基于CFD的某柴油机进气歧管EGR分布与
优化
伊士旺[1,2]，苏艳君[1,2]，赵铮[1,2]，张德胜[1,2]
（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定市071000
2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定市071000）
[摘要]：废气再循环（EGR）可以有效降低NOx排放。对于采用EGR技术的多缸柴油机，若各缸废气分配不均会影响其燃烧稳定性，导致各缸工作不一致。本文采用1D-3D耦合计算方法，对试验中出现问题的部分负荷工况点进行CFD分析。通过对比EGR管处速度场及各缸EGR率，到优化方向，最终方案满足要求。
关键词：CFD；EGR均匀性；进气歧管
主要软件：A VL-FIRE；A VL-BOOST
引言
近期国家对环境问题非常重视，排放法规越来越严格，如何降低车辆排放已成为亟待解决的问题。EGR（Exhaust Gas Recirculation）是将部分废气通过进气歧管引入燃烧室，以降低缸内氧浓度和燃烧温度，达到降低NOx排放的目的。对于采用EGR技术的多缸柴油机，各缸EGR率分配不均，会影响各缸工作一致性，使NOx排放难以控制。本文利用CFD方法对EGR分布进行数值模拟，并依据仿真结果完成对EGR管位置及结构的优化。
1. 模型建立与分析方法
1.1 1D模型
本公司研发的某四缸增压柴油机在台架标定过程中1800rpm/9bar部分负荷工况点出现各缸工作状况不一致现象，且NOx排放难以控制。经多方讨论，初步怀疑是由各缸EGR分布不均所致，故对EGR分布进行仿真分析。
本次分析采用1D-3D耦合计算方法，边界条件由A VL公司1D热力学软件BOOST提供，3D模型由专业流体软件Fire计算。1D模型见图1所示，虚线框内表示进气歧管和EGR 部分。1D模型和3D模型的数据传递通过图1中的link单元完成。
在1D-3D耦合计算过程中BOOST模型首先单独计算30个循环，使1D结果达到收敛，然后自动通过link单
元将边界条件（质量流量和温度等）传递给3D模型。Fire应用1D模型计算得到的边界条件单独计算一个循环，得到初始的流场分布。最后，BOOST和Fire开始耦合计算，双方计算每一曲轴转角都相互交换数据。本次分析计算10个循环达到收敛，如图2所示。
图1 1D模型
图2 1D-3D耦合计算示意图
1.2 CFD模型
计算模型是依据实际进气系统3D 模型得到的内流场结构。进气总管偏于四缸，初始方案EGR管设计一个开孔，开口方向与新鲜充量进气方向相反。
本文采用A VL-Fire软件进行CFD计算，以评估EGR进入各缸是否均匀。计算网格为90%六面体的混合型网格，为节省计算时间，网格单元数量控制在10万以内。
求解器设置方面，设定管内空气流动为可压缩粘性湍流流动，湍流模型为k-zeta-f（四方程模型，精度和稳定性较好），激活能量方程、粘性导热方程及压力作用方程，壁面处理选择混合壁面，传热模型选择标准模型。动量方程、连续性方程选择二阶精度差分格式，其他方程选择迎风格式（一阶精度）。
图3 CFD 模型
2. 计算结果
2.1 评价指标
EGR 率计算公式为：
%100f
EGR EGR ⨯+=
m m m EGR  式中：EGR ——EGR 率
m EGR ——EGR 质量流量，kg/s
m f ——新鲜空气质量流量，kg/s 本次分析可以统计出每个缸进入的废气量和新鲜充量，从而可以得到各缸的EGR 率。 一个工作循环的EGR 率统计值计算公式为：
%100)(AVG ⨯⨯=⎰⎰mdt
dt EGR m EGR  带EGR 的多缸柴油机进气歧管要求各支管的EGR 分布均匀，根据A VL 经验，一个工作循环的各缸EGR 率差异为±10%。
%100AVG
AVG i ⨯-=
EGR EGR EGR 差异 i 为各缸，1.2.3…
2.2 结果分析
2.2.1 初始方案结果 对初始方案计算1800rpm/9bar 工况点，各缸EGR 率及与平均EGR 率的差异如图4所示。
图4 初始方案1800rpm/9bar结果
统计结果显示一、二缸的EGR率明显高于三、四缸，点划线为各缸EGR率平均水平。各缸间的最大EGR率差异为27.24%，超过评价指标±10%。
EGR流场分布云图也可以体现出各缸在进气时的EGR分布情况。在各缸进气流量最大时刻截取EGR流场分布云图。根据图4结果，在此只体现一缸和三缸的EGR流场分布云图，示意结果。
从EGR流场分布云图可以看出，不管是一缸进气还是三缸进气，一、二缸进气支管区域的EGR率明显高于三、四缸。这说明当EGR管只开一个孔时，废气与新鲜空气混合不充分，主要停滞在进气歧管一、二缸支管区域，使得一、二缸的EGR率较高。（实线框为一缸，虚线框为三缸）
图5 一、三缸进气时EGR流场分布
2.2.2 优化方向
基于初始方案结果，在以下两方面进行优化。
a.EGR管安装位置靠近稳压腔，新鲜空气与废气混合距离短，导致混合不充分，可将其往节气门方向适当调整。
b.初始方案EGR管只开一个孔，废气与新鲜空气接触面积小。将EGR管孔数增加至四个，以增大气体间接触面积，提高混合效率。如图6示意。
图6 EGR管四孔示意图
2.2.3 优化方案结果
优化方案1800rpm/9bar的各缸EGR率及与平均EGR率的差异如图7所示。
图7 优化方案1800rpm/9bar结果保定长城汽车
优化方案在此工况点下各缸间最大EGR率差异为7.71%，远低于评价指标±10%。
从EGR流场分布云图可以看出，当一缸或者三缸进气时，整个稳压腔内的EGR分布比较均匀。这说明延长废气与新鲜空气混合距离及增大气体间接触面积，可以实现废气与新鲜空气均匀混合。
图8 一、三缸进气时EGR流场分布