导流管长度对EGR 混合均匀性的影响

黄保科 解 亮 欧力郡 卓丽颖

（安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽 合肥 230601）

引言

近年来，汽车尾气对环境的污染问题日趋严峻，使得国家对排放法规不断升级。即将实施的柴油车国Ⅵ法规，对各项污染物的排放作了非常严格的限制。废气再循环（EGR）技术是目前柴油机常用的减排技术，它将部分废气与新鲜空气混合后进入气缸重新参与燃烧，利用废气大比热、低氧含量的特性降低NOx排放[1-3]。EGR 废气与新鲜空气的混合均匀性对缸内燃烧有很大影响，对于多缸发动机，不良的混合均匀性会使进入各个气缸的EGR 废气产生差异（即各缸实际EGR 率产生偏差），导致各缸燃烧不一致[4-5]。缸内EGR 废气占比过多，会导致失火、功率下降、排放升高等后果。

目前，EGR 混合均匀性的设计标准相对统一，即各缸EGR 率偏差不超过±10%。

1 CFD 分析

1.1 结构设计

研究对象为一台四缸发动机的进气歧管，该进气歧管由进气总管、稳压腔及出气口等构成，EGR 废气导流管采用压装方式安装在进气总管侧面，如图1所示。

图1 进气歧管内部结构图

EGR 废气与空气在进气总管处交汇，并在进气总管与稳压腔内混合。为保证各缸进气一致性，在进气歧管稳压腔内设计了箭头状分流板。

1.2 设计变量

以导流管长度为变量，分析导流管长度对EGR 废气与缸内空气混合均匀性的影响。导流管长度以压装台阶面为基准，导流管长度设计如表1 所示。

表1 导流管长度设计

导流管长度的设计基于其出气口分别处于进气总管空气流的层流层、层流及紊流交界、紊流层。

1.3 边界及求解参数设置

计算时，使用FAME 生成以六面体为主的计算网格。考虑到壁面附近的边界层影响，在壁面上生成一层边界层网格。计算采用迎风离散格式，一阶隐式格式离散时间、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-ξ-f 方程，使用混合壁面函数描述壁面附近边界层流体速度、压力等分布，且要求贴近壁面网格的y+值在11～200 之间，残差小于0.000 1。

计算为瞬态计算，以相应位置的瞬态流量、压力和温度作为进气歧管进出口的边界条件。

1.4 评价指标

EGR 率的计算公式如下：

式中：REGR表示EGR 率，%；mEGR表示EGR 废气的质量流量，g/s；m 表示EGR 废气与新鲜空气的总质量流量，g/s。

一个工作循环内，进气歧管出气口（进入各缸）的EGR 率统计值按如下公式计算：

式中：t 为一个工作循环，s。

EGR 率偏差指的是各气缸的EGR 率与均值EGR 率（理论上，各缸的EGR 率相同，为均值EGR率）之间的偏差。根据经验值，一个工作循环内，各缸的EGR 率偏差应保持在±10%以内。

1.5 工况设定

研究用发动机搭载于N2 类车辆，结合柴油车国Ⅵ法规及数据库，选取2 个工况作为计算基础。一个为3 200 r/min、18%EGR 率工况，另一个为1 800 r/min、8%EGR 率工况，分别代表高转速、大EGR 率工况以及中低转速、小EGR 率工况。如表2 所示。

表2 计算工况设定

2 计算结果分析

表3 为计算结果对比。图2～图4 分别为不同导流管长度及工况下的气体混合迹线图。

表3 计算结果对比

图2 导流管长度为14 mm 时不同工况下的气体混合迹线图

从图2 与表3 可以看出，导流管长度为14 mm时，工况1 及工况2，各缸的EGR 率偏差均在10%（绝对值）以内，满足设计要求。其中，3 200 r/min、18%EGR 率工况（高转速、大EGR 率），二缸的EGR率偏差最大，为4.2%，即二缸的EGR 废气稍多于其他各缸。1 800 r/min、8%EGR 率工况（中低转速、小EGR 率），四缸的EGR 率偏差最大，为8.9%；二缸次之，为-8.4%，即四缸的EGR 废气最多，二缸最少。说明14 mm 导流管在高转速、大EGR 率工况下更有利于气体的混合。

图3 导流管长度为20 mm 时不同工况下的气体混合迹线图

从图3 与表3 可以看出，导流管长度为20 mm时，工况1 和工况2，一缸及二缸的EGR 率偏差均为正值，三缸及四缸的EGR 率偏差均为负值。工况1，二缸、三缸、四缸的EGR 率偏差均超出10%（绝对值），二缸的EGR 率偏差最大，达到19.2%。工况2，一缸及三缸的EGR 率偏差均超出10%（绝对值），三缸的EGR 率偏差最大，达到-19.6%。说明20 mm 导流管使EGR 废气的气流贯穿性增加，更多的EGR废气进入了一缸和二缸。

图4 导流管长度为26 mm 时工况1 的气体混合迹线图

从图4 与表3 可以看出，导流管长度为26 mm时，只计算了工况1 的EGR 率偏差，因为工况1 下各缸的EGR 率偏差已超过25%（绝对值），对动力平顺性及排放都非常不利，故而直接排除该方案的进一步计算。需要说明的是，因为导流管进一步加长，更多的EGR 废气进入一缸和二缸。

3 结论

1）建立了研究用发动机进气歧管的三维模型，确定了变量（导流管长度）及计算工况。通过计算得到了不同变量及不同工况下各缸的EGR 率偏差。

2）导流管长度为14 mm 时，各缸的EGR 率偏差满足设计要求；导流管长度为20 mm 及26 mm 时，EGR 废气的气流贯穿性增加，更多的EGR 废气由左侧通道进入一缸和二缸，EGR 率偏差超出设计要求。

3）通过模拟计算可知，设计导流管时，应考虑气流惯性导致的气体贯穿问题，合理设计导流管长度。