某四缸机egr各缸均匀性研究-玉柴

1、 EGR (537005)AVLFIREEGRCFDEGREGRCFDOptimized EGR research in Each Cylinder for a Four-Cylinder Diesel EngineLI Xianghua(GuangXi YuChai Diesel Engine Company,.Yulin, Guangxi. 537005)Abstract: EGR calculation in each cylinder for a four-cylinder diesel engine is performed by using AVL software FIRE, a

2、nd improved design has been carried out after the calculation data is validated with test data.Keywords: Diesel Engine; EGR CFDEGRExhaust Gas RecirculationNOXEGREGREGREGRCFDEGRCFDEGR1 1.11EGR1in-outFAMEex-in50mmAVL37EGR3mm23EGR“EGR”1EGR23456MP_wall1MP_wall6MP_P1MP_P4MP_M5MP_M6EGR-in1EGR-in4EGR图 1各缸E

3、GR 均匀性计算网格模型图图 2EGR 阀处网格图 3试验及计算 EGR 率测点布置图1.2 边界条件本节计算两个工况点，第一个工况点：转速 2366rpm，扭矩 147.5Nm。第二个工况点：转速 1519rpm，扭矩 92Nm。新鲜空气进口（图 1 所示 inlet）处给定质量流量和温度，EGR 率给为 0；各排气歧管进口（图 1 所示 ex-in1 等与缸盖相连的口）处给定质量流量和温度，EGR 率给为 1；各进气歧管出口（图 1 所示 in-out1 等与缸盖相连的口）处给定质量流量；废气出口（图 1 所示outlet）处给定压力。各进出口边界参数都是随曲轴转角变化的，由一维 boos

4、t 热力学模型计算得到，该模型由试验数据进行标定。其余面给定壁面边界条件。对于壁面热边界，假定进气接管和进气歧管内表面温度为 313.15K；排气歧管内表面温度为 773.15K；EGR 管路内表面温度为 473.15K。求解的湍流模型采用 k- 模型，壁面采用壁面函数处理，计算为可压缩流。计算初始条件：整个系统压力 180000Pa；对于温度，排气歧管内初始值 773.15K，进气歧管及进气接管内初始值 313.15K，其余部分初始值 373.15K。对于 EGR 率，进气歧管及进气接管内初始值 0，其余部分初始值 1。mrgg mrgmair，其中mair 是新鲜空气质量， mrg 是废气

5、质量。EGR 率的计算公式为计算结果及分析进气歧管内 EGR 率分布云图图 4 是两个计算工况点第七个循环下进气歧管及进气接管EGR 率分布云图，从图中可以看出：在各个工况、各个曲轴转角下第二缸的 EGR 率都较大；而对于第四缸，第一工况点的 EGR 率比第二工况点对应值要低很多，这就是说即使在相同的进气歧管几何结构下，不同工况点下的 EGR 率分布会有很大差异。另外，靠近壁面上 EGR 率的梯度非常大，这样会导致直接壁面取气测量结果偏差较大。为了定量反映管内各测点 EGR 率，下面将对壁面测点及中间测点计算结果进行分别介绍。第一工况点图b. 第二工况点进气歧管及进气接管 EGR 率分布云图a

6、.a.第一工况点b. 第二工况点图 5各壁面测点 EGR 率随曲轴转角变化关系图0. 80. 20. 60.0. 40. 20.08率0.率壁面点计算值壁面点试验值壁面点计算值壁面点试验值RR0.06GGEE0.080.00.060.040.020.0200234562356测点号测点号a. 第一工况点第二工况点b.图 6 各壁面测点计算值和试验值对比图1.3.2 壁面测点计算结果及分析由于试验结果是采样测量得到的，发动机转速较高，频率较快，因此人工采样得到的是几十个循环的样本，所以我们可以近似认为试验结果为发动机循环内的平均值。图 5 是两个计算工况点第七个循环下各壁面测点 EGR 率随曲轴

7、转角变化关系图，为了便于和试验结果比较，取各测点位置在整个发动机循环内的平均值与试验结果进行比较。各壁面测点计算结果和试验结果对比参见图 6，从图中可以看出：壁面测点的计算值和试验值有所差距，这是各壁面测点EGR率随曲轴转角变化关系曲线0.60.50.4率R0.3 GE0.2MP wall MP wall2 MP wall3 MP wall4 MP wall5 MP wall60.043204500468048605040曲轴转角各壁面测点EGR率随曲轴转角变化关系曲线0.40.350.30.25率R 0.2G E0. 5MP wall MP wall2 MP wall3 MP wall4 M

8、P wall5 MP wall60.0.05043204500468048605040曲轴转角由于靠近壁面处的EGR 率随曲轴转角变化太剧烈（如图 5 所示），这就使试验采样导致的误差加大；同时靠近壁面的 EGR 率梯度很大，这就是说测量值对采样点非常敏感，即使计算测点和试验测点相差较小的位置也可能导致结果相差较大，因此建议不要采用壁面取气。1.3.3 中间测点计算结果及分析图 7 是两个计算工况点第七个循环下各中间测点 EGR 率随曲轴转角变化关系图，为了便于和试验结果比较，取各测点位置在整个发动机循环内的平均值与试验结果进行比较。各中间测点计算结果和试验结果对比参见图 8，从图中可以看出：

9、中间测点的计算值和试验值分布趋势非常一致，这是由于中间测点处的EGR 率随曲轴转角相对较平缓（如图 7 所示），这就使试验采样导致的误差减小；同时中间测点处的 EGR 率梯度较小，即使计算测点和试验测点有所差距也不会导致结果相差太大，因此建议在试验时最好采用中间取气。同时也说明采用 CFD 计算能够再现试验的真实情况。a.第一工况点b. 第二工况点图 7各中间测点 EGR 率随曲轴转角变化关系图0. 20.250.0.20.080. 5率率中间点计算值中间点试验值中间点计算值中间点试验值R0.06RGGEE0.0.040.050.02002345623456测点号测点号a. 第一工况点第二工况

10、点b.图 8各中间测点计算值和试验值对比图1.3.4 实际进入缸内气体EGR 率计算结果及分析图 9 是两个计算工况点第七个循环下各缸进口 EGR 率随曲轴转角变化关系图。图 10是试验结果和计算结果对比图；由于各缸进口没有试验值，图中试验值为中间测点试验值；进口计算值为图 9 所示整个发动机循环内的平均值；实际进入缸内气体EGR 率是对每缸进口 EGR 率分别从该缸进气上止点至下止点进行对应进气质量流量加权平均值。从图 10 可以看出：计算结果和试验结果趋势基本一致，但在具体值上存在差异。对于第一工况点，试验测量各缸最大差异（最小与最大值相差百分比）为 89.3%，计算各缸最大差异为 75.

11、2%，实际进入缸内气体 EGR 率各缸最大差异为 45.4%；对于第二工况点，试验测量各缸最大差异为 68.2%，计算各缸最大差异为 78.9%，实际进入缸内气体EGR 率各缸最大差异为 60.7%。这就是说试验测量各缸 EGR 率只能反映各测点处时均值，而不能有效反映实际进入各缸气体 EGR 率各缸最大差异。各中间测点EGR率随曲轴转角变化关系曲线0.250.20. 5率 R G E0.MP PMP P2MP P3MP P4MP M5MP M60.05043204500468048605040曲轴转角各中间测点EGR率随曲轴转角变化关系曲线0. 80. 60. 40. 2率0. RG E0.

12、080.06MP PMP P2MP P3MP P4MP M5MP M60.040.02043204500468048605040曲轴转角第一工况点b. 第二工况点a.图 9 各缸进口EGR 率随曲轴转角变化关系图0. 20. 20.0.0.080.08中间点试验值进口计算值实际进入缸内气体EGR率中间点试验值进口计算值实际进入缸内气体EGR率率率R0.06R0.06GGEE0.040.040.020.0200234234气缸号气缸号a. 第一工况点b. 第二工况点图 10中间测点 EGR 率试验值和各缸进口计算值对比图1.4 计算结果合理性研究小结壁面测点计算值和试验值有所差距，这是由于靠近这

13、些壁面测点处的 EGR 率梯度很大；中间测点计算值和试验值趋势基本一致，因此建议试验时在管路中间点进行取样测量。试验测量各缸 EGR 率只能反映各测点处时均值，而不能有效反映实际进入各缸气体 EGR率各缸最大差异。c计算能够有效反应试验时管内 EGR 的分布情况。图 11 原始方案及两种修改方案计算网格模型图2 各缸 EGR 均匀性优化改进研究在计算和试验结果基本吻合的情况下，本节对原始模型进行了优化改进研究。图 11 是原始方案及两种修改方案计算网格模型图，从图中可以看出：第一修改方案（modified01）模型是将 EGR 引入进气接管的位置提前，期望通过增加混合长度改善混合，从而提高各缸

14、均匀性；第二修改方案（modified02）是将排气歧管出口的导流板取消，期望各缸排气时对 EGR 管路的废气供应尽可能均匀，从而提高各缸均匀性。对三种模型采用相同的边界条件，下面将比较三种模型的计算结果并分析影响各缸EGR 均匀性的因素。各缸进口EGR率随曲轴转角变化关系曲线0. 40. 20.EGR- n率0.08EGR- n2RGEGR- n3E0.06EGR- n40.040.02043204500468048605040曲轴转角各缸进口EGR率随曲轴转角变化关系曲线0. 20.0.08EGR- n率EGR- n2R0.06GEGR- n3EEGR- n40.040.020432045

15、00468048605040曲轴转角2.1 壁面测点计算结果比较及分析 图 12 为三种模型各壁面测点 EGR 率比较图，从图中可以看出：相对原始模型， modified01 模型各缸壁面测点最小值变化不大，最大值有所降低，各缸 EGR 率最大差异由原始模型 74%下降到 71%；modified02 模型各缸壁面测点最大值变化不大，最小值有所增加，各缸EGR 率最大差异由原始模型 74%下降到 66%。如果按壁面测点结果进行判断的话，两种修改模型各缸 EGR 均匀性都得到改善，但第二种修改方案改善幅度较大。不同中间测点EGR率不同壁面测点EGR率0.0. 20.090.080.00.060.

16、0.08原始模型mod f ed0 模型 mod f ed02模型原始模型mod f ed0 模型 mod f ed02模型率率RR0.05G0.06GEE0.00.040.030.020.000.020234562356测点号测点号图 12 三种模型各壁面测点 EGR 率比较图 2.2 中间测点计算结果比较及分析图 13 三种模型各中间测点 EGR 率比较图 图 13 为三种模型各中间测点 EGR 率比较图，从图中可以看出：相对原始模型， modified01 模型各缸中间测点最小值变化不大，最大值有所降低，各缸 EGR 率最大差异由原始模型 69%下降到 61%；modified02 模型

17、各缸中间测点最大值减小，最小值增加，各缸 EGR 率最大差异由原始模型 69%下降到 36%。如果按中间测点结果进行判断的话，两种修改模型各缸 EGR 均匀性都得到改善，但第二种修改方案改善幅度较大。2.3 进口测点及实际进入缸内气体EGR 率计算结果比较及分析图 14 是三种模型各缸进口测点EGR 率随曲轴转角变化关系曲线图，在这里采用两种方法进行比较各缸 EGR 率。第一种方法是用图 14 中各缸 EGR 率曲线整个循环的平均值来进行比较，其比较结果如图 15 所示。从图 15 可以看出：原始模型第二缸 EGR 率非常高，而两种修改方案模型EGR率最大值较原始方案对应值要小得多， modi

18、fied01 模型各缸 EGR 率最大差异由原始模型 75%下降到 53%；modified02 模型各缸 EGR 率最大差异由原始模型 75%下降到 41%。如果按进口测点结果进行判断的话，两种修改模型各缸EGR 均匀性都得到改善。 第二种方法是对图14 中各缸EGR 率曲线在其各缸的进气上止点和进气下止点进行对应进气质量流量加权平均，得到各缸实际进入缸内气体 EGR 率，计算结果如图 16 所示。从图 16 可以看出：对于实际进入缸内气体平均 EGR 率，Modified01 模型各缸最大差异从原始模型的 45%升高到 57%，各缸均匀性变差；Modified02 模型各缸最大差异从原始模型的 45%下降到 23%，各缸均匀性得到改善。为什么会出现两