基于EGR分层的直喷汽油机进气道结构优化研究

赵云龙，洪伟，李慧，谢方喜

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025)



基于EGR分层的直喷汽油机进气道结构优化研究

赵云龙，洪伟，李慧，谢方喜

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025)

为了实现废气围绕在可燃混合气周围，并且废气较浓区域集中于燃烧室底部的EGR分层形式，基于1台缸内直喷汽油机，利用CFD仿真软件Fire针对原机切向气道结构以及切向气道与螺旋气道相结合的气道形式进行了仿真，探究其实现预期EGR分层的潜力，并从缸内进气流场角度分析EGR分层机理。结果表明：原机切向气道由于滚流在压缩冲程中被大幅削弱，不能形成研究预期的EGR分层形式；采用切向气道与螺旋气道相结合的进气道结构形式可以使滚流在压缩冲程中具有较好的保持性，并结合EGR相位调整，实现了约10%的EGR分层梯度，EGR分层形式符合研究预期。

进气道； 汽油机； 废气再循环； 分层； 流场分析

较大的泵气损失是限制汽油机燃油经济性的主要原因之一，将EGR技术应用于汽油机可以增加其缸内工质，从而降低泵气损失，使汽油机的经济性得以提升[1]。但是EGR的介入会在一定程度上影响汽油机的正常燃烧，因此EGR分层技术应运而生。一些研究表明，EGR分层可以在提高汽油机经济性的同时，提高发动机输出功率并进一步降低汽油机NOx排放。进气道结构形式对缸内进气流场影响较大，也势必对缸内EGR分层产生较大影响[2-8]。

本研究意在实现废气围绕在可燃混合气周围,并且废气浓度较高的区域集中于燃烧室底部的EGR分层形式。应用AVL-Fire软件在1台缸内直喷汽油机的基础上建立原机气道的三维仿真模型，探究原机切向气道实现研究预期分层形式的潜力，并进一步优化选取切向气道与螺旋气道相结合的气道形式，并从进气流场角度分析EGR分层机理。

1 CFD模型的建立

本研究CFD模型基于某直喷汽油机建立，该发动机基本参数见表1。体网格通过Fire软件的前处理器FAME中的自动划分网格工具(FAME Hybrid Assistant)来生成，然后通过Check工具对体网格中的负网格进行进一步的细化处理。本研究选取了切向气道与螺旋气道相结合的气道形式，其计算网格见图1。

表1 发动机基本参数

边界条件的选取对于仿真计算的准确性有着重要的影响，本研究将再循环废气的进气口和新鲜空气的进气口均设置为Inlet/Outlet进出口边界，并根据直喷汽油机温度特性对进气道、气缸盖、气缸套、活塞以及进气门的初始平均温度进行了设置：将进气道壁面、气缸盖底面和气缸套设定为固定壁面，其温度分别为360 K，550 K和500 K；将进气门表面和活塞表面设定为移动壁面，其温度分别为293.15 K和500 K。设定的缸内的初始条件为充满废气，压力为101 kPa；进气道空气侧压力为101 kPa；EGR侧压力为130 kPa。

为了探究内燃机缸内工作过程，在多维数值模拟计算中主要对可压缩黏性流体的纳维-斯托克斯方程进行求解，在求解过程中需满足质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程以及理想气体的状态方程。在本研究中湍流模型选取精度和稳定性较好的k-ζ-f四方程模型。

2 原机切向气道对EGR分层的影响研究

2.1 原机切向气道EGR分层情况

由于在原机气道中直接引入EGR会导致废气与新鲜空气在没有进入气缸前便产生严重的掺混，本研究在气道中添加导管对再循环的废气进行导向，防止废气提前掺混，并且为了达到废气围绕在新鲜充量周围的预期分层效果，将导管布置于进气道外侧靠近边沿的区域，保证与导管及气道的流线形式基本一致。考虑到需要对废气流动范围进行约束，将导管的横截面设计为椭圆形，并且为了阻止废气与新鲜充量的提前掺混，将导管的末端设置于气门头部附近。该仿真方案的计算网格透视图见图2。

仿真研究中选取工况点为2 000 r/min。前期工作发现，在原机气道模式下，压缩冲程中再循环废气与新鲜空气掺混严重，较难形成EGR分层。通过调整EGR压力与停止相位，最终发现EGR压力为130 kPa，ERG停止相位为240°BTDC(压缩上止点)时可以形成缸内EGR分层。图3示出了原机气道添加导管模式下在压缩上止点附近(40°BTDC)火花塞所在平面的EGR分层情况。从纵向截面可以看出，在压缩上止点附近形成了EGR分层，在气缸壁及燃烧室顶部废气浓度较高，EGR率约为30%，而活塞顶部及燃烧室中间区域的EGR率较低，约为21%，EGR浓度差约为9%。由于原机的火花塞布置在燃烧室顶部靠近中心的位置，而此处的废气浓度较高，这势必会对燃烧过程产生不良影响，偏离了研究预期的分层效果。从横向截面可以看出，虽然在压缩上止点附近形成了约10%的EGR浓度差的分层，但整体EGR分层界限较为混乱，分层梯度不明显，在气缸中心区域出现EGR率较高的区域，而气缸壁附近存在大量EGR率较低的区域，偏离了研究预期的EGR分层模式。

2.2 原机切向气道进气流场分析

缸内气流运动对混合气形成有较大的影响，为了分析缸内废气分层机理，有必要对进气及压缩过程中缸内进气流场进行分析。选取的发动机工况点为2 000 r/min，EGR压力为130 kPa，空气侧压力为101 kPa。原机气道下火花塞所在截面上的速度场分布见图4。

在进气初期，随着进气门开度的增大，缸内进气流速有所增加，随着进气冲程中活塞的下行，气流速度逐渐降低。270°BTDC左右，缸内形成了逆时针方向旋转的滚流，并且随着活塞的下行，在进气下止点附近形成了占据整个气缸容积的滚流。当活塞运动到压缩冲程，气流受到挤压，并且由于受到燃烧室排气侧凹坑、凸台的扰动，逐渐形成了单侧的滚流。偏向一侧的滚流在其气流运动下会使废气向燃烧室另一侧扩散，这势必导致缸内废气掺混现象的加剧。随着压缩冲程中活塞的上行，缸内的滚流被不断削弱，在压缩冲程末期，滚流基本消失。这也可以被认为是原机切向气道模式下EGR分层形式偏离研究预期的原因之一。

3 气道优化模式下的流场对比及EGR分层情况

为了探寻可以实现研究预期的废气分层的气道结构形式，针对原机切向气道滚流在压缩冲程末期被大幅削弱的不足，本研究在切向气道加入挡板对再循环的废气进行引导的同时，结合柴油机螺旋气道涡流运动保持性较好的特点，引入螺旋气道提升缸内滚流运动在压缩冲程末期的保持性，并在螺旋气道外侧加入导管对再循环的废气进行引导，导管形状与气道的弯曲方向基本保持一致，并延伸至气门头部上方，在最大限度上避免再循环的废气与新鲜空气掺混。导管的截面为椭圆形，在导管延伸至气门头部附近时逐渐缩小，意在与进气道的形状相配合，其结构形式见图5。

3.1 气道优化模式下的进气流场

选取的发动机工况点为2 000 r/min，EGR压力为130 kPa，空气侧压力为101 kPa。优化选取的切向气道与螺旋气道相结合的气道模式下火花塞所在截面上的进气速度场分布见图6。在进气初期，缸内气流流速较低，并在进气门头部附近凹坑、凸台的扰动下使凸台上方形成了小尺度的滚流运动。在进气下止点附近，在燃烧室顶部逐渐形成了较为规则的大型滚流，相比于原机气道，滚流的流线更加光顺，这样就能够使气流维持较大的动能。并且在整个压缩冲程中，滚流得到了较完整的保留，在压缩冲程末期，滚流运动仍占据整个燃烧室范围。滚流有助于将壁面附近的空气转运至气缸底部乃至另一侧壁面，有利于实现废气分层的改善。因此，从进气流场的角度而言，采用切向气道与螺旋气道相结合的气道形式相比于原机的气道形式更有利于实现缸内EGR的分层。

3.2 EGR分层效果分析

仿真选取工况点为发动机转速2 000 r/min，EGR压力130 kPa，空气侧压力101 kPa，在整个曲轴转角范围内通入再循环废气。为了结合气流运动探求EGR分层形成机理，截取了多个曲轴转角下的缸内废气分布情况，图7示出了火花塞所在纵向截面各曲轴转角下缸内EGR分层情况。再循环的废气首先从燃烧室顶部靠近气门头部的位置进入气缸内，在325°BTDC时EGR浓度差约为72%。在靠近进气下止点时，空气的卷吸作用使得较大尺度的滚流在气门头部以下的区域形成，再循环的废气沿着气缸壁向下方及活塞顶部凹坑扩散，此时气缸壁面EGR率较高，EGR浓度差约为35%。进入压缩冲程后，缸内混合气掺混程度逐渐加剧，但由于在气道优化模式下缸内大尺度的滚流在整个压缩冲程中得以保存，始终保持了外侧EGR率较高而中心区域EGR率较低的分层形式。

图8示出了不同曲轴转角下火花塞所在横向截面的废气分布情况。再循环废气在345°BTDC时出现，此时EGR浓度差约为80%，随着进气冲程活塞的下行，废气在缸内气流运动的作用下以涡流的形式沿气缸壁面扩散。在265°BTDC时，废气基本扩散至整个圆周，EGR浓度差约为63%。在压缩冲程中出现废气掺混现象，气缸中心区域的EGR率有所升高，但缸内较强的气流运使得缸内始终保持壁面附近EGR率较高，中心区域EGR率较低的分层形式。压缩至点火时刻附近(15°BTDC)时，中心区域EGR率约为19%，靠近气缸壁区域EGR率约为29%，EGR浓度差约为10%。

在前期工作中发现EGR停止相位也会对EGR的分层产生较大的影响，因此，考虑进一步结合原机气道EGR停止相位优化结果对EGR分层效果进行进一步优化，即选取EGR停止相位为240°BTDC，火花塞点火时刻附近(15°BTDC)缸内EGR分层情况见图9。在240°BTDC曲轴转角处停止通入EGR，产生的废气较浓区域基本集中于燃烧室底部，分层梯度明显，且EGR的分层界限更加平直、清晰。由于火花塞布置在气缸顶部中心位置，因此，这种EGR分层形式下废气对燃烧过程的不良影响较小，接近研究预期实现的分层形式。但由于并非全程通入EGR，缸内平均EGR率有所下降，在压缩上止点附近缸内EGR率最高为20%，最低约为10%，EGR浓度差约为10%。

4 结论

a) 原机切向气道结构形式下的EGR分层偏离了研究预期的分层效果，原因是缸内滚流运动在压缩冲程中被严重削弱;

b) 采用切向气道与螺旋气道相结合的气道结构形式，可以在进气过程形成更加规则的滚流，滚流在整个压缩冲程中保持性良好，有利于实现研究预期形式的EGR分层;

c) 采用切向气道与螺旋气道相结合的气道结构形式，并结合EGR停止相位优化结果(240°BTDC)，实现了燃烧室底层EGR浓度较高，可燃混合气区域EGR浓度较低且分层梯度明显的EGR分层形式，EGR率最高约为20%，最低约为10%，EGR浓度差为10%。

[1] Groves W N,BjorkhaugM.Stratified Exhaust Gas Recirculation in a SI Engine[C].SAE Paper 860318,1986.

[2] Koji Morita,Yukihiro Sonoda,Takashi Kawase.Emission Reduction of a Stoichimetric Gasoline Direct Injection Engine[C].SAE Paper 2005-01-3687.

[3] 姚春德,刘增勇,卢艳彬，等.四气门汽油机分层EGR的试验研究[J].工程热物理学报,2005(6)：1053-1056.

[4] 韩林沛，洪伟，杨俊伟，等.缸内滚流对废气再循环汽油机性能影响的计算研究[J].车用发动机，2014,(1)：38-44.

[5] 李慧.基于气道设计的GDI发动机EGR分层效果的仿真研究[D].长春：吉林大学，2014.

[6] 宋金瓯,姚春德,姚广涛.汽油机废气滚流分层技术燃烧放热规律的研究[J].内燃机学报，2006，24(2)：157-161.

[7] Sangmyeong Han,Wai K Cheng.Design and Demonstration of a Spark Ignition Engine Operating in a Stratified-EGR Mode[C].SAE Paper 980122,1998.

[8] Anderas W Berntsson.The Effect of Tumble Flow on Efficiency for a Direct Injected Turbocharged Downsized Gasoline Engine[C].SAE Paper 2011-24-0054.

[编辑：姜晓博]

Optimization of Stratified EGR Intake Port in Gasoline Direct Injection Engine

ZHAO Yun-long，HONG Wei，LI Hui，XIE Fang-xi

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

In order to realize the EGR stratification of air-fuel mixture surrounded by the exhaust gas and thick exhaust area distributed at the bottom of combustion chamber, the flow field of tangential port and combined port by tangential port and helical port were simulated with the CFD FIRE software to research the potential of EGR stratification and the mechanism of EGR stratification was analyzed from the view of in-cylinder gas flow based on a gasoline direct injection engine.The results indicate that the tangential port cannot realize the anticipated EGR stratification because the tumble flow weakens during the compression stroke.On the contrary, the combined port has better stability and can realize about 10% gradient of EGR stratification by combining the adjustment of EGR phase.Accordingly, the developed EGR stratification realizes the anticipated effect.

intake port; gasoline engine; EGR; stratification; flow field analysis

2014-09-10；

2015-01-13

国家高技术研究发展计划“863”资助项目(2012AA111702)；国家自然科学基金资助项目(51276080，51206059);吉林省科技引导计划青年科研基金项目(20140520128JH)

赵云龙(1990—)，男，硕士，主要研究方向为汽油机节能技术体系开发；uniqueaq@126.com。

谢方喜(1982—)，男，讲师，主要研究方向为汽油机节能技术体系开发；jluxfx@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.013

TK411.5

B

1001-2222(2015)02-0061-05