趙云龍，洪偉，李慧，謝方喜

(吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗室，吉林 長春 130025)

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基于EGR分層的直噴汽油機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

趙云龍，洪偉，李慧，謝方喜

(吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗室，吉林 長春 130025)

為了實(shí)現(xiàn)廢氣圍繞在可燃混合氣周圍，并且廢氣較濃區(qū)域集中于燃燒室底部的EGR分層形式，基于1臺缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，利用CFD仿真軟件Fire針對原機(jī)切向氣道結(jié)構(gòu)以及切向氣道與螺旋氣道相結(jié)合的氣道形式進(jìn)行了仿真，探究其實(shí)現(xiàn)預(yù)期EGR分層的潛力，并從缸內(nèi)進(jìn)氣流場角度分析EGR分層機(jī)理。結(jié)果表明：原機(jī)切向氣道由于滾流在壓縮沖程中被大幅削弱，不能形成研究預(yù)期的EGR分層形式；采用切向氣道與螺旋氣道相結(jié)合的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)形式可以使?jié)L流在壓縮沖程中具有較好的保持性，并結(jié)合EGR相位調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了約10%的EGR分層梯度，EGR分層形式符合研究預(yù)期。

進(jìn)氣道； 汽油機(jī)； 廢氣再循環(huán)； 分層； 流場分析

較大的泵氣損失是限制汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的主要原因之一，將EGR技術(shù)應(yīng)用于汽油機(jī)可以增加其缸內(nèi)工質(zhì)，從而降低泵氣損失，使汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性得以提升[1]。但是EGR的介入會在一定程度上影響汽油機(jī)的正常燃燒，因此EGR分層技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。一些研究表明，EGR分層可以在提高汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的同時，提高發(fā)動機(jī)輸出功率并進(jìn)一步降低汽油機(jī)NOx排放。進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)形式對缸內(nèi)進(jìn)氣流場影響較大，也勢必對缸內(nèi)EGR分層產(chǎn)生較大影響[2-8]。

本研究意在實(shí)現(xiàn)廢氣圍繞在可燃混合氣周圍,并且廢氣濃度較高的區(qū)域集中于燃燒室底部的EGR分層形式。應(yīng)用AVL-Fire軟件在1臺缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的基礎(chǔ)上建立原機(jī)氣道的三維仿真模型，探究原機(jī)切向氣道實(shí)現(xiàn)研究預(yù)期分層形式的潛力，并進(jìn)一步優(yōu)化選取切向氣道與螺旋氣道相結(jié)合的氣道形式，并從進(jìn)氣流場角度分析EGR分層機(jī)理。

1 CFD模型的建立

本研究CFD模型基于某直噴汽油機(jī)建立，該發(fā)動機(jī)基本參數(shù)見表1。體網(wǎng)格通過Fire軟件的前處理器FAME中的自動劃分網(wǎng)格工具(FAME Hybrid Assistant)來生成，然后通過Check工具對體網(wǎng)格中的負(fù)網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化處理。本研究選取了切向氣道與螺旋氣道相結(jié)合的氣道形式，其計算網(wǎng)格見圖1。

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

邊界條件的選取對于仿真計算的準(zhǔn)確性有著重要的影響，本研究將再循環(huán)廢氣的進(jìn)氣口和新鮮空氣的進(jìn)氣口均設(shè)置為Inlet/Outlet進(jìn)出口邊界，并根據(jù)直噴汽油機(jī)溫度特性對進(jìn)氣道、氣缸蓋、氣缸套、活塞以及進(jìn)氣門的初始平均溫度進(jìn)行了設(shè)置：將進(jìn)氣道壁面、氣缸蓋底面和氣缸套設(shè)定為固定壁面，其溫度分別為360 K，550 K和500 K；將進(jìn)氣門表面和活塞表面設(shè)定為移動壁面，其溫度分別為293.15 K和500 K。設(shè)定的缸內(nèi)的初始條件為充滿廢氣，壓力為101 kPa；進(jìn)氣道空氣側(cè)壓力為101 kPa；EGR側(cè)壓力為130 kPa。

為了探究內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)工作過程，在多維數(shù)值模擬計算中主要對可壓縮黏性流體的納維-斯托克斯方程進(jìn)行求解，在求解過程中需滿足質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程以及理想氣體的狀態(tài)方程。在本研究中湍流模型選取精度和穩(wěn)定性較好的k-ζ-f四方程模型。

2 原機(jī)切向氣道對EGR分層的影響研究

2.1 原機(jī)切向氣道EGR分層情況

由于在原機(jī)氣道中直接引入EGR會導(dǎo)致廢氣與新鮮空氣在沒有進(jìn)入氣缸前便產(chǎn)生嚴(yán)重的摻混，本研究在氣道中添加導(dǎo)管對再循環(huán)的廢氣進(jìn)行導(dǎo)向，防止廢氣提前摻混，并且為了達(dá)到廢氣圍繞在新鮮充量周圍的預(yù)期分層效果，將導(dǎo)管布置于進(jìn)氣道外側(cè)靠近邊沿的區(qū)域，保證與導(dǎo)管及氣道的流線形式基本一致?？紤]到需要對廢氣流動范圍進(jìn)行約束，將導(dǎo)管的橫截面設(shè)計為橢圓形，并且為了阻止廢氣與新鮮充量的提前摻混，將導(dǎo)管的末端設(shè)置于氣門頭部附近。該仿真方案的計算網(wǎng)格透視圖見圖2。

仿真研究中選取工況點(diǎn)為2 000 r/min。前期工作發(fā)現(xiàn)，在原機(jī)氣道模式下，壓縮沖程中再循環(huán)廢氣與新鮮空氣摻混嚴(yán)重，較難形成EGR分層。通過調(diào)整EGR壓力與停止相位，最終發(fā)現(xiàn)EGR壓力為130 kPa，ERG停止相位為240°BTDC(壓縮上止點(diǎn))時可以形成缸內(nèi)EGR分層。圖3示出了原機(jī)氣道添加導(dǎo)管模式下在壓縮上止點(diǎn)附近(40°BTDC)火花塞所在平面的EGR分層情況。從縱向截面可以看出，在壓縮上止點(diǎn)附近形成了EGR分層，在氣缸壁及燃燒室頂部廢氣濃度較高，EGR率約為30%，而活塞頂部及燃燒室中間區(qū)域的EGR率較低，約為21%，EGR濃度差約為9%。由于原機(jī)的火花塞布置在燃燒室頂部靠近中心的位置，而此處的廢氣濃度較高，這勢必會對燃燒過程產(chǎn)生不良影響，偏離了研究預(yù)期的分層效果。從橫向截面可以看出，雖然在壓縮上止點(diǎn)附近形成了約10%的EGR濃度差的分層，但整體EGR分層界限較為混亂，分層梯度不明顯，在氣缸中心區(qū)域出現(xiàn)EGR率較高的區(qū)域，而氣缸壁附近存在大量EGR率較低的區(qū)域，偏離了研究預(yù)期的EGR分層模式。

2.2 原機(jī)切向氣道進(jìn)氣流場分析

缸內(nèi)氣流運(yùn)動對混合氣形成有較大的影響，為了分析缸內(nèi)廢氣分層機(jī)理，有必要對進(jìn)氣及壓縮過程中缸內(nèi)進(jìn)氣流場進(jìn)行分析。選取的發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)為2 000 r/min，EGR壓力為130 kPa，空氣側(cè)壓力為101 kPa。原機(jī)氣道下火花塞所在截面上的速度場分布見圖4。

在進(jìn)氣初期，隨著進(jìn)氣門開度的增大，缸內(nèi)進(jìn)氣流速有所增加，隨著進(jìn)氣沖程中活塞的下行，氣流速度逐漸降低。270°BTDC左右，缸內(nèi)形成了逆時針方向旋轉(zhuǎn)的滾流，并且隨著活塞的下行，在進(jìn)氣下止點(diǎn)附近形成了占據(jù)整個氣缸容積的滾流。當(dāng)活塞運(yùn)動到壓縮沖程，氣流受到擠壓，并且由于受到燃燒室排氣側(cè)凹坑、凸臺的擾動，逐漸形成了單側(cè)的滾流。偏向一側(cè)的滾流在其氣流運(yùn)動下會使廢氣向燃燒室另一側(cè)擴(kuò)散，這勢必導(dǎo)致缸內(nèi)廢氣摻混現(xiàn)象的加劇。隨著壓縮沖程中活塞的上行，缸內(nèi)的滾流被不斷削弱，在壓縮沖程末期，滾流基本消失。這也可以被認(rèn)為是原機(jī)切向氣道模式下EGR分層形式偏離研究預(yù)期的原因之一。

3 氣道優(yōu)化模式下的流場對比及EGR分層情況

為了探尋可以實(shí)現(xiàn)研究預(yù)期的廢氣分層的氣道結(jié)構(gòu)形式，針對原機(jī)切向氣道滾流在壓縮沖程末期被大幅削弱的不足，本研究在切向氣道加入擋板對再循環(huán)的廢氣進(jìn)行引導(dǎo)的同時，結(jié)合柴油機(jī)螺旋氣道渦流運(yùn)動保持性較好的特點(diǎn)，引入螺旋氣道提升缸內(nèi)滾流運(yùn)動在壓縮沖程末期的保持性，并在螺旋氣道外側(cè)加入導(dǎo)管對再循環(huán)的廢氣進(jìn)行引導(dǎo)，導(dǎo)管形狀與氣道的彎曲方向基本保持一致，并延伸至氣門頭部上方，在最大限度上避免再循環(huán)的廢氣與新鮮空氣摻混。導(dǎo)管的截面為橢圓形，在導(dǎo)管延伸至氣門頭部附近時逐漸縮小，意在與進(jìn)氣道的形狀相配合，其結(jié)構(gòu)形式見圖5。

3.1 氣道優(yōu)化模式下的進(jìn)氣流場

選取的發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)為2 000 r/min，EGR壓力為130 kPa，空氣側(cè)壓力為101 kPa。優(yōu)化選取的切向氣道與螺旋氣道相結(jié)合的氣道模式下火花塞所在截面上的進(jìn)氣速度場分布見圖6。在進(jìn)氣初期，缸內(nèi)氣流流速較低，并在進(jìn)氣門頭部附近凹坑、凸臺的擾動下使凸臺上方形成了小尺度的滾流運(yùn)動。在進(jìn)氣下止點(diǎn)附近，在燃燒室頂部逐漸形成了較為規(guī)則的大型滾流，相比于原機(jī)氣道，滾流的流線更加光順，這樣就能夠使氣流維持較大的動能。并且在整個壓縮沖程中，滾流得到了較完整的保留，在壓縮沖程末期，滾流運(yùn)動仍占據(jù)整個燃燒室范圍。滾流有助于將壁面附近的空氣轉(zhuǎn)運(yùn)至氣缸底部乃至另一側(cè)壁面，有利于實(shí)現(xiàn)廢氣分層的改善。因此，從進(jìn)氣流場的角度而言，采用切向氣道與螺旋氣道相結(jié)合的氣道形式相比于原機(jī)的氣道形式更有利于實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)EGR的分層。

3.2 EGR分層效果分析

仿真選取工況點(diǎn)為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，EGR壓力130 kPa，空氣側(cè)壓力101 kPa，在整個曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)通入再循環(huán)廢氣。為了結(jié)合氣流運(yùn)動探求EGR分層形成機(jī)理，截取了多個曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)廢氣分布情況，圖7示出了火花塞所在縱向截面各曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)EGR分層情況。再循環(huán)的廢氣首先從燃燒室頂部靠近氣門頭部的位置進(jìn)入氣缸內(nèi)，在325°BTDC時EGR濃度差約為72%。在靠近進(jìn)氣下止點(diǎn)時，空氣的卷吸作用使得較大尺度的滾流在氣門頭部以下的區(qū)域形成，再循環(huán)的廢氣沿著氣缸壁向下方及活塞頂部凹坑擴(kuò)散，此時氣缸壁面EGR率較高，EGR濃度差約為35%。進(jìn)入壓縮沖程后，缸內(nèi)混合氣摻混程度逐漸加劇，但由于在氣道優(yōu)化模式下缸內(nèi)大尺度的滾流在整個壓縮沖程中得以保存，始終保持了外側(cè)EGR率較高而中心區(qū)域EGR率較低的分層形式。

圖8示出了不同曲軸轉(zhuǎn)角下火花塞所在橫向截面的廢氣分布情況。再循環(huán)廢氣在345°BTDC時出現(xiàn)，此時EGR濃度差約為80%，隨著進(jìn)氣沖程活塞的下行，廢氣在缸內(nèi)氣流運(yùn)動的作用下以渦流的形式沿氣缸壁面擴(kuò)散。在265°BTDC時，廢氣基本擴(kuò)散至整個圓周，EGR濃度差約為63%。在壓縮沖程中出現(xiàn)廢氣摻混現(xiàn)象，氣缸中心區(qū)域的EGR率有所升高，但缸內(nèi)較強(qiáng)的氣流運(yùn)使得缸內(nèi)始終保持壁面附近EGR率較高，中心區(qū)域EGR率較低的分層形式。壓縮至點(diǎn)火時刻附近(15°BTDC)時，中心區(qū)域EGR率約為19%，靠近氣缸壁區(qū)域EGR率約為29%，EGR濃度差約為10%。

在前期工作中發(fā)現(xiàn)EGR停止相位也會對EGR的分層產(chǎn)生較大的影響，因此，考慮進(jìn)一步結(jié)合原機(jī)氣道EGR停止相位優(yōu)化結(jié)果對EGR分層效果進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，即選取EGR停止相位為240°BTDC，火花塞點(diǎn)火時刻附近(15°BTDC)缸內(nèi)EGR分層情況見圖9。在240°BTDC曲軸轉(zhuǎn)角處停止通入EGR，產(chǎn)生的廢氣較濃區(qū)域基本集中于燃燒室底部，分層梯度明顯，且EGR的分層界限更加平直、清晰。由于火花塞布置在氣缸頂部中心位置，因此，這種EGR分層形式下廢氣對燃燒過程的不良影響較小，接近研究預(yù)期實(shí)現(xiàn)的分層形式。但由于并非全程通入EGR，缸內(nèi)平均EGR率有所下降，在壓縮上止點(diǎn)附近缸內(nèi)EGR率最高為20%，最低約為10%，EGR濃度差約為10%。

4 結(jié)論

a) 原機(jī)切向氣道結(jié)構(gòu)形式下的EGR分層偏離了研究預(yù)期的分層效果，原因是缸內(nèi)滾流運(yùn)動在壓縮沖程中被嚴(yán)重削弱;

b) 采用切向氣道與螺旋氣道相結(jié)合的氣道結(jié)構(gòu)形式，可以在進(jìn)氣過程形成更加規(guī)則的滾流，滾流在整個壓縮沖程中保持性良好，有利于實(shí)現(xiàn)研究預(yù)期形式的EGR分層;

c) 采用切向氣道與螺旋氣道相結(jié)合的氣道結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合EGR停止相位優(yōu)化結(jié)果(240°BTDC)，實(shí)現(xiàn)了燃燒室底層EGR濃度較高，可燃混合氣區(qū)域EGR濃度較低且分層梯度明顯的EGR分層形式，EGR率最高約為20%，最低約為10%，EGR濃度差為10%。

[1] Groves W N,BjorkhaugM.Stratified Exhaust Gas Recirculation in a SI Engine[C].SAE Paper 860318,1986.

[2] Koji Morita,Yukihiro Sonoda,Takashi Kawase.Emission Reduction of a Stoichimetric Gasoline Direct Injection Engine[C].SAE Paper 2005-01-3687.

[3] 姚春德,劉增勇,盧艷彬，等.四氣門汽油機(jī)分層EGR的試驗研究[J].工程熱物理學(xué)報,2005(6)：1053-1056.

[4] 韓林沛，洪偉，楊俊偉，等.缸內(nèi)滾流對廢氣再循環(huán)汽油機(jī)性能影響的計算研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2014,(1)：38-44.

[5] 李慧.基于氣道設(shè)計的GDI發(fā)動機(jī)EGR分層效果的仿真研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[6] 宋金甌,姚春德,姚廣濤.汽油機(jī)廢氣滾流分層技術(shù)燃燒放熱規(guī)律的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2006，24(2)：157-161.

[7] Sangmyeong Han,Wai K Cheng.Design and Demonstration of a Spark Ignition Engine Operating in a Stratified-EGR Mode[C].SAE Paper 980122,1998.

[8] Anderas W Berntsson.The Effect of Tumble Flow on Efficiency for a Direct Injected Turbocharged Downsized Gasoline Engine[C].SAE Paper 2011-24-0054.

[編輯：姜曉博]

Optimization of Stratified EGR Intake Port in Gasoline Direct Injection Engine

ZHAO Yun-long，HONG Wei，LI Hui，XIE Fang-xi

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

In order to realize the EGR stratification of air-fuel mixture surrounded by the exhaust gas and thick exhaust area distributed at the bottom of combustion chamber, the flow field of tangential port and combined port by tangential port and helical port were simulated with the CFD FIRE software to research the potential of EGR stratification and the mechanism of EGR stratification was analyzed from the view of in-cylinder gas flow based on a gasoline direct injection engine.The results indicate that the tangential port cannot realize the anticipated EGR stratification because the tumble flow weakens during the compression stroke.On the contrary, the combined port has better stability and can realize about 10% gradient of EGR stratification by combining the adjustment of EGR phase.Accordingly, the developed EGR stratification realizes the anticipated effect.

intake port; gasoline engine; EGR; stratification; flow field analysis

2014-09-10；

2015-01-13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”資助項目(2012AA111702)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51276080，51206059);吉林省科技引導(dǎo)計劃青年科研基金項目(20140520128JH)

趙云龍(1990—)，男，碩士，主要研究方向為汽油機(jī)節(jié)能技術(shù)體系開發(fā)；uniqueaq@126.com。

謝方喜(1982—)，男，講師，主要研究方向為汽油機(jī)節(jié)能技術(shù)體系開發(fā)；jluxfx@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.013

TK411.5

B

1001-2222(2015)02-0061-05