柴油机EGR混合器管路结冰分析与结构优化

2023-01-06李俊琦石磊牛鸿斌闫乐乐王新校

内燃机与动力装置 2022年6期

李俊琦，石磊，牛鸿斌，闫乐乐，王新校

潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061

0 引言

柴油发动机具有经济性好、动力性强、可靠性高等特点，是汽车、工程机械、农业机械、电站和船舶的主要动力来源[1]。随着国家车辆排放标准中对NOx排放要求越来越严格，废气再循环(exhaust gas re-circulation,EGR)技术已经成为必不可少的关键技术之一[2-3]。当环境温度低于-15 ℃时，EGR废气与新鲜空气的混合气温度会低于0 ℃，此时，混合气中析出的水蒸气或冷凝水附着在发动机进气管壁上导致管路结冰，随着结冰量不断增加，阻碍发动机进气，导致发动机无法起动、动力性下降、排放超标等故障[4-6]。

刘志治等[7]通过在EGR混合器增加水循环加热结构，有效解决了国六天然气发动机EGR混合器结冰故障。本文中分析某EGR柴油机在冬季寒区试验时出现EGR混合器周围管路结冰故障原因，提出解决方案，并进行试验验证，有效解决EGR混合器周围管路在寒区工作时结冰故障，为EGR发动机开发提供参考。

1 进气结冰故障分析

某EGR国六柴油机在寒区试验过程中，出现发动机起动失败及动力性下降等问题，拆检进气管路发现该发动机EGR混合器周围管路结冰严重，进气加热格栅存有大量碎冰，进气节流阀阀片表面附着冰层，结冰故障现象如图1所示。

a)EGR混合器管路 b)进气加热格栅 c)进气节流阀图1 结冰故障现象

1.1 结冰原理分析

空气热平衡[8]方程为：

qm,ChC=qm,AhA+qm,BhB，

(1)

式中：qm,C为EGR混合气质量流量，kg/s；hC为EGR混合气质量焓，kJ/kg；qm,A为EGR废气质量流量，kg/s；hA为EGR废气质量焓，kJ/kg；qm,B为新鲜空气质量流量，kg/s；hB为新鲜空气质量焓，kJ/kg。

空气水分湿平衡方程[8]为：

qm,CdC=qm,AdA+qm,BdB，

(2)

式中：dC为EGR混合气含湿量，g/kg；dA为EGR废气含湿量，g/kg；dB为新鲜空气含湿量，g/kg。

空气质量守恒方程[8]为：

qm,C=qm,A+qm,B。

(3)

由式(1)～(3)可得：

qm,A/qm,B=(hC-hB)/(hA-hC)，

(4)

qm,A/qm,B=(dC-dB)/(dA-dC)。

(5)

由式(4)(5)可得：

(hC-hB)/(hA-hC)=(dC-dB)/(dA-dC) 。

(6)

空气焓-湿示意如图2所示。由图2可知：EGR废气(状态A)与新鲜空气(状态B)混合，得到混合气(状态C)，状态C位于相对湿度100%以下时析出冷凝水。当析出的冷凝水撞击金属管壁附着，金属管壁温度低于冰点，水珠即冻结为冰[9-10]。

图2 空气焓-湿示意图

根据质量守恒及热量/湿量守恒原则，建立混合器模型，模型主要参数包括EGR废气、低温新鲜空气、混合气的质量流量和相关的空气焓湿等参数[11]。

1.2 故障工况

该柴油机多运行在市郊，红绿灯较多，柴油机运行的环境温度为-28～-12 ℃，EGR混合器后的气体温度为-15～12 ℃。

1.3 仿真与试验分析

该机型寒区试验结果表明，EGR混合器下游及周围区域为易结冰区。利用STAR-CCM+流体分析软件对该机型EGR混合段气体流场进行CFD仿真，得到该段管路的气体温度与EGR混合气中EGR废气的质量分数w分布如图3所示。由图3可知，EGR混合器下游(黑框区域)温度低于0 ℃，混合气中EGR废气质量分数相对较高，而且有明显的回流区，确定此处为初始结冰区域。随着此处冰层厚度不断增加，混合器两端的EGR混合器中的水分也吸附在初始冰层上并向两侧延伸。

a)温度 b) EGR废气质量分数正视图 c) EGR废气质量分数俯视图图3 EGR混合段温度分布与EGR废气的质量分数分布图

CFD仿真分析结论与寒区试验中EGR混合器结冰现象一致。进气加热格栅表面结冰最少，格栅之间及表面无大范围的冰，少量冰是由被拦截的冰上附着的水流到格栅表面形成的，带有冰瘤的特征，由此判断进气格栅不是结冰的第一现场。

进气节流阀阀片下游表面有明显结冰，距离节流阀越远，结冰越少，这是因为在关闭进气节流阀过程中，阀片产生负压区，在阀片吸力面有明显的EGR气体回流，距离阀片越远，回流越少。因此，将EGR混合器远离进气节流阀，可以有效避免气体回流导致的进气节流阀结冰。

2 EGR混合均匀性分析

2.1 结构优化

根据以上分析， EGR混合器及进气加热格栅位置的改进方案为：1)在EGR混合器处增加水套结构，利用发动机循环水对此部位已形成的结冰及时进行化冰处理，同时预防结冰；2)将EGR混合器布置位置远离进气节流阀，避免进气节流阀关闭时，因阀片动作产生负压导致EGR气体回流造成结冰；3)将进气加热格栅由EGR混合器后更改到EGR混合器前，有效避免在进气加热格栅不工作时被进气加热格栅拦截的冰上附着的水流到格栅表面，形成冰瘤、碎冰等问题；4)考虑进气温度压力传感器的耐温限制，将进气温度压力传感器布置在远离进气节流阀及进气加热格栅的位置。管路改进前、后结构对比如图4所示。

a)改进前 b)改进后图4 改进前、后结构对比

2.2 混合均匀性仿真

多缸柴油机各缸新鲜进气与EGR废气分配不均匀时，各缸燃烧性能不同，NOx和PM排放差距较大，不利于改善柴油机的燃油经济性和排放性能[12-13]。为保证EGR柴油机燃油及排放性能，需保证新鲜进气及EGR废气进入柴油机各气缸的均匀性，通常将新鲜进气及EGR废气的各缸均匀性统称为EGR混合均匀性。评估改进后EGR混合均匀性，保证改进后发动机的动力及排放性能。

发动机第i缸的新鲜进气量均匀性

式中：m1,i为第i缸新鲜进气质量，g;n为发动机缸数，n=6。

柴油机第i缸的EGR废气均匀性

式中：m2,i为第i缸废气质量，g。

选择柴油机转速为1800 r/min和1200 r/min 2个工况点进行一维、三维耦合计算分析：1)利用GT-Power热力学仿真软件搭建发动机一维模型，并对该模型性能数据进行标定；2)将性能数据作为三维CFD仿真边界，输入到STAR-CCM+流体分析软件中；3)分析得到改进前、后EGR混合均匀性计算结果，如表1～4所示。由表1～4可知，发动机转速为1800、1200 r/min 2个工况下，各缸新鲜进气均匀性由±14.5%降低为±2.5%；各缸EGR废气均匀性均由±13.0%降低为±8.0%，新鲜进气与EGR废气均匀性均有显著提高，进一步证明改进后方案有利于提升发动机性能。

表1 转速为1800 r/min时新鲜进气量均匀性 %

表2 转速为1200 r/min时新鲜进气量均匀性 %

表3 转速为1800 r/min时EGR废气均匀性 %

表4 转速为1200 r/min时EGR废气均匀性 %

3 加热格栅前移方案结冰仿真分析与试验验证

3.1 仿真分析

为了预测改进后方案的结冰风险，利用STAR-CCM+流体分析软件，分析柴油机转速为1200 r/min时EGR内部管路流场。为更好地分析结冰风险，按照气体流出EGR混合器方向，在计算模型中提取4个截面，依次为截面1、2、3、4，分析各截面上的气体温度和混合器中EGR废气的质量分数。各截面温度与EGR废气的质量分数分布云图如图5所示。

a)温度分布 b)EGR废气的质量分数分布图5 各截面温度与EGR废气的质量分数分布云图

由图5可知：截面1位于EGR混合器内部，EGR废气未与新鲜进气交汇，无冷凝水析出风险，其结冰风险较小；截面2气体位于EGR混合器出口位置，该截面局部出现低温气体区域，且混合气中EGR废气的质量分数较高，其结冰风险较小但高于截面1；截面3位于混合器斜切口的背风面，该截面上气体温度低、EGR废气质量分数高，结冰风险较大；截面4的EGR废气质量分数及气体温度均较低，结冰风险与截面2类似。进一步提取截面2～4的气体速度分布情况，明确结冰风险。截面2～4气体速度分布云图如图6所示。

a)截面2 b)截面3 c)截面4图6 截面2～4气体速度分布云图

由图6可知：截面2与截面4中气体流速较快，流速分布均匀，且无回流区，无结冰风险；截面3的气体流速分布不均匀，EGR混合管路中心存在低速区，考虑此处不接触管路壁面，同时壁面气体流速较快，可将该区域附近的EGR混合气抽吸至缸内，其结冰风险相对较小。

由以上仿真分析可知，结构优化后结冰风险较小，因此进一步进行试验验证。

3.2 试验验证

在柴油机开发过程中，环境仓试验和寒区试验是针对结冰验证的2种有效试验方式。按照改进后的方案，分别进行冷仓试验和寒区试验。经环境仓结冰验证，满足温度为-35 ℃时EGR混合器管路不结冰的要求。在环境温度为-35～-20 ℃的寒区(海拉尔、黑河)进行试验验证，原结冰区域即进气接管EGR混合段仅出现少量结冰，发动机起动正常运行后，结冰消失；寒区的长怠速、低负荷等工况，原结冰区域无结冰现象出现，改进措施有效。