计算共进行了6个循环，其中前5个循环保证计算收敛解，第6个循环输出计算结果。

图3和图4显示了歧管各出口的气体的EGR率和EGR率偏差。

从图3中可以看出，发动机第4缸的EGR率明显高于其他三缸，其中第1缸EGR率最小仅为0.2567。从图4中各缸EGR率偏差可以明显看出，1缸和4缸的EGR率偏差均已超过±5%的评价标准，说明歧管的设计存在一定的问题，需要对歧管进行相关的设计更改。

依据CFD分析结果，对初始方案歧管内部的流动状况进行分析，从计算结果可以看出1缸和4缸歧管EGR进气分布不均匀，因此选取了发动机曲轴转角3690deg和4050deg两组工况分别对应发动机4缸开启和1缸开启，如图5和图6所示。

从图5和图6可以看出歧管进口新鲜空气与EGR废气混合处和稳压腔内气体扰流严重，其中歧管进口部位初步分析由于EGR废气进气管深入到歧管进口内部一定距离，增加了废气在进口处的出气长度，且EGR废气进口沿歧管主进口方向弯度较大,废气与新鲜空气流向夹角约为120deg，废气流向与新鲜空气流向冲突严重，形成严重的扰流，造成了不必要的能量损失，因此确定初步的整改方向，即取消EGR废气进气管在歧管内部的延伸长度，减小EGR废气进口的弯曲度，使两股气体的夹角变成成100deg，优化后模型如图7示：

2.3优化模型分析结果

对优化后的歧管进行CFD分析，得出歧管各缸的EGR率和EGR率偏差。

从图8中可以看出，发动机4缸的EGR率还是高于其它三缸，但是从数据上来看，1缸和3缸的EGR率均得到一定提升，4缸的EGR率有一定的降低，说明了整改方案有效，从图9可以看出4缸的EGR率偏差达到4.51%但是明显小于±5%的评价标准。说明了调整EGR废气进口设计有效的提升了歧管内部新鲜空气和废气的混合。

图10和图11为发动机曲轴转角3690deg和4050deg两组工况下歧管内部流场示意图。从图中可以看出歧管进口部位和稳压腔内部气体的扰流程度较初始方案均得到了一定改善如图10红圈所示，气体的流动更加的顺畅。

3、结论

本文通过一维分析和三维分析联合仿真对带有 EGR装置的进气歧管进行分析，得出以下结论：

1）初始设计方案歧管各缸进气EGR率分布不均匀，不能满足歧管的分析需求，依据分析结果对歧管进行分析提出优化方案；

2）优化设计后，歧管各缸的进气EGR率分布合理，满足相关的评价标准，目前已成功应用到量产产品中；

3）在发动机研发设计阶段，通过相关的CFD分析，可以有效的提升发动机产品的性能，大大减小研发设计的研发周期和研发成本。

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Simulation and optimization analysis on EGR Ratio of the diesel engine

Chen Yuanming,Wang Hongda,Wang Cian
（Power Research institute,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601）

The diesel engine intake manifold is calculated by 1D_BOOST and 3D_Fire simulation on EGR deviation.The transient mode was set，and EGR gas distribution in intake manifold was simulated at all the operation points.The result shows :the initial model can't meet the standard,modify the design of the EGR inlet then the result can meet the standard.Keywords: Intake Manifold; EGR Deviation; CFD

U461

A

1671-7988（2016）08-104-03

陈园明（1979-），男，工程师，工程硕士，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。主要从事内燃机设计开发工作。