某柴油机进气歧管进气均匀性分析

赵真真，张超，周波，孙影

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

随着排放法规的升级，对氮氧化合物、碳氢化合物及一氧化碳等废气的排放要求也逐步升高。由于废气中含有大量的二氧化碳，而二氧化碳不能燃烧却能吸收热量，使得气缸中的燃烧温度降低，从而减少了氮氧化合物的生成量，废气再循环(EGR)是净化排气中氮氧化合物的主要方法[1]。

在多缸发动机上采用EGR系统时，有时各缸EGR气体分布不均匀，导致EGR率高的气缸氧气浓度低，排放烟度大；EGR率低的气缸不能有效降低燃烧最高温度，氮氧化合物的形成依然得不到有效控制[2-3]。因此，有必要对EGR分布进行数值模拟，并根据仿真结果对各缸 EGR率均匀性进行优化，以得到满足要求的进气结构。

本文所分析的某柴油机进气歧管的进气均匀性，分两个部分：（1）进气歧管空气均匀性；（2）进气歧管废气均匀性。其中，空气均匀是指EGR阀门完全关闭，只有空气均匀地流入各气缸。废气均匀是指EGR阀门开启一定角度，进气歧管中同时有空气和废气流通，最终混合后，均匀地流入各气缸。由于EGR阀门并非一直开启，并且在不同工况下阀门开启角度不同，所以只有在调整进气歧管空气进气均匀后，再调整废气均匀性才有意义。通过对模型进行调整，最终使得进气歧管进气均匀。

1 模型建立

图1为该柴油机的进气歧管三维数模，BND_IN_AIR为进气总管（空气）入口，BND_IN_EGR为EGR管路（废气）入口，BND_OUT1～BND_OUT4分别为进气歧管出口，分别与1～4气缸连通。

对进气歧管进行数值计算之前，先进行网格划分。首先利用 Hypermesh软件划分面网格；其次，将面网格导入到FIRE M软件划分体网格，网格尺寸为2mm。为了有利于计算收敛，进出口边界均沿法线方向延长了20层（每层高度为2mm）。最终的网格单元数约为34万。

图1 进气歧管三维数模

2 空气均匀性计算

2.1 边界条件

进口边界：总压1bar，出口边界：静压0.975bar

2.2 分析结果

2.2.1 评价标准

流量系数的计算公式为：

式中：mth为理论流量，R为气体常数（287.14kJ/kg），T为温度，p为出口压力，p0为进口压力，Aref为出口面积，为流量因子，k为绝热指数（1.41），mcalc为计算所得流量， 为流量系数。

2.2.2 计算结果

柴油机进气歧管空气均匀性的评价标准是流量系数差异性在[-2.5%,2.5%]范围内。根据表1中的计算结果可以看出：流量系数最大上偏差为 0.84%，最大下偏差-1.01%，均在评价标准范围内，满足要求，可进行废气均匀性计算。

表1 空气均匀性计算结果

3 废气均匀性计算

3.1 边界条件

通过一维BOOST计算得到进气歧管进出口的压力、温度、流量等边界条件。选择标定工程师提供的两个工况点进行废气均匀性计算：工况一，发动机转速 2600rpm、扭矩184N·m、EGR率24.35%；工况二，发动机转速1300rpm、扭矩11N·m、EGR率50.49%。

图2 进出口质量流量_工况一

图3 进出口温度_工况一

图4 进出口质量流量_工况二

图5 进出口温度_工况二

3.2 分析结果

3.2.1 评价标准[4-6]

EGR率的计算公式如下：

其中，EGRi表示第i缸EGR率[%]；

mEGRi表示第i缸废气质量流量[kg/h]；

mfi表示第i缸新鲜空气质量流量[kg/h]。

其中，mEGRi表示第i缸的EGR质量流量[kg/h]；

mEGR_AVG代表四缸平均EGR质量流量[kg/h]。

根据要求，一个循环内 EGR率偏差在[-10%,10%]范围内。

上述提到的两个工况，废气均匀性均合格才算合格。下面分别进行两个工况的废气均匀性计算。

3.2.2 工况一原始方案计算结果

首先计算工况一，废气均匀性计算为瞬态计算，共计算五个循环，前四个循环为了保证计算能够收敛，最后一个循环输出计算结果。

表2 原始方案计算结果_工况一

从表2计算结果来看，一二缸废气量偏多，三四缸废气量偏少，并且偏差量较大，需对模型进行调整。

3.2.3 工况二改进方案计算结果

图6 原方案与改进方案1

由于原方案 EGR管路与进气总管相连接部位的管路与水平线有一定的偏转角度（向一二缸偏转），所以一二缸废气量偏多，三四缸废气量偏少。改进方案1对EGR管路进行调整，将其调整至水平方向，再次计算进气歧管废气均匀性。

经计算，改进方案 1中：二缸 EGR率偏差最大，为16.50%；四缸EGR率偏差最小，为-11.10%。不在评价标准[-10%,10%]范围内。

图7 改进方案1与改进方案2

对改进方案1继续进行调整得到改进方案2。改进方案1的EGR管路插入进气总管深度2mm，对进入总管的废气有导流作用，可能是导致一二缸废气量偏多、三四缸废气量偏少的原因；改进方案2的EGR管路直接与进气总管相连接，具体见图7。

图8 改进方案2与改进方案3

经计算，改进方案 2中：二缸 EGR率偏差最大，为13.86%；四缸EGR率偏差最小，为-8.87%。除2缸EGR率偏大，不在评价标准[-10%,10%]范围内，其余三缸均合格。通过计算结果可知，EGR管路插入进气总管部分对废气有导流作用，调整后仅二缸废气量偏大。

对改进方案2继续进行调整，得到改进方案3。由于前面调整了EGR管路方向及插入深度，现对进气总管的弯曲角度进行调整。由于改进方案2进气总管弯曲角度过大，导致空气在经过弯角处过多的集中在弯角外缘处，所以三四缸空气量会偏多，废气量偏小。将改进方案2的进气总管弯曲角度调小，得到改进方案3。

经计算，改进方案3中：二缸EGR率偏差最大，为3.18%；四缸EGR率偏差最小，为-2.40%。均在评价标准[-10%,10%]范围内，调整合格。

表3 改进方案3计算结果_工况一

原设计方案经过调整EGR管路布置得到改进方案1，改进方案1经过调整EGR管路插入深度得到改进方案2，改进方案2经过调整进气总管弯曲角度得到改进方案3，四个方案的 EGR率偏差分布见图 9，EGR率偏差的要求范围为[-10%，10%]，由图中可见，每次调整都更为接近评价标准，最终改进方案3的EGR率偏差在标准范围内，符合要求。

图9 不同方案EGR率偏差分布

从原方案模型到改进方案3模型，由于模型总体变动不大，对空气均匀性影响较小，再次对改进方案3进行空气均匀性分析，计算结果仍在评价标准范围内。

3.2.4 工况二计算结果

工况一下，模型经过一系列调整，最终改进方案3的废气均匀性符合标准。现针对改进方案 3，计算在工况二下废气分布是否均匀。

经计算，一缸EGR率偏差最大，为1.90%；三缸EGR率偏差最小，为-1.46%。在评价范围内，满足要求。

表4 改进方案3计算结果_工况二

5 结论

本文通过对柴油机进气歧管进行空气均匀性分析和废气均匀性分析，得出以下结论：

（1）进气歧管空气均匀性计算合格后再进行废气均匀性计算；

（2）初始方案计算废气均匀性不合格，可以根据计算结果调整EGR管路分布、EGR管路插入进气总管深度和进气总管的弯曲角度及方向等措施来改进模型；

（3）改进方案在一个工况下废气均匀分布后，再计算另一个工况，两个工况下均需满足评价标准；

（4）在发动机研发阶段，通过CFD分析可以降低研发周期和研发成本。