某汽油机EGR系统设计及优化

李丹丹，胡景彦，宋秀英，郭如强，赵尤飞

(宁波市鄞州德来特技术有限公司，浙江宁波 315100)

0 引言

传统动力车的燃油经济性仍是目前各大车企着手进行技术改进的重点[1]。EGR技术以其独特优势备受青睐。引入EGR可以在高负荷时抑制爆震和减少燃料富集区域从而改善燃烧效率，在部分负荷时可减少泵气损失，从而提高整个发动机的燃油经济性[2,5]。

EGR系统作为引入EGR的通道，其合理的设计尤为重要。当EGR从进气总管处引入时，各缸EGR的均匀性由EGR混合器来保证，合理的EGR混合气设计可实现较好的EGR均匀性，但该引入形式EGR的瞬态响应速度慢。此设计中，为提高EGR的瞬态响应速度，由各个进气歧管处引入EGR。

合理的EGR系统设计需考虑两点：(1)各缸EGR均匀性，即每循环引入各缸的EGR量是否一致；(2)该系统是否能提供足够的EGR。作者首先基于GT-SUIT及STAR-CCM+，通过一维三维耦合计算对所设计的EGR稳压腔及EGR支管进行EGR均匀性分析，得到可以满足各缸EGR均匀性的EGR稳压腔和EGR支管的设计；然后基于STAR-CCM+，对整个EGR系统进行CFD分析，获得具有所要求EGR率能力的EGR系统设计；最终完成了满足性能需求的EGR系统的设计。

1 EGR均匀性设计分析

1.1 几何模型

各缸EGR均匀性由以下因素决定：(1)EGR稳压腔的形状；(2)EGR各支管孔径。为此先后做了3个设计方案，如图1所示，Case1为方案一，Case2为方案二，Case3为方案三。

图1 不同设计方案的几何模型

图1中，Case1和Case2 EGR各支管孔径相同均为16 mm；Case3的EGR各支管孔径不同，一缸至四缸孔径分别为18.5、16、13.5、14.5 mm。

1.2 网格划分

采用多面体网格，基础网格尺寸8 mm，最小网格尺寸2 mm，边界层两层，EGR管路及EGR各支管处给定边界层3层，总网格数17万。划分后的三维CFD计算域如图2所示。

1.3 一维三维耦合

采用一维三维耦合的计算分析模式，需分别设置一维和三维计算模型。耦合计算用一维模型如图3所示。

图2 Case1三维CFD计算域网格

图3 耦合计算用一维模型

一维热力学模型单独计算48个循环达到稳定收敛，因此在一维三维耦合计算时，一维热力学模型预运算取60个循环，耦合计算23个循环达到稳定，共计算83个循环。

瞬态模拟时，一维三维数据在边界进行交换来考察新鲜空气及EGR在各缸之间的分布情况。

1.4 EGR均匀性结果分析

各缸平均EGR率定义：耦合计算最后一个循环进入各缸的平均EGR率。

从图4所示的各缸平均EGR率与偏差可以看出： (1)Case1中EGR率从4缸到1缸依次减小。各缸EGR率均匀性偏差最大时为-31.42%，最大绝对偏差为48.96%远大于推荐值10%，表明Case1的EGR分布均匀性较差，不满足设计要求。(2)Case2中1缸EGR率较其他3缸要大得多，几乎是3缸4缸的两倍多，3缸和4缸的EGR较为一致。各缸EGR率均匀性偏差最大时为64.11%，最大绝对偏差为97.45%远大于推荐值10%，总体来看Case2的EGR率均匀性较差，不满足设计要求。(3)Case3中各缸EGR率均匀性偏差最大时为-4.79%，最大绝对偏差为9.22%小于推荐值10%，表明Case3的EGR分布呈现良好一致性，满足设计要求。

图4 各缸平均EGR率与偏差

从图5所示的各缸歧管出口处平均EGR率云图中可以看出：(1)Case1中平均EGR率从4缸到1缸依次减小。(2)Case2中平均EGR率1缸和2缸较高、3缸和4缸较低。(3)Case3中平均EGR率3缸和2缸略偏高、1缸和4缸略偏低。

图5 各缸歧管出口处平均EGR率云图

从图6所示的平均EGR率Surface云图可以看出：(1)Case1中从4缸到1缸平均EGR率依次减小。分析原因：离EGR入口越近压损越小，平均压力越大，导致EGR向压力较低的进气稳压腔方向流动较多，最终进入缸内的EGR量较多。(2)Case2中1缸明显较大、3缸和4缸明显较小。分析原因：EGR管路布置的EGR入口方向更有利于EGR进入1缸，导致1缸EGR浓度较高；而3缸4缸较为均匀。(3)Case3中3缸和2缸EGR率较大、1缸和4缸相对较小。

图6 平均EGR率Surface云图

综上所述，所设计的3个方案中Case3的设计可满足各缸EGR均匀性的要求。至此便得到了可以满足各缸EGR均匀性的EGR稳压腔和支管的设计。但要实现25%EGR率，还需要进行EGR系统其余部分的设计。这也将是作者接下来的工作。

2 EGR系统设计分析

所设计的EGR系统应满足以下要求：在结构满足基本设计要求的前提下，具有提供25%EGR率的能力。由一维热力学计算分析可得，EGR率25%时EGR系统前后压差为5 500 Pa，相应的质量流量为9.32 g/s。因此，只要所设计的EGR系统在EGR阀全开、质量流量为9.32 g/s时，压力损失小于5 500 Pa，那么该系统便具有提供25%EGR率的能力。

2.1 几何模型

作者先后制定了两个方案，各方案EGR系统内腔几何模型如图7所示。在此指出：图中所示的冷却器和EGR阀为根据实验数据进行标定后的简化几何。方案一中EGR阀两侧进出口管径为18 mm，冷却器进出口管径为16 mm，其他位置EGR管径为20 mm。另外，为减少压损将接口处改为锥形，EGR阀采用电磁阀，如图7(a)所示。方案二中EGR各处管径为20 mm，接口处同样为锥形，EGR阀采用电机阀。

图7 各方案EGR系统内腔几何模型

2.2 网格划分

采用多面体网格，基础网格尺寸2 mm，最小网格尺寸0.5 mm，边界层两层，总网格数49万。划分后的三维CFD计算域如图8所示。

图8 方案一EGR系统CFD计算域网格

2.3 结果分析

需指出：考虑到EGR冷却器及EGR阀结构复杂、难于建模，在保证计算精度的前提下缩短计算时间，对EGR冷却器及EGR阀采用简化几何模型。该简化模型是根据EGR冷却器及EGR阀的试验测量数据(流量和压损)对几何模型进行标定后得到的，故与实际模型等效。

表1中给出了EGR阀全开、入口质量流量为9.32 g/s时，所设计两方案EGR系统的压力损失。可以看出：方案一进出口总压损为8 768 Pa>5 500 Pa，故该EGR系统几何设计不满足需求，该EGR系统若要具备提供25%EGR率的性能，需进一步降低整个EGR系统的压损。方案二进出口总压损为3 892 Pa<5 500 Pa，且有29.25%的余量，故该EGR系统几何设计满足需求，该EGR系统具备提供25%EGR率的性能，且余量充足。

表1 各方案压力损失 Pa

EGR系统压力云图如图9所示，可以看出：两个方案均为冷却器和EGR阀位置处压损较大，可以明显看出方案一总压损更大且压损最大位置在EGR阀处。从图10可以看出：方案一冷却器进口侧和EGR阀处的流速最大，表明该处压力损失最大，尤其是EGR阀处；方案二管路拐弯处、冷却器与EGR阀位置处的气流速度较快。通过以上云图分析可知：由电磁阀更换为电机阀显著降低了EGR阀处的压损，使得整体压损减小。

图9 各方案EGR系统压力云图

图10 各方案EGR系统速度云图

综上所述，所设计的两个方案中方案二的设计可满足25%EGR率的性能需求。

3 结论

(1)此设计中，EGR由各个进气歧管处引入，各缸EGR均匀性通过EGR稳压腔和EGR支管设计实现，Case3的设计各缸EGR率均匀性偏差最大时为-4.79%，最大绝对偏差为9.22%小于推荐值10%，表明其各缸EGR分布呈现良好一致性，满足设计要求；

(2)EGR系统EGR阀全开、入口质量流量为9.32 g/s时，方案二进出口总压损为3 892 Pa<5 500 Pa，且有29.25%的余量，故该EGR系统具备提供25%EGR率的性能，且余量充足；

(3)所设计的EGR系统具备提供25%EGR率的性能，且各缸EGR分布能够呈现良好一致性。