引射式EGR系統文丘裡管內流動數值模擬分析

1 前言

廢氣再循環技術是目前降低發動機NOx排放的主要措施之一，對於增壓柴油機而言，由於其空燃比較大，可以實現較大的EGR率。但增壓直噴柴油機由於其進氣管平均壓力高於排氣管平均壓力，廢氣不能自動從排氣管流向進氣管，所以實現廢氣再循環增加了其特有的難度。增壓柴油機要採用EGR技術改善NOx排放性能，必須採用特殊方法克服排氣管與進氣管之間的壓力逆差，才能將足夠量的廢氣送入進氣管，從而實現廢氣再循環。克服壓力逆差可通過提高排氣壓力、進氣節流或降低進氣壓力的方法實現。在進氣管加裝文丘裡管，可以降低EGR接口處的進氣壓力，因此採用文曲裡管EGR系統能較方便的在大工況下實現廢氣再循環，並且附加泵氣損失少，成本低，有很大的優越性。本文以YC6105ZLQ型增壓柴油機EGR系統為研究模型，運用CFD—Fluent對文丘裡管的設計參數，增壓空氣和EGR廢氣在文丘裡管內部的流動狀態及混合情況進行數值模擬。

2 引射式文丘裡管工作原理

文丘裡管從結構上分為收縮段、混合段和擴壓段三部分，文丘裡管示意圖見圖1，增壓柴油機結構簡圖如圖2所示。從流體力學和工程熱力學原理可知，在亞音速範圍內，氣體在收縮形通道內流動，氣流會加速，馬赫數增大，壓力、溫度和密度都會下降，這個過程成為膨脹過程。

圖1 文丘裡管示意圖

如果亞音速氣流在擴張形通道內流動，則氣體必然會減速，馬赫數減小，壓力、溫度和密度都升高，這個過程成為壓縮過程。文丘裡管就是利用這個機理進行工作的，當氣體在收縮管內流動時，進行的是一個膨脹過程，在喉管處會形成一個較低的壓力，這就能將廢氣從渦輪前引射進入柴油機進氣管，從而實現廢氣再循環，另外如果在柴油機進氣量較大的工況，可以合理控制圖2中的蝶閥來調整通過文丘裡管的空氣流量，但控制複雜性也相對增加。空氣和廢氣的混合氣在擴壓段內的流動是一個壓縮過程，其壓力會上升，這樣流動損失會較小。所以文丘裡管在不消耗機械功率的情況下具有引射功能。

圖2 發動機結構簡圖
1 增壓器 2 中冷器 3 發動機 4 EGR 冷卻器 5 EGR閥 6 文丘裡管（標記紅色） 7 蝶閥

3 求解方法與邊界條件

利用三維數值模擬手段，對文丘裡管引射式EGR系統的流動情況作進一步分析。文丘裡管實際尺寸，建立的具有引射口文丘裡管網格如圖3所示，網格總數706529，EGR引射口共分2列，每列7個，沿圓周均勻分布，入射角度與水平方向成60°，計算域中的EGR引射口網格經過細化處理，如圖4所示。計算過程中認為氣體在文丘裡管內部的流動狀態是三維不可壓縮粘性湍流流動，EGR廢氣與增壓空氣無化學反應，存在熱交換作用。選用標準k-ε湍流模型，採用SIMPLE算法，分別對進口為空氣，引射口EGR率為15%和30%時的文丘裡管內部流動過程進行數值計算。計算過程中設定質量流量為空氣入口以及EGR廢氣入口的邊界條件，空氣入口溫度323k，流量0.152kg/s，EGR廢氣入口溫度433k。設定文丘裡管擴壓段出口為壓力邊界條件。文丘裡管壁面邊界採用標準壁面函數法求解。

圖3 引射式文丘裡管計算網格

圖4 EGR引射口位置的計算網格

計算過程中，EGR率定義為進入文丘裡管的EGR廢氣質量與進入文丘裡管的新鮮空氣和EGR廢氣的總質量之比，EGR率的計算式為

式中ηEGR表示EGR率，Gr表示EGR廢氣質量流量，Ga表示空氣品質流量。

4 引射式文丘裡管內部流動過程的計算分析

4.1 文丘裡管速度場分析

圖5是文丘裡管在不同EGR率時內部流動速度場分布。由圖中可以看到，在不同EGR率引射情況下，擴壓段尾部管壁面附近始終存在一個較大的邊界層分離區域，位置在距離文丘裡管進口面320mm處，這將導致文丘裡管壓力恢復係數減小。根據計算結果認為，分離區產生的原因是文丘裡管擴壓角過大引起的，文丘裡管擴壓角的設計為13°（混合段直徑24mm），使得管內流動發生邊界層分離現象。若設計滿足大EGR率文丘裡管，在保持文丘裡管各段長度以及擴壓段出口面直徑不變的條件下，擴壓角應適當減小，即增大混合段出口處直徑，可以避免出現邊界層分離現象。在計算中發現，將原文丘裡管混合段出口直徑增加4mm，在邊界層出現的分離區消失。另外在圖5的e和f圖中可以發現，EGR廢氣從引射口進入混合段後，由於流速小於空氣的流速，因此射流不能立刻與空氣進行迅速混合，隨著流動的發展，當二者速度逐漸接近時，混合均勻度逐漸明顯。