某汽油机进气歧管进气均匀性分析

祝思敏

某汽油机进气歧管进气均匀性分析

祝思敏

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330000）

废气再循环（EGR）技术是控制发动机及整车排放的重要手段，EGR的均匀分布能有效保证燃烧质量、优化排放。文章对某汽油机进气歧管进气均匀性进行分析，分为空气均匀性分析与废气均匀性分析。根据计算结果对模型进行优化，均匀性得到了显著改善。

空气均匀性；流量系数；废气均匀性；EGR率

前言

随着排放法规的升级，为解决排放问题，废气再循环(EGR)技术在汽油机上的应用越来越广泛。EGR技术一方面可以降低缸内燃烧温度，从而降低氮氧化合物的排放，以满足法规的要求；另一方面，在汽油机部分负荷工况采用EGR技术可以有效提高进气歧管压力，在同等负荷条件下增大节气门的开度，减少泵气损失，从而改善燃油经济性[1]。

在多缸发动机上采用EGR技术时，某一缸引入的废气过多，会导致缸内氧气浓度低，排放烟度大；引入的废气过少，不能有效降低燃烧最高温度，氮氧化合物的形成得不到有效控制[2-3]。因此，有必要对EGR分布进行数值模拟，并根据仿真结果对模型进行优化，以得到满足要求的进气系统。

本文所分析的汽油机进气歧管的进气均匀性，分两个部分：（1）进气歧管空气均匀性；（2）进气歧管废气均匀性。其中，空气均匀性分析是EGR阀门完全关闭，只有空气的流动。废气均匀性分析是EGR阀门开启一定角度，同时有空气和废气流通。本文基于AVL FIRE软件对进气歧管进行CFD分析，根据计算结果对结构进行优化，使各缸空气与EGR分布更加均匀。

1 模型建立

图1为该汽油机的进气歧管三维数模，AIR为进气总管（空气）入口，EGR为EGR管路入口，OUT1—OUT4分别为进气歧管出口，分别与1—4气缸连通。

主体网格尺寸为2 mm，局部加密1 mm，边界层一层，边界层厚度0.5 mm，最终网格单元数约为59万。

设定气体为可压缩黏性湍流流动，湍流模型为--模型，壁面模型选择混合壁面。动量方程、连续方程选择二阶精度差分格式，其他方程选择一阶迎风格式。

图1 进气歧管三维数模

2 空气均匀性计算

2.1 边界条件

进口边界：总压1 bar，出口边界：静压0.975 bar。

2.2 分析结果

2.2.1评价标准

流量系数的计算公式为：

式中：m为理论流量，为气体常数（287.14 kJ/kg），为温度，为出口压力，0为进口压力，A为出口面积，ψ为流量因子，为绝热指数（1.41），m为计算所得流量，为流量系数。

2.2.2计算结果

流量系数最大上偏差为1.44%，最大下偏差−1.77%，进气均匀，在评价标准范围内，满足要求，可进行废气均匀性计算。

表1 空气均匀性计算结果

流量系数流量系数偏差% BND_OUT10.734 9−0.32 BND_OUT20.724 2−1.77 BND_OUT30.747 91.44 BND_OUT40.742 10.65

3 废气均匀性计算

3.1 边界条件

通过一维BOOST计算得到进气歧管进出口的压力、温度、流量等边界条件。工况点，发动机转速3 500 rpm、扭矩112 N·m、EGR率21%。

图2 进出口质量流量

图3 进出口温度

3.2 分析结果

3.2.1评价标准[4]

率的计算公式如下：

其中，EGR表示第缸EGR率，单位：%；

m表示第缸废气质量流量，单位：kg/h；

m表示第缸新鲜空气质量流量，单位：kg/h。

其中，m表示第缸的EGR质量流量，单位：kg/h；m代表四缸平均EGR质量流量，单位：kg/h。

3.2.2计算结果

废气均匀性计算为瞬态计算，共计算五个循环，前四个循环为了保证计算能够收敛，最后一个循环输出计算结果。

表2 原方案计算结果

EGR率/%EGR率偏差% BND_OUT121.620.93 BND_OUT222.103.15 BND_OUT321.962.51 BND_OUT420.01−6.59

从表2计算结果来看，二缸废气量偏多，四缸废气量偏少，并且偏差量较大，需对模型进行调整。

由于四缸废气量偏少，表明EGR管路插入进气总管的深度过大。改进方案1对EGR管路进行调整，缩短插入的深度后，再次分析废气均匀性。

图4 原方案与改进方案1

经计算，改进方案1中：三缸EGR率偏差最大，为4.61%；四缸EGR率偏差最小，为−4.19%。EGR率偏差仍较大，需再次进行调整。

改进方案1继续调整得到改进方案2。为了继续增大四缸流量，将EGR管路深入端的截面弧度调大。

图5 改进方案1与改进方案2

经计算，改进方案2中：三缸EGR率偏差最大，为4.21%；四缸EGR率偏差最小，为−1.90%。除三缸废气量偏大，其余三缸废气量较均匀。原方案EGR率偏差最大差距为9.74%，改进方案2 EGR率偏差最大差距为6.11%，EGR均匀性得到明显改善。

表3 改进方案2计算结果

EGR率/%EGR率偏差/% BND_OUT121.37−1.58 BND_OUT221.56−0.73 BND_OUT322.634.21 BND_OUT421.31−1.90

三个方案的EGR率偏差分布见图9，由图中可见，四缸的EGR率偏差越来越小。

图6 不同方案EGR率偏差分布

4 结论

本文通过对汽油机进气均匀性分析，得出以下结论：

（1）进气歧管空气均匀性计算合格后再进行废气均匀性计算；

（2）EGR率偏差过大，可以根据计算结果调整EGR管路布置、EGR管路插入进气总管深度和EGR管路出口端面形状等措施来改进模型；

（3）在发动机研发阶段，通过CFD分析可节省大量的试验工作，降低研发周期和研发成本。

[1] 尹曼莉,叶伊苏.基于CFD的发动机EGR均匀性仿真优化[C].长沙: AVL2018年用户大会论文集,2018.

[2] 李福海,丁技峰,付海燕.某四缸柴油机EGR系统仿真分析[J].小型内燃机与摩托车,2010,39(1):75-77.

[3] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4] 伊士旺,关昊,彭成,等.某柴油机进气歧管EGR分布的CFD模拟与优化[J].柴油机设计与制造,2016,22(01):33-36+56.

The Analysis of Intake Uniformity for the Intake Manifold on Diesel Engine

ZHU Simin

( Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330000 )

Exhaust Gas Recirculation (EGR) is a topical way to decrease the emission of engines and vehicles, and uniform distribution of EGR can effectively ensure combustion quality and optimize emission. The analysis of intake uniformity of intake manifold with EGR can be divided into air uniformity analysis and exhaust gas uniformity analysis. According to the calculation results, the model is optimized and the uniformity is improved effectively.

Air uniformity; Discharge coefficient; Exhaust gas uniformity; EGR ratio

U464.172

A

1671-7988(2021)23-101-03

U464.172

A

1671-7988(2021)23-101-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.028

祝思敏（1984—），女，学士，工程师，就职于江铃汽车股份有限公司，主要从事汽车发动机附件系统研究和应用工作。