文丘里管对空滤进气系统的流体性能影响研究

张帆 罗宏锦 胡德勇

摘要：随着国家国六排放法规（简称“国六”）的发布，对燃油车辆的蒸发系统排放量提出了更严格的要求。作为燃油系统中的重要部件——碳罐，需要释放更多的燃油蒸汽到发动机中燃烧以减少污染油汽的排放。因此，越来越多带涡轮增压的车辆将文丘里管安装到空滤干净管上，通过文丘里管的脱附效应来提高车辆的碳罐脱附量。本文主要针对文丘里管在空气滤清器干净管侧的设计进行研究，主要包括干净管安装文丘里管后对其气流的影响，以及文丘里管在干净管上的导入方式产生的效果。研究表明，文丘里管对空滤干净管来讲整体的气体压力损失影响较小。在文丘里位置选择时应尽量避免选在流速较高的拐弯处，对文丘里的脱附比以及空滤干净侧的速度均匀度会产生一定的影响，为文丘里管设计提供经验性的参考。

Abstract： With the release of the national emissions regulations， more stringent requirements have been imposed on the evaporation system emissions of fuel vehicles. As an important part of the fuel system - the carbon tank - more fuel vapor needs to be released into the engine for combustion to reduce emissions of polluting oil vapor. As a result， more and more vehicles with turbocharging are attaching venturi tubes to air filter cleaners to increase the amount of carbon tank desorption in the vehicle through the desorption effect of venturi tubes. This paper investigates the design of venturi tubes on the clean tube side of air filters， mainly covering the effect of the installation locations of a venturi tube on the airflow of the clean tube and the effect of the way the venturi is introduced on the clean tube. The study shows that the venturi tube has a small effect on the overall total pressure loss of the air filter clean system. However， it suggests the location of the venturi pipe needs to avoid installing near the bending area with high velocity in the air cleaner duct， which will reduce the purge efficiency of venturi tube and the velocity uniformity of clear side duct. This study provides an empirical reference for the venturi tube design.

關键词：空气滤清器;文丘里管;CFD

Key words： air cleaner;venturi tube;CFD

0  引言

国家为加强燃油汽车排放污染物的控制，环保部颁布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》法规中对于IV型试验（蒸发排放试验）中5.3.4.1中[1]要求对于第一类车排放限值在0.70g/test，第二类车Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、限值分别为0.70g/test、0.90g/test、1.20g/test，相比于国V的2g/test而言，排放限值加严到1.30g/test，测试方式上采用WLTC循环进行前序试验，整体测试时间增加1倍。对燃油系统而言，无疑是更大的挑战。

在碳罐脱附系统上，发动机在怠速阶段，通过歧管的负压脱附碳罐中吸附的燃油蒸汽。而对于涡轮增压发动机而言，增压产生的正压会对脱附的性能产生一定的影响，某些增压发动机仅依靠怠速脱附无法满足蒸发排放要求。由此，文丘里管作为一种类似于气泵的产品被广泛应用在国六燃油车上[2]。其功能特点在于：当涡轮增压器工作时，通过借助增压气体的能量，利用文氏效应在管内产生一个真空，从而达到吸附碳罐中的油气的目的[3-4]。

文丘里管作为一个新增零件，设计在空气滤清器干净侧，需要在干净侧管路上增加一个管口，在这个管口上会有增压器气体与燃油蒸汽通过文丘里管进入到空滤干净管上。本文针对某国六1.6T发动机的空滤干净侧为案例，研究了文丘里管对空滤干净管的影响，并且提出了文丘里管在空滤干净管的布置方案。

1  模型设置

在国六上普遍应用的文丘里管的压力工作区间通常在20-80kPa之间，当入口压力到达80kPa时，此时会在文丘里管的喷嘴区域产生高速的气流[5]，其最大速度约在0.7～1.1马赫数，而马赫数大于0.3时，处于亚音速以及超音速阶段[6]。根据空气动力学的基本理论，此时气体处于可压缩状态。

整体边界选择，空滤干净管入口采用流量入口，设置值为150g/s，出口采用压力出口，文丘里管进气端和脱附端均采用压力进口，其中脱附端主要是负压脱附效应，进气端压力选择正压80kPa，见图1。湍流模型采用Realizable k-epsilon with all wall Y+ treatment，采用耦合流进行计算[7]。（图1）

2  流场结果分析

2.1 增加文丘里管对空滤系统总压损失的影响

首先，比较文丘里管安装和未安装时空滤干净管内部流场的差异。通过计算得出，空滤干净管未安装文丘里管时，管道的总压损失约为0.52kPa，沿着主气流方向分别在A、B、C三个点处设置文丘里管，如图2所示，以此找到文丘里管对空滤干净管的影响。通过计算得出A、B、C三处静压的值接近在5.4～5.6kPa之间。（图2）

如表1所示，压强接近的壁面增加文丘里管后干净管的总压差约有10%的提高，对于整体系统而言，0.05～0.06kPa的总压损失对发动机性能影响较小[8]。

2.2 文丘里管在干净管拐弯处的影响

如图3所示，选取干净管上的1段截面沿着截面的周向设置文丘里管，分别位置为D、E、F，此三个位置点分别为弯管拐弯处的外侧、顶面、内侧。

气流因拐弯处的分流，会形成速度不均匀以及从外侧到内侧产生的静压梯度，总体来说是在D侧因过渡半径较大流速会小于F侧。关注这三个位置，从而进一步反映出研究文丘里本身以及对空滤系统性能的影响。

首先，将三者分析对比，每个位置文丘里管性能如下表2所示，Vent_P2为文丘里管脱附端，Vent_Inlet为文丘里管进气端。脱附比是评价文丘里管脱附效率的数值，是脱附侧的质量流量和文丘里管入口处质量流量的比值，脱附比越高证明脱附的效率越高。在系统上的体现是：在借气量（Vent_Inlet）相同的情况下，从脱附端Vent_P2吸附的气体越多越好，吸入的气体越多，碳罐中脱附的燃油蒸汽就越多。从表2可知，D处的脱附比最高，效果最好，F处效果最差，比D处脱附比少了0.076。

其次，当在弯管处增加文丘里管，容易产生扰流，对管道内气流的均匀度会产生一定影响。空滤干净管的速度均匀度是评价空滤干净管的一项重要指标。由于涡轮增压发动机需要来流温度来保证其工作性能，因此速度均匀度越高越有利于提高涡轮增压器工作性能。由图4可以看出气流在不同位置存在一定差异，通过换算得到的结果为，D、E处均匀度约在97.4%左右，差异不大，而在F处下降到96.8%，F处对主气流的干扰较前两者更大。

3  结论

以空滤干净管为研究对象，首先研究了文丘里管对空滤系统总压损失的影响，随后将文丘里管布置在空滤干净管的转弯拐角处三个特殊位置，通过将文丘里布置在不同的位置来研究其对空滤的影响，最终结果表明：

①文丘里管对空滤干净管的压降影响十分微弱，不足以因为文丘里管进而影响空滤系统的进气效果;

②另外通过仿真分析结果可以进一步看出，文丘里管在安装到空滤干净管后的脱附效果有一定影响，当文丘里管设置在空滤干净管拐弯处时，需建议进口放在拐弯外侧从而提高脱附效率;

③通过将文丘里管布置位置应尽量壁面速度分流区域对主管路气流产生一定的扰动，从而降低干净管进入涡轮增压器的速度均匀度，而影响涡轮增压器的性能。

参考文献：

[1]环境保护部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[J].中国质量技术监督，2016，1（6）：10-12.

[2]黎娜，王孔龙.文丘里管在国六排放标准中的应用分析[J]. 北京汽车，2019，3（3）：6-8，27.

[3]郑伟，张振东，薛光明.柴油机多级并联文丘里管进气系统[J].车用发动机，2012，1（1）：19-22.

[4]陈贤，郑伟.增压柴油机采用多级可变文曲利管式进气系统的实验研究[J].小型内燃机与摩托车，2012，41（1）：14-20.

[5]董志強，邓建胜，石平义，等.柴油机冷EGR系统文丘里管的设计研究[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2017，6（3）：103-104.

[6]华胜军.燃料电池发动机尾气能量回收的研究[D].浙江杭州：浙江大学，2005.

[7]Dhaval V，Mohsen E，Vylace C， et al. Cfd Driven Parametric Design of Air-air Jet Pump for Automotive Carbon Canister Purging[J]. Sae International Journal of Passenger Cars Mechanical Systems， 2017， 10（2）：1-2017.

[8]黎亚洲，廖晓炜，刘峰，等.燃料/空气文丘里混合器的研究综述[J].中国特种设备安全，2018，34（3）：82-88.

收稿日期：2020-05-26。

作者简介：张帆，女，广西柳州人，本科，学士，从事汽车动力总成研发;罗宏锦，男，广西柳州人，本科，学士，从事汽车发动机进气系统研发;胡德勇，男，四川南充人，本科，学士，从事汽车发动机进气系统研发。