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1、进气管EGR分配均匀性的1D-3D耦合计算分析1D-3D Coupled Analysis of EGR Uniformity in an Intake manifold陈群宋涛杨文蕾（一汽技术中心，吉林省长春市130011）摘 要:换气过程中，再循环废气在各缸的分配均匀性直接影响 到发动机的性能和排放。实现EGR分配均匀性的关键在于根据进气 管的结构特点合理选择EGR注入点的位置，这需要借助模拟分析手 段来实现。目前比较有效的方式是采用一维和三维耦合计算来解决， 本文以某四缸柴油机进气管为例，采用1D-3D耦合计算的方法对 EGR注入点的位置及出口方向进行优化，提高了 EGR气体在各缸的 分
2、配均匀性，使其满足设计要求。关键词关键词:进气管，EGR分配均匀性，耦合计算分析AbstractAbstract: EGR has a very important and direct effect o n the engine performance and exhaust performance. The CAE/CF D method is very helpful to find the appropriate EGR position on th e intake manifold. The 1D-3D coupled analysis has been performe d on
3、 an intake manifold of a four-cylinders diesel engine to optimiz e the EGR position. After optimization, the EGR uniformity has bee n improved and met the requirements of design.Keywords:Keywords: intake manifold, EGR uniformity, coupled analysis为了满足日益严格的排放法规要求，采用废气再循环（EGR） 降低NOx排放的是非常有效的技术措施。在换气过程中
4、，再循环废 气在各缸的分配均匀性直接影响发动机的性能和排放。本文采用1D 和3D耦合计算分析的方法，对3.0L柴油机的进气管进行研究，根 据进气管的结构特点优化EGR注入点的位置和开口方向，实现EGR 气体的分配均匀性，更好地降低NOx排放。1基础模型模拟结果基础模型模拟结果本文研究的3.0L柴油机的基本技术参数见表1。该发动机采用 外部冷EGR技术措施来降低NOx排放，满足欧V排放法规要求。表|某.顽一柴油机主璧技术参数型式直列四屁、水冷、增压应径.冲程l：li：lF .,.l：li：li排量2.LJLJL压缩比17:1最大功率103.7kW 2750rpm最大招矩整 14OO-2Smrpi
5、i最低比油耗小5* In1.1计算模型及计算方法该柴油机带有EGR的进气管三维几何模型如图1所示，为了更 准确的模拟进气管内的气体流动情况，新鲜空气流通管路和EGR的 流通管路取得比较长，EGR的注入点在进气歧管入口的上方，废气 通过三个小孔进入进气总管，图中的管路端部深色域为和1D软件进 行耦合计算交换数据的流体区。新鲜空气入口图I带有三管路的进气管模型EGR的注入点为3个小孔发动机换气过程一维模拟的计算模型采用GT-POWER软件来 建立，模型中进气管相应的端口采用可进行耦合计算的元件来建立。 进气管的三维计算模型采用四面体网格划分，在贴近壁面处拉伸边界 层，计算网格大约37万。求解器为S
6、TAR-CD软件，计算过程中认 为气体在进气管内的流动是非稳态，可压缩的湍流流动，采用标准的 k-W高雷诺数湍流方程，隐式算法，一阶迎风差分格式。1D模型和 3D模型在耦合计算过程中的对应关系如图2所示。邵分.模型图？螺合计算的1D和五）模型对应关系在1D和3D耦合计算过程中，GT-power软件将质量流量作为 边界条件传递给STAR-CD，STAR-CD软件将计算得到压力作为边界条件传回GT-power。这样，通过二者在接口流体段内时时物理量 信息的传递，可以模拟出换气过程中EGR气体在各缸的分配均匀性 以及进气管内的三维流动对发动机换气过程影响。计算工况点为发动机转速3200rpm的全负荷
7、工况，日标EGR率 为 10%。1.2基础模型的耦合计算结果分析图3为模拟计算得到的各缸EGR率。平均EGR率为9.30%, EGR率的最大值和最小EGR之差（以下记作MED,Maximum EGR Rate Deviation）为 1.91 %，是平均 EGR 率的 20.53%（记作RMED,定义为MED与平均EGR率之比），EGR率 的均匀性比较差。图基础模型的各应皿以率分配1211109S765 d 3 2 1 0图4和图5分别是不同时刻各缸进气时瞬时EGR浓度和气体速 度矢量总体分布和在通过进气容积强中心剖面上分布情况图。图6为 不同剖面上的平均EGR浓度分布。从这三个图中可以看出，
8、受EGR 注入点的位置和新鲜空气气流方向的影响，3缸和4缸的EGR率相 对于其它两缸要高，需要调整EGR注入点的位置，改善1缸和2缸 的EGR与新鲜空气的混合情况，提高EGR率。_ JHr _L I.L-s? 8.-.一二慕顼集芭能丑3三二.芬厢池陂隔君画步刘Tn 莒-nA 5.sr顼pnT或.A ?)lu君鼎项 ： IIl il.i C-l-B剖面剖面图h制面上的平均浓度分布2基础模型模拟结果2.1改进模型结构根据上面的分析，对EGR注入点的位置和结构进行调整，见图 7。主要变化为：将EGR的注入点由原来的三个小孔引入改成与空 气来流垂直的一个直管引入；直管的开口方向朝向进气容积腔的中间 位
9、置；直管的插入的深度接近空气进气总管的中心线高度。Cxi I图飞改进模型的试很注又点位置和结构2.2改进模型的计算结果分析对改进EGR注入点位置和结构进气管模型按照相同的工况进行 耦合计算，下面对结果进行分析。图7为图4是不同时刻各缸进气 时瞬时EGR浓度和气体速度矢量分布图。图8为不同剖面上的平均 EGR浓度分布。从这两个图中可以看出，改进后的EGR气体在进入 进气总管后与新鲜空气的混合比较均匀，而且在各缸进气过程中 EGR浓度不均匀性变化比较小。图9为模拟计算得到的各缸EGR率与基础方案的比较。改进后 平均EGR率为9.29%, EGR率的最大值和最小EGR之差MED为 0.94%, RM
10、ED为10.12%。与基础方案相比，EGR气体在各缸的 分配不均匀性有很大改善。i-T-2701 CAr aT=450 CACA.I):缸进气3 JaIFAAT日 sIFr, :,llnAsiuliwx Mkc:3lA赏 WMU图、各R进气过程中的】s犬浓度及速度矢量分布E工诚与空气的腹合比较均匀图剖面上的平均】5显浓度分布图10改进前后各应平均EGR率比较12 11 10 g 8 7 6 5 4 3 2 1 03结论通过对上面3.0L柴油机进气管基础模型和改进模型的EGR分配均匀性耦合计算结果的分析可以得出：(1)采用一维和三维耦合计算分析的方法可以模拟换气过程中EGR气体在各缸的瞬态分配情况；(2)借助耦合计算分析技术，可以优化进气管EGR气体注入 点的位置和结构，提高EGR气体在各缸的分配均匀性，从而有 效降低NOX排放。
