精选-基于STARCCM对EGR分配均匀性的研究_吉利汽车_姚丽君

1、图3进气歧管和EGR混合器布置图图4 EGR混合器结构图1设计方案1.1 EGR结构布置研究机型为一款1.8L自然吸气、气道喷射、四缸汽油发动机。图1为该发动机EGR系统布置原理图，在部分负荷工况废气由前催后端锥引出，经由EGR阀后，引入进气歧管。图1发动机EGR系统布置图(2)发动机原有进气歧管结构如图 2所示，受机舱布置空间约束，新鲜充量进入进气歧管的方向和 其进入发动机缸内的方向基本相反。另外，在EGR废气流入进气歧管时，遇到新鲜空气，气流状态会改变，受气流惯性影响，会导 致各缸EGR率不一样。结合以上因素，选取适当的位置增加EGR混合器，通过径向和底端打孔，将较为集中的EGR气流打散，

2、呈现分散状态，与新鲜空气充分混合，避免大尺寸涡流出现，实现各缸EGR废气均匀分布。2计算方法2.1计算模型本文采用Starccm+软件对该发动机EGR分配均匀性进行CFD分析。计算模型包含节气门、 进气歧管、EGR混合器。计算工况为 EGR率最大的最佳油耗工况点。计算采用Polyhedral网格，Polyhedral网格是利用蜂窝猜想”实现六边形拓扑网格，利用最 少的周长划分相同的面积；有更多的相邻单元，梯度的计算，对几何的变形可以自动融合、分裂， 对网格数目的依赖性较小，所以网格数量相对较少， 收敛速度较快，对当地流动状况的预测更准确。2.2计算方法计算为三维瞬态 CFD分析，采用多组分气体

3、模型，第一种是空气，第二种是EGR废气，并假设整个进气过程EGR废气为单一组分的气体，两种组分均为理想气体。根据发动机的实际运行状态，设定仿真分析过程中，进气歧管和EGR混合器中初始状态的气体均为空气。随着计算时间的推进，EGR废气经过EGR混合器后，随着新鲜充量一起被分配至各进气歧管支管内。所以，应在计算资源允许的情况下，初始时间步长尽量小， 待EGR废气充满歧管后，计算残差及物理量呈现稳定、周期性的迭代状态，再将时间步长扩大。本文中利用Starccm+强大的用户自定义功能，设定三个阶段的计算时间步：初始计算阶段，时间步长为0.1倍的曲轴转角时长，倒数第二个循环，时间步长为0.2倍的曲轴转角

4、时长， 最后一个循环，时间步长为0.5倍的曲 轴转角时长。2.3边界设置边界的进出口设置，如表 1所示。表1边界设置InletEGR_lnletOutletBoundary TypePressureMass FlowMass FlowSpecies Mass Fraction1,0【0,11,03计算结果3.1计算结果分析假设发动机进气门关闭后，Mair为新鲜空气质量，来自排气部分的质量为M egr，则发动机的EGR率为：(1)EGR率为：._ M egr毎GR = M air + M EGR由于发动机各缸的质量流量是随曲轴转角周期性变化，故发动机各缸的/ Ma ?EGR.%?da牡GRi =

5、J M a ?d a其中：i=1 , 2, 3, 4为气缸号数Ma为进气歧管出口质量流量EGRa%为随曲轴转角变化的 EGR率d?为仿真计算的步长为了评估各缸EGR均匀性，各缸EGR均匀性指标定义为:nGR =尼GRi - $EGR（ 3）首先，针对EGR率最大工况点2500rpm8bar，进行仿真计算。计算稳定收敛后，EGR废气在进气歧管中的分布状态如图 5所示，进气歧管的四个支管内EGR废气均匀分布。LowMiss Fraction of EGRHigh1图5 EGR废气分布利用公式（2）和（3）得到，各缸的 EGR率分布均匀性偏差均在标准控制以内，满足标准要 求，如图6所示。2500rp

6、m8bar_ E百R均匀性分布1.0% -X0.0%egr_cyliegr yl3 egr图6 EGR均匀性分布考虑到EGR混合器结构复杂，需要对发动机的充气效率及动力性输出进行验证，仿真计算结 果显示加入EGR混合器后，EGR进气侧压阻增加O.OIkPa,使发动机的扭矩输出仅在最高转速点降 低1.7N?m，所以认为EGR混合器对发动机的性能输出基本无影响，如图7和图8所示。- -KISia iipmi-O.图7 EGR混合器对发动机扭矩输出的影响PPfinl图8 EGR混合器对发动机功率输出的影响另外，由于此 EGR混合器由于装配在节气门的后端，需要考虑较小负荷情况下，节气门开度 对EGR率

7、的分配均匀性影响。故对2500rpm4bar工况点，EGR废气刚引入时，进行仿真计算，验证EGR率分布均匀性。仿真结果如图8所示，四个缸的EGR率分布满足相应的均匀性分布要求。2500rpm4bar EGR均匀性分布0.3% 術0.0%egr cylipgr cyl3后，各缸的燃烧一致性较高， 平均指示压力 发目标。图9 EGR混合器样件实物图0.0%IMtf 母 1IMLP.B r .SJ xfis5.-:-:图10 IMEP的循环变动率图9小负荷EGR均匀性验证3.3试验验证根据仿真结果，将 EGR混合器制作了相应的样件如图9所示，并在热力学性能台架上进行了试验验证。图10为对应工况2500rpm8bar的试验结果，从图中可以看出，采用EGR混合器结构IMEP循环变动率均在3%以内，并达到预期的热力学开其中:(4)IMEP变动标准偏差Q(MEPi IMEPave)2IMEP STD 二* (5)N 1IMEP循环变动率