废气入射管道参数对缸内<bold>EGR</bold>分层的影响

杨川，廖勇，杜永波，李元栋，张力; YANG Chuan; LIAO Yong; DU Yongbo; LI Yuandong; ZHANG Li

网刊加载中。。。

使用Chrome浏览器效果最佳，继续浏览，你可能不会看到最佳的展示效果，

确定继续浏览么?

复制成功，请在其他浏览器进行阅读

废气入射管道参数对缸内EGR分层的影响 PDF

- ORCID：
杨川 ¹
✉
- ORCID：
廖勇 ¹
- ORCID：
杜永波 ¹
- ORCID：
李元栋 ²
- ORCID：
张力 ¹

1. 重庆大学机械与运载工程学院，重庆 400044； 2. 重庆招商局检测车辆技术研究院有限公司,重庆 401122

中图分类号： TK413.4

最近更新：2024-01-15

DOI：10.11835/j.issn.1000-582X.2022.008

摘要

为了在某款摩托车汽油机缸内实现废气再循环 (exhaust gas recirculation，EGR)分层以减少泵气损失，降低NO_x排放，将原有的进气旁通系统改造为EGR系统，使用GT-POWER模型求解出3 000 r/min、60 mg进气量工况下废气入射管道以及进排气道的边界条件和初始条件，并将这些条件导入发动机的CONVERGE模型中进行计算，通过对比不同废气入射管径、不同安装角度、不同安装距离条件下的缸内流动特性、缸内速度场以及缸内废气质量分数分布，确定了最佳废气入射管道参数。结果表明：在3 000 r/min、60 mg进气量工况下，当废气入射管径为5 mm，入射角度为17.5°，安装距离为22 mm时，气缸内能实现EGR分层。

关键词

EGR分层; 汽油机; CONVERGE仿真

废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）技术逐渐被应用于汽油机上，以应对日趋严格的油耗和排放法规^[

1]。EGR技术能降低发动机的泵气功和传热损失，增加进气充量的比热比^{[参考文献 2

百度学术}2]，抑制发动机的爆震^{[参考文献 3

百度学术}3]，提高发动机的效率^{[参考文献 4-5}4-5]。太高的EGR率会阻碍火焰传播，影响燃烧速度，甚至在小负荷高EGR率的工况下发生失火；但小负荷下更需要提高EGR率来降低泵气功，而EGR分层能解决这个问题。通过采用特殊的EGR结构以及合适的参数来实现缸内EGR分层，可以减少废气对火焰传播的干扰，提高发动机对EGR的容忍度。

国外对分层EGR的研究开始得较早。Ricardo公司在1992年提出CCVS系统，通过2个独立的进气道在缸内实现EGR分层，试验表明在部分负荷条件下可以使发动机经济性提高8%^[

6]。Ditiu^{[参考文献 7

百度学术}7]通过设计预燃室的结构实现了废气、燃油与空气分层分布的3分层系统，试验结果表明该内燃机可以在较高的EGR率下持续稳定工作，且大幅降低排放物。大宇公司提出利用滚流来实现径向分层，使废气保持在两侧缸壁附近、新鲜工质保持在气缸中心；但是在压缩行程后期滚流比急剧下降，分层效果受到影响^{[参考文献 8

百度学术}8]。

刘增勇^[

9]、姚春德等^{[参考文献 10

百度学术}10]通过一种出口方向可控并插入到气道中的EGR导管，实现了缸内EGR分层，实验结果表明，该发动机可以在20%的EGR率下稳定工作，同时大幅降低NO_x的排放。部分研究者提出了一种基于排气回流的EGR分层方式^{[参考文献 11-13}11-13]，在EGR率为20%时，改善了燃烧效果。裴普成等^{[参考文献 14

百度学术}14]在一台五气门汽油机上开发了一套EGR分层系统，结果表明该发动机可以在32%的EGR率下稳定工作。

笔者基于某款带有进气旁通的双缸摩托车汽油机，将原机的进气旁通改造为EGR系统，以实现缸内EGR分层为目标对废气入射管道参数进行研究。首先使用GT-POWER模型求解出3 000 r/min、60 mg进气量下废气入口、进排气道的边界条件和初始条件，再使用CONVERGE模型求解出不同方案下的仿真结果，通过对比发动机缸内流动特性、速度场以及废气质量分数分布来确定实现EGR分层的最佳废气入射管道参数。

1 数值模型

1.1 GT-POWER模型

研究对象是一台摩托车用四气门四冲程自然吸气汽油机，燃油采用进气道喷射，燃烧室形状为半球形。发动机的主要参数如表1所示。

表 1 发动机主要参数

Table 1 The main parameters of the engine

气缸排列方式和数量	气缸直径/mm	行程/mm	连杆长度/mm	压缩比	曲轴偏置/mm	曲轴转角/(°)
气缸排列方式和数量	气缸直径/mm	行程/mm	连杆长度/mm	压缩比	曲轴偏置/mm	IVC(ABDC)	IVO(BTDC)	EVC(ATDC)	EVO(BBDC)
直列2缸	67.0	66.8	113.5	10.7	0.7	80	23	50	80

注： ABDC表示下止点后；BBDC表示下止点前；ATDC表示上止点后；BTDC表示上止点前；IVC为进气门关闭时刻；IVO为进气门开启时刻；EVC为排气门关闭时刻；EVO为排气门开启时刻。

根据发动机的主要结构参数及气门升程、气道流量系数、节气门体流量系数建立GT-POWER模型（图1）。模型主要由曲柄连杆机构、气缸、空滤器、消声器、喷油器、三相催化剂、进排气管路和控制件构成。其中进排气管路根据原始发动机的进排气系统几何建立，绿色线路为进气管路，红色线路为排气管路，蓝色线路为信号采集线路，紫色线路为废气循环管路。在不同实验方案中，废气循环管道直径为3、4、5 mm。控制件主要由进排气门和节气门组成，其中节气门开度被设置为变量。GT-POWER自带的优化器会实时调节节气门开度来控制进气质量。发动机的转速设定为3 000 r/min，进气质量设定为60 mg，在EGR进气相位为300°~650°下求解出进排气道和废气入口的边界条件及相关部件初始条件。边界条件主要指进排气道入口、废气入口的温度和压力，初始条件主要指进气门开启时刻气缸、进气道、排气道、废气入射管道的初始温度和初始压力^[

15]。

图 1 带有EGR的双缸发动机GT-Power模型

Fig. 1 The GT-Power model of twin cylinder engines with EGR

1.2 CONVERGE模型

为方便定位，以燃烧室底部端面圆心为空间直角坐标系原点，Z轴与气缸中心线重合，正向与活塞上行方向相同，X轴与进气流动方向在同一平面，坐标轴如图2所示。

图 2 废气入射管道参数及空间直角坐标系

Fig. 2 Exhaust gas incident pipe parameters and space rectangular coordinate system

废气入射管道参数包括入射管道直径d（mm）、废气入射管道中心线与气缸中心线之间的距离δ（mm）（以下简称安装距离）以及废气入射管道中心线和XOY平面之间的角度θ（°）（以下简称入射角度），废气入射管道与进气道相交的最低点到XOY平面的距离为14 mm，上述废气入射管道参数如图2所示。模型网格的尺寸控制在0.125~4.000 mm，网格总数达1 600 000个。缸内气体控制方程由气体状态方程、质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型方程组成。文中选择带压缩修正的RNG k-ε湍流模型来模拟缸内湍流，模型的壁面函数采用标准壁面函数。

文中给出了8个实验方案，各个方案的设计参数值如表2所示。在GT-POWER模型中，直接优化器通过调节节气门开度，将发动机进气门关闭时刻的进气量控制为60 mg，求解得到不同设计方案下进排气道、废气入口的边界条件以及相关部件的初始条件。其中方案1的部分初始条件如表3所示，进排气道和废气入口的边界条件如图3所示。

表 2 废气入射管道设计方案

Table 2 Design schemes of exhaust gas incident pipe

方案编号	入射管道直径d/mm	入射角度θ/(°)	安装距离δ/mm
1	3	17.5	22.0
2	4	17.5	22.0
3	5	11.0	7.0
4	5	11.0	-7.0
5	5	11.0	22.0
6	5	15.0	22.0
7	5	17.5	22.0
8	5	19.0	22.0

表 3 方案1部分初始条件

Table 3 Part of initial conditions of scheme 1

缸内温度/K	缸内压力/Pa	进气道温度/K	进气道压力/Pa	排气道温度/K	排气道压力/Pa	废气道温度/K	废气道压力/Pa
1 065	96 760	353	85 461	777	99 610	309	97 395

注：初始条件指进气门开启时刻的条件。

图 3 方案1部分边界条件

Fig. 3 Part of boundary conditions of scheme 1

1.3 发动机缸内流动评价

发动机缸内流动特性由涡流比、滚流比和湍动能来衡量。

绕气缸中心轴线旋转的气流被称为涡流，进气涡流旋转周向速度与活塞平均速度之比称为涡流比，用以衡量涡流强度。垂直于气缸中心轴线旋转的气流被称为滚流，进气滚流旋转周向速度与发动机转速之比称为滚流比，用以衡量滚流强度。湍动能即湍流动能。涡流比S_z计算公式如式（1）所示，绕X、Y轴滚流比T_x、T_y计算公式如式（2）和（3）所示，湍动能k计算公式如式（4）所示：

S_{z} = \frac{M_{z}}{I_{z}} = \frac{\sum ρ_{i} V_{i} (x_{i} v_{i} - y_{i} u_{i})}{2 π \frac{N}{60} \sum ρ_{i} V_{i} (x_{i}^{2} + y_{i}^{2})}

，

(1)

T_{x} = \frac{M_{x}}{I_{x}} = \frac{\sum ρ_{i} V_{i} (y_{i} w_{i} - z_{i} v_{i})}{2 π \frac{N}{60} \sum ρ_{i} V_{i} (z_{i}^{2} + y_{i}^{2})}

，

(2)

T_{y} = \frac{M_{y}}{I_{y}} = \frac{\sum ρ_{i} V_{i} (z_{i} u_{i} - x_{i} w_{i})}{2 π \frac{N}{60} \sum ρ_{i} V_{i} (x_{i}^{2} + z_{i}^{2})}

，

(3)

k = \frac{\sum ρ_{i} V_{i} (u_{i}^{2} + v_{i}^{2} + w_{i}^{2})}{2 \sum ρ_{i} V_{i}}

。

(4)

式中：N表示发动机的转速，r/min；u_i、v_i、w_i分别表示各计算网格单元在X轴、Y轴、Z轴的速度分量，m/s；x_i、y_i、z_i分别表示各计算网格单元在X轴、Y轴、Z轴的坐标分量，m；ρ_i表示各计算网格单元的密度，kg/m³；V_i表示各计算网格单元的体积，m³；M_x、M_y、M_z分别表示绕X、Y、Z轴旋转空气的动量矩，kg·m²/s；；I_x、I_y、I_z分别表示绕X、Y、Z轴旋转空气的转动惯量分别与发动机曲轴角速度的乘积，kg·m²·rad/s。

2 仿真结果

2.1 不同设计参数下的缸内流动特性

通过对比不同废气入射管道设计参数下的滚流比、涡流比和湍动能，分析不同设计参数对缸内流动的影响，为发动机的后续开发和设计提供指导。

图4为不同废气入射角度θ下缸内流动特征参数对比。d=5 mm保持不变，δ=22 mm保持不变。在有EGR参与的情况下，T_y在进气冲程期间逐渐增加，在曲轴转角450°附近时达到最大值；在450°~650°保持稳定；超过650°后急剧减小；在点火时刻仅维持在0.2到0.4左右，倾角越小，该值越大。不同θ下，T_x曲线呈现W形状，在曲轴转角为450°、600°、675°时均有极值出现，最大值出现在曲轴转角600°附近，为0.8左右，θ对T_x影响不明显。不同θ下，在曲轴转角小于500°时，S_z随着进气过程逐渐增大，在575°附近达到最大值，最大值随θ增加而增大；在500°之后，θ越大，S_z越大，同时涡流的衰减速度减慢；当θ超过17.5°后，S_z基本不再变化。k在不同θ下具有相同的初始变化趋势，即从进气开始时刻持续上升至最大气门升程处，随后下降。θ=11°方案的k明显小于其他θ值方案；θ越大，k在进气后期衰减得越慢；当θ超过17.5°后，k基本保持不变。在曲轴转角690°附近，θ为17.5°时的方案，k仍有27.4 m²/s²。总的来说，θ对缸内滚流比的影响不大；当θ≤17.5°时，缸内涡流随θ增加而增强，k随θ增加而增加。

图 4 不同废气入射角度下的缸内流动特性

Fig. 4 Flow characteristics in cylinder with different incident angles of exhaust gas

图5显示了不同安装距离下缸内流动特征参数对比。保持d=5 mm，θ=11°，随着安装距离δ增加，T_x的最大值相应增大，出现时刻提前，滚流的衰减速度也加快，在点火时刻附近（690°），不同δ下的T_x趋于一致。T_y的最大值随δ增加而减小，与T_x一样，在点火时刻附近，不同δ下该值趋于一致。S_z随δ增加而增大，废气入射管道越靠近气缸中心线，涡流的衰减越明显。这是因为当废气入射管道远离气缸中心线时，高速射流对附近低速气体的剪切作用加强，使绕缸壁运动气流的速度增加，从而提高涡流比。k随着δ增大而逐渐减小，在点火时刻附近（690°），δ越小k越大。总的来说，δ对T_x、S_z有较大影响，δ越大，T_x、S_z呈现增大的趋势；δ对T_y、k的影响不大。

图 5 不同安装距离下的缸内流动特性

Fig. 5 Flow characteristics in cylinder under different mounting distances

图6为不同管道直径d下缸内流动特征参数对比。安装距离δ=22 mm保持不变，入射角度θ=17.5°保持不变。T_x随d增大而增大，最大值出现在曲轴转角600°处，这是因为随着d增大，废气的流速也在增加。T_y在曲轴转角位于450°~650°维持最大值，d越大最大值越大。S_z随d增大而显著增大，最大值出现在550°附近，到达最大值之后，d越小，涡流的衰减速度越慢。k的变化以曲轴转角450°为分界点，前后呈现相反的变化趋势，在曲轴转角位于350°~450°时，d越小k越大；450°到点火时刻附近，d越大k越小。从整体上看，d对缸内的滚流和涡流影响更大，d越大k在压缩后期衰减得更慢。

图6 不同管道直径下的缸内流动特性

Fig. 6 Flow characteristics in cylinder under different pipe diameters

2.2 不同方案缸内速度场和废气质量分数分布对比

图7为不同方案缸内速度场云图对比。在缸内流动特性中，涡流是影响缸内EGR分层的主要因素，其在缸内速度场的直观表现即是在缸壁附近形成高速环流区域。从图中可以看到，方案1、3和4中，缸内速度场中均未出现黄色高速环流区域，方案2、5、6、7和8中，均有黄色高速环流区域出现。对比方案1、2、7可知，废气入射管道直径越大，高速环流区域速度越大、范围越广。对比方案3、4及5可知，废气入射管道安装距离越大，高速环流区域速度越大、范围越广。对比方案5、6、7和8可知，废气入射角度越大，高速环流区域速度越大、范围越广。其中，方案7和8的高速绕流区域速度最高、范围最大。

图 7 点火时刻各方案缸内速度场对比

Fig. 7 Comparison of velocity fields in cylinders of each scheme at ignition time

图8为不同方案缸内废气质量分数分布对比。从图中可以看出，方案1和2的缸内EGR率较低，黄色区域的EGR率为15%，绿色区域的EGR率为10%，两者相差5%。方案3和4的缸内整体EGR率较低，缸内EGR率沿YOZ切片呈现分层，由于两者入射管道安装位置关于XOZ平面对称，因此EGR率的变化沿YOZ切片是相反的，火花塞附近EGR率约为10%，与黄色区域EGR率的差值约为5%。方案5、6、7和8中，缸内红色区域显著增多，红色区域EGR率约为20%，整体EGR率大于前4种方案。方案5的缸内EGR分层不明显。方案6的缸内红色区域约占圆形切片一半面积，绿色区域EGR率约为10%，火花塞附近属绿色区域。方案7和8的缸内EGR分层情况相似，蓝色低EGR率区域分布于燃烧室顶部，绿色区域沿缸壁和燃烧室中部分布，红色区域主要集中于气缸中心。火花塞附近区域EGR率约为10%，与红色区域浓度差约为10%。方案7和8的EGR分层效果较好。

图8 点火时刻各方案缸内废气质量分数对比

Fig. 8 Comparison of exhaust gas mass fraction in cyinder of each scheme at ignition time

3 结论

1) 相比原机，EGR的介入可以大幅提高缸内的滚流比、涡流比和湍动能。

2) 对比方案5、6、7和8可知，入射角度对滚流比影响不大，入射角度小于17.5°时，涡流比和湍动能随入射角度增大而增大，缸内速度场无明显变化，EGR分层效果增强。

3) 对比方案3、4和5可知，随安装距离增加，缸内绕X轴滚流比峰值增大且出现时刻提前，绕Y轴的滚流比减小，涡流比增大，湍动能减小，缸壁出现高速环流，EGR率上升但分层效果均较差。

4) 对比方案1、2和7可知，随入射管径增大，滚流比、涡流比、湍动能均增大，缸壁高速环流速度增大、范围变广，缸内整体EGR率增加，分层效果增强。

5) 方案7和8在提高缸内滚流比、涡流比和湍动能的同时，在点火时刻均拥有较好的EGR分层效果。考虑到进气道结构带来的加工问题，方案7入射角更小，更便于加工。因此方案7是最合适的设计方案。

参考文献

Jung D, Lee S J. An investigation on the potential of dedicated exhaust gas recirculation for improving thermal efficiency of stoichiometric and lean spark ignition engine operation[J]. Applied Energy, 2018, 228: 1754-1766. [百度学术]

Koegl M, Hofbeck B, Will S, et al. Influence of EGR and ethanol blending on soot formation in a DISI engine[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2019, 37(4): 4965-4972. [百度学术]

Wang H Y, Gan H B, Theotokatos G. Parametric investigation of pre-injection on the combustion, knocking and emissions behaviour of a large marine four-stroke dual-fuel engine[J]. Fuel, 2020, 281: 118744. [百度学术]

Su J Y, Xu M, Li T, et al. Combined effects of cooled EGR and a higher geometric compression ratio on thermal efficiency improvement of a downsized boosted spark-ignition direct-injection engine[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 78: 65-73. [百度学术]

Gong C M, Si X K, Liu F H. Combined effects of excess air ratio and EGR rate on combustion and emissions behaviors of a GDI engine with CO₂ as simulated EGR (CO₂) at low load[J]. Fuel, 2021, 293: 120442. [百度学术]

Jackson N S, Stokes J, Lake T H, et al. Understanding the CCVS stratified EGR combustion system[J]. Journal of Engines, 1996, 105: 1206-1221. [百度学术]

Ditiu M. Triple stratification in a spark ignition engine: the effect on the emission at unthrottled light load[J]. Journal of Engines, 1999, 108: 948-954. [百度学术]

Han S, Cheng W K. Design and demonstration of a spark ignition engine operating in a stratified-EGR mode[J/OL].SAE Technical Papers, 1998 [2022-02-25]. https://doi.org/10.4271/980122. [百度学术]

刘增勇. 降低汽油机有害排放物NO_x的分层废气再循环的研究[D]. 天津: 天津大学, 2003. [百度学术]

Liu Z Y. Study on reducing No_x emissions of SI engine with stratified-EGR [D]. Tianjin: Tianjin University, 2003. (in Chinese) [百度学术]

姚春德, 刘增勇, 卢艳彬, 等. 四气门汽油机分层EGR的试验研究[J]. 工程热物理学报, 2005, 26(6): 1053-1056. [百度学术]

Yao C D, Liu Z Y, Lu Y B, et al. Study on stratified EGR for SI engine with 4-valve[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2005, 26(6): 1053-1056.(in Chinese) [百度学术]

韩林沛, 洪伟, 苏岩, 等. 直喷汽油机排气门二次开启对回流废气分层和燃烧特性的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(1): 113-121. [百度学术]

Han L P, Hong W, Su Y, et al. Effect of GDI engine exhaust valve secondary open on refluent EGR stratification and combustion characteristics[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2017, 47(1): 113-121.(in Chinese) [百度学术]

韩林沛. 均质EGR及基于排气回流的分层EGR在GDI发动机部分负荷的应用研究[D]. 长春: 吉林大学, 2016. [百度学术]

Han L P. Applied research on homogenous EGR and stratified EGR induced by exhaust gas backflow at partial load of GDI engine [D]. Changchun: Jilin University, 2016. (in Chinese) [百度学术]

韩林沛, 洪伟, 苏岩, 等. 基于PLIF光学测量的排气回流EGR分层效果[J]. 内燃机学报, 2016, 34(3): 253-259. [百度学术]

Han L P, Hong W, Su Y, et al. EGR stratification induced by exhaust gas backflow based on PLIF[J]. Transactions of CSICE, 2016, 34(3): 253-259.(in Chinese) [百度学术]

裴普成, 刘书亮, 任立红, 等. 汽油机分层废气再循环与稀薄混合气燃烧[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2002, 42(4): 520-522. [百度学术]

Pei P C, Liu S L, Ren L H, et al. Lean combustion and EGR spark with charge stratification in an ignition engine[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2002, 42(4): 520-522.(in Chinese) [百度学术]

彭涛. 缸内喷水对直喷汽油机爆震、燃烧和排放影响规律研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2019. [百度学术]

Peng T. Effects of water direct injection on knock，combustion and emission of GDI engines[D]. Chongqing: Chongqing University, 2019. (in Chinese) [百度学术]

Home