基于一维、三维耦合的废气分布均匀性的仿真研究

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1、芜湖，2008年9月 中国内燃机学会第八届学术年会论文集 85 APC2008016 基于一维、 三维耦合的废气分布均匀性的仿真研究基于一维、 三维耦合的废气分布均匀性的仿真研究 余宏峰，殷 勇 （东风商用车技术中心，湖北 武汉 430074） 摘 要：采用冷却型EGR（废气再循环）是柴油机达欧IV排放标准的技术途径之一，废气分布均匀性对EGR 发动机的动力性和经济性影响很大。本文首先建立了基于一维的某重型柴油机欧III热力学模型，完成 模型校验。通过对带EGR系统的发动机进行性能预测后，建立了EGR混合系统CFD模型，利用一维 /三维耦合计算，对该柴油机的废气分布均匀性进行仿真，确定了EGR

2、混合器的混合方式。 关键词：EGR；一维/三维耦合；仿真 EGR Distribution Simulation Research based on 1D-3D Coupling Abstract：EGR is one of the technology way for Heavy-Duty diesel engine to meet Euro IVEGR distribution ratio was one of great factor which impact the power and fuel consumption of engine with EGRThus a 1D therm

3、odynamic model based on HDD Euro III was established and verified in this paperOn the other hand an CFD model of EGR mixing system was built after the performance of EGR engine being predictedEGR distribution percentage is simulated using 1D-3D coupling and mixing style of EGR mixer is confirmed Key

4、 words：EGR；1D-3D Coupling；Simulation 随着国家排放法规的加严， 各主机厂和科研机 构纷纷开展达欧 IV 发动机的改造或研发工作。要 实现欧 IV 对 NOx 和 PM 较低的限值， 现阶段比较 成熟的两条技术路线：一是缸内燃烧优化降颗粒， 机外净化降 NOx 的 SCR 路线；二是采用 EGR 降 NOx，再用 POC 或 DPF 降 PM 的 EGR+POC/DPF 技术路线。 EGR 发动机是通过将废气导入缸内通过废气 带来的稀释、热容、化学作用来达到机内降 NOx 效果， 但额外的废气对发动机着火性能及正常燃烧 都有着不同程度的影响。 这可以通过提高燃

5、油系统 喷射压力、 加大喷油提前角或提高压缩比等措施折 衷 EGR 的不利影响。 再循环废气各缸分布均匀性对发动机工作稳 定性和排放性能都有着重要影响。式（1）定义了 废气分布均匀性指标： TOTALEGR TOTALEGTCYLEGR m mm EGR , , % = (1) mEGR,CYL：各缸每循环 EGR 量 mEGR,TOTAL：每循环各缸平均 EGR 量，即每循 环 EGR 总量/缸数。 如果 EGR 分布不均匀性增大，意味着发动机 各缸引入废气量的较大差别， 使每循环各缸实际燃 烧状况由于其实际 EGR 率的不同而差异巨大，将 带来发动机工作不稳定， 导致污染物排放实际散差 增

6、加，恶化发动机整体排放水平。因此需要利用 CFD 方法，优化 EGR 系统设计，对废气导入进气 管后的流动，及其在各歧管中的分布进行分析，研 究一个发动机循环下废气流入气缸的动态过程， 以 保证各缸工作一致性。根据欧 IV 排放限值要求， 设定目标废气均匀性低于 5%。 为精确了解发动机动态进气过程，为 CFD 计 算提供实时的边界条件， 采用一维发动机热力学仿 真软件 WAVE 建立发动机热力学模型。首先，以 欧 III 原型机为基础建立基础机型热力学模型，通 过与试验数据验证后，添加 EGR 系统并进行 EGR 发动机性能预测。其后建立三维 CFD 模型，模拟 EGR 废气混合系统，建立一

7、维模型与三维模型之 间的数据交换信道，实现 CFD 模型对发动机一个 工作循环内的废气混合及分布程度的细致描述。 1 基于一维发动机热力学的原机模型建立 及校验 原机为排放达欧 III 的电控高压共轨重型柴油 86 芜湖，2008年9月 余宏峰等：基于一维、三维耦合的废气分布均匀性的仿真研究 机。当前开发目标是采用 EGR+POC 达欧 IV 排放 标准，动力性保持不变，经济性不恶化。为了能够 确认模型对增加 EGR 系统后发动机性能预测的能 力，首先建立了原机欧 III 模型，其主要技术参数 如表 1 所示。 表 1 原机技术参数 形式 直列六缸、CRS 柴油机 缸径 x 行程 123x15

8、6(mm) 排量 11.12(L) 压缩比 16.4 额定功率/转速 303/1900(kW/r/min) 发火顺序 1-5-3-6-2-4 利用英国 Ricardo 公司发动机工作过程仿真分 析软件 WAVE 建立基础机热力学仿真模型， 如图 1 所示。发动机进排气道系统的结构是用 WaveMesh 对进排气道三维 CAD 模型进行网格划分直接导 入， 进排气系统及中冷系统的结构按发动机台架布 置尺寸给定。 图 1 原机欧 III 性能仿真模型 图 2、3、4 分别为原机外特性试验中的实测数 据扭矩、比油耗、空燃比与模型计算结果的比较。 从图中可以看出， 模型计算扭矩数值与原机实测值 能较好

9、吻合，比油耗和空燃比与实测值有一定偏 差，但最大相对误差不超过5%，满足模拟计算 要求。 图 2 扭矩模拟计算与实测值比较 图 3 比油耗模拟计算与实测值比较 图 4 空燃比模拟计算与实测值比较 2 欧 IV 模型建立与仿真 发动机首先根据排放目标确定的 EGR 率范 围，确定了主要 EGR 系统零部件的性能参数，如 EGR 冷却器流量范围、管路直径，以及 EGR 阀控 制方式等， 完成 EGR 系统在发动机缸盖上的布置， 而将 EGR 废气导入位置及废气/新鲜空气混合器则 进行了多方案的设计，以便结合 CFD 仿真提供计 算边界。 将共性参数做为 1D 发动机工作过程参数， 将可变参数提供

10、3D 模型优选。 图 5 欧 IV 性能仿真模型 发动机采用高压 EGR 方式，废气取至涡轮增 压器之前。由于部分废气直接从排气歧管到处，进 入涡轮增压器的废气能量减少， 增压器做功能力下 降，导致进气流量减少。为防止因流量减少而使得 压气工作进入喘振区， 需要对涡轮增压器重新进行 芜湖，2008年9月 余宏峰等：基于一维、三维耦合的废气分布均匀性的仿真研究 87 匹配。 增加 EGR 系统后，为使 NOx 排放达标，综合 考虑发动机动力性、经济性与排放的关系，根据整 车工作特性要求，确定各工况下的 EGR 率。即在 满足排放的前提下， 保证发动机主要工作区的动力 需要，优化部分负荷下的经济性

11、。需要对各工况下 的空燃比进行精确控制。 根据增压器制造商提供的涡轮增压器特性， 对 EGR 发动机模型进行仿真计算。为防止涡轮增压 超速，在模型中添置了放气阀模块，对增压器转速 限制进行模拟。图 6、7、8、9 分别为对匹配增压 器在转速限制与不限制 2 种情况下的仿真对比。 从 图中可以看出，增加 EGR 后，发动机扭矩保持不 变，油耗稍有恶化。因涡轮增压器转速限制，EGR 率和空燃比（AFR）在高速段较转速不限制的情况 下有些偏低，但基本还是满足目标要求。 1000 1200 1400 1600 1800 2000 8001000110012001300155017001900 Engi

12、ne Speed Torque(N.m) TC speed limit TC speed unlimit 图 6 扭矩模拟计算比较 0 5 10 15 20 25 8001000110012001300155017001900 Engine Speed EGR rate(%) TC speed limit TC speed unlimit 图 7 EGR 率模拟计算比较 16 18 20 22 24 26 28 8001000110012001300155017001900 Engine Speed AFR- TC speed limit TC speed unlimit 图 8 AFR 模拟

13、计算比较 190 200 210 220 230 240 8001000110012001300155017001900 Engine Speed BSFC(g/kW.h) TC speed limit TC speed unlimit 图 9 BSFC 模拟计算比较 3 进气混合系统 CFD 模型建立 三维 CFD 模型可以较好的弥补一维热力学模 型对气体空间分布均匀性的假设。 为准确反应废气 在混合器的混合过程和混合气在各歧管内的分布 情况，利用 CAD 软件对进气混合系统进行三维造 型，并导入 CFD 软件中进行网格划分，进气混合 系统的网格模型见图 10 所示。 图 10 进气混合系统

14、网格模型 4 一维/三维耦合模型仿真 为了准确模拟发动机一个工作循环下废气在 混合器和进气歧管内的分布情况， 将前述建立的带 EGR 系统的一维欧 IV 模型与进气混合系统的三维 CFD 模型进行耦合， 由一维计算获得的瞬态边界条 件传给 CFD 模型，精确模拟多缸发动机工作过程 时进气混合系统中的流动。 4.1 耦合模型建立 在一维发动机欧 IV 模型的基础上，将新鲜空 气入口、废气入口、进气歧管出口等 8 个进出口边 界用 CFD 接口模块代替，如图 11 所示。 88 芜湖，2008年9月 余宏峰等：基于一维、三维耦合的废气分布均匀性的仿真研究 图 11 耦合仿真模型 在三维 CFD 软

15、件 Vectis 中设置好对应一维模 型的进/出口边界，完成求解器设置后，由一维 WAVE 软件启动耦合计算。 4.2 计算结果 经过多方案选择和系统优化计算后确定最终 EGR 混合器和混合方式，在该方案 EGR 各缸质量 流量计算结果与各缸 EGR 分布均匀性对比见图 12、13、14 所示。计算工况点采取了 1900r/min 的 额定功率点和 1200r/min 的最大扭矩点，两种工况 下进气歧管各支管在 720发动机一个工作循环内 的 EGR 质量流量波动见图 12 和图 13 所示。 图 12 额定功率点 EGR 各缸质量流量 图 13 最大扭矩点 EGR 各缸质量流量 对图12、

16、13各支管的EGR质量流量进行积分， 根据式 1 计算各缸 EGR 流量变化百分率。 图 14 2 种工况下 EGR 分布均匀性比较 通过额定功率和最大扭矩两种工况下的 EGR 分布的均匀性对比，从图 14 中可以看出，各缸的 EGR 流量变化百分率都在5%以内，较好的满足 各缸均匀性的要求。 5 结 论 欧 IV 样机开发完后进行 ESC 测试，试验结果 与欧 III 原机排放对比，如表 2 所示。从表中可以 看出， 当前发动机采用 EGR+POC 技术方案达到欧 IV 排放限值要求，同时可以确认当前设计的 EGR 混合器和混合方式能够满足废气分布均匀性的要 求。 表 2 欧 III 原机与 EGR 发动机 ESC 排放对比 欧 III 原机 EGR+POC 欧 IV 限值 PM 0.065 0.016 0.02 NOx4.35 2.8 3.5 CO 0.44 0.02 1.5 HC 0.05 0.01 0.46 本文利用 CAE 仿真工具