基于CFD仿真分析与试验验证的EGR率均匀性研究

张 雷 ，魏 威 ，黄烨均

（1.广西玉柴机器股份有限公司，广西 南宁 530007；2.广西汽车行业协会，广西 南宁530000）

0 前言

我国非道路移动机械用柴油机的保有量较高，但相比车用柴油机，非道路用柴油机的排放控制技术相对落后很多，减排潜力巨大。柴油机排放控制的重点是氮氧化物（NOx）和颗粒（PM）排放，由于NOx和PM生成机理的矛盾性，柴油机的排放控制技术比汽油机更为复杂，为了保证柴油机的性能，减少对后处理技术的依赖并节约成本，机内净化一直是排放控制研究和应用的核心。研究表明：废气再循环（EGR）技术是目前降低柴油机NOx排放最有效的技术之一[1-4]。在多缸柴油机上采用EGR系统时，如果各缸EGR率不均匀，会导致各缸工作不一致，影响整机排放和动力性。

前期设计了一种简单、低成本的废气再循环（EGR）系统，并采用八工况法实验研究了该EGR系统对非道路用柴油机燃油经济性和排放特性的影响，结果表明非道路柴油机采用该EGR系统的八工况加权比排放量满足第三阶段排放限值的要求[5]。本文进一步本文通过CFD仿真分析与试验相结合，研究最大EGR率为12%的非道路国三排放增压非中冷柴油机在有无EGR混合器情况下的EGR均匀性差异与整机各缸均匀性差异。

1 EGR混合CFD仿真分析

本次分析采用一维热力学软件BOOST和三维CFD软件FIRE，由BOOST计算提供瞬态的计算边界，由FIRE做三维EGR分布计算。

通过CFD仿真分析研究，可以对设计方案进行初步判定，因此本文对有无EGR混合器两种EGR管方案进行仿真分析对比。

1.1 计算模型

如图1，EGR混合几何模型主要包含进气管1、进气接管2、废气进气管4，方案一没有EGR混合器3，方案二采用EGR混合器3。EGR混合器为末端为斜切口的圆管，伸入长度为三分之一进气接管直径。

图1 EG R混合几何模型

1.2 计算边界

本次仿真分析使用了UG软件生成三维模型，通过将UG模型导入FIRE软件，使用自动网格生成器FAMEHYBRID生成了网格，总网格数量约为200万个，计算网格模型见图2。将空气入口和各缸歧管口延长80 mm，再将延长段网格与进气系统网格通过arbit工具连接，这样能保证各个进出口的网格垂直于气流方向，有利于计算结果稳定。

图2 EG R混合网格模型

计算使用的湍流模型为k-ε两方程湍流模型，近壁面处采用了壁面函数法。

计算的边界条件来自发动机一维热力学计算，通过计算得到进气系统各进出口的周期性边界条件，见图3~图6。进行三维的瞬态CFD计算，最后得到进气歧管各出口EGR率随曲轴转角的变化关系曲线。

图3 一维热力学模型图

图4 各测量面质量流量

图5 空气入口质量流量

图6 EG R入口质量流量

1.3 计算结果与分析

通过CFD仿真计算可以输出发动机各缸c1~c4的瞬态EGR率，见图7、图8。

图7 无EG R混合器方案各缸瞬态EG R率

图8 有EG R混合器方案各缸瞬态EG R率

根据质量加权计算公式求出一个循环内的各缸平均EGR率以及各缸的平均EGR率偏差（见图9、图10横坐标为气缸编号，纵坐标为EGR率）。

图9 各缸平均EG R率

图10 各缸平均EG R率偏差

从以上计算仿真结果可以看出：

（1）两个方案的第1、2缸的平均EGR率均偏低，第3、4的平均EGR率均偏高，这个主要是因为进气管进气口位置造成。

（2）无EGR混合器方案的第1、第2的瞬态EGR率波动很大。有EGR混合器方案的各缸瞬态EGR率较平稳。

（3）无EGR混合器方案的各缸加权EGR率相对有EGR混合器方案偏差略大，即无EGR混合器方案混合更不均匀，但最大偏差仅7.7%，小于±10%的标准。而有EGR混合器方案最大偏差也达到5.6%。

（4）综上，认为针对该小EGR率机型不采用EGR混合器方案也是可行的。

2 试验对比分析

由于试验设备、试验条件的局限性，无法测出发动机各缸分别的EGR率，也很难测出各缸发出功率、排放污染物。因此本试验仅做出有无EGR混合器两方案的排放工况点的功率和污染物排放对比，以及第1缸至4缸依次停缸的功率对比，通过排放工况点功率和污染物排放对比以及各缸功率均匀性判断两方案的性能差异。通过各缸功率均匀性进一步辅证EGR混合均匀性。一般认为各缸均匀性在5%以内是合理的。

2.1 试验条件

测功机：AVL公司INDYS22-4

环境温度：（25±15）℃或按试验要求

相对湿度：不控制

大气压力：（95 ± 15）kPa

大气因子要求：0.96≤fa≤1.06

机油：YC800 CH4-4/SJ15 W/40

燃油：0#柴油

冷却液：台架软水

燃油温度：（38 ± 2）℃

中冷后进气温度：（49±2）℃

排气温度（涡前）：≤ 720℃

排气背压：≤10 kPa

进气负压：≤-6 kPa

机油温度（油底壳）：≤ 130℃；

机油压力（主油道标定点）：0.3～0.6 MPa。

2.2 试验内容与结果分析

发动机按技术条件磨合好之后进行性能调试，性能合格后进行排放工况点的功率、排放测试，标况点功率、综合排放试验数据（八工况）见表1。

表1 工况点功率、排放试验数据

然后在进行停缸试验，试验数据见表2。

表2 停缸试验试验数据

根据表1，可以看出有无EGR混合器方案的功率偏差很小，接近于测功机精度，主要排放污染物CO、NOx+HC的偏差也较小，PM的偏差虽然略大，但是绝对值都较小，远低于排放法规要求。因此，可以认为针对本机型有无EGR混合器对性能、排放的影响可以忽略。

而根据表2，可以计算出两方案各缸功率均匀性，如图11。可以看出，有EGR混合器方案的各缸功率均匀性与无EGR混合器方案差异不大，且均小于5%。

图11 各缸功率均匀性偏差对比

3 结论

通过CFD仿真分析和试验验证，可以得到结论：

（1）对于采用无冷却器的废气再循环（EGR）系统的柴油机，能满足非道路第三阶段排放限值。

（2）对于小EGR率增压非中冷柴油机，新鲜空气远多于废气，自由混合可能就已经比较均匀，有无EGR混合器对EGR率均匀性影响很小。