引射式EGR系统文丘里管内流动数值模拟分析

1 前言

废气再循环技术是目前降低发动机NOx排放的主要措施之一，对于增压柴油机而言，由于其空燃比较大，可以实现较大的EGR率。但增压直喷柴油机由于其进气管平均压力高于排气管平均压力，废气不能自动从排气管流向进气管，所以实现废气再循环增加了其特有的难度。增压柴油机要采用EGR技术改善NOx排放性能，必须采用特殊方法克服排气管与进气管之间的压力逆差，才能将足够量的废气送入进气管，从而实现废气再循环。克服压力逆差可通过提高排气压力、进气节流或降低进气压力的方法实现。在进气管加装文丘里管，可以降低EGR接口处的进气压力，因此采用文曲里管EGR系统能较方便的在大工况下实现废气再循环，并且附加泵气损失少，成本低，有很大的优越性。本文以YC6105ZLQ型增压柴油机EGR系统为研究模型，运用CFD—Fluent对文丘里管的设计参数，增压空气和EGR废气在文丘里管内部的流动状态及混合情况进行数值模拟。

2 引射式文丘里管工作原理

文丘里管从结构上分为收缩段、混合段和扩压段三部分，文丘里管示意图见图1，增压柴油机结构简图如图2所示。从流体力学和工程热力学原理可知，在亚音速范围内，气体在收缩形通道内流动，气流会加速，马赫数增大，压力、温度和密度都会下降，这个过程成为膨胀过程。

图1 文丘里管示意图

如果亚音速气流在扩张形通道内流动，则气体必然会减速，马赫数减小，压力、温度和密度都升高，这个过程成为压缩过程。文丘里管就是利用这个机理进行工作的，当气体在收缩管内流动时，进行的是一个膨胀过程，在喉管处会形成一个较低的压力，这就能将废气从涡轮前引射进入柴油机进气管，从而实现废气再循环，另外如果在柴油机进气量较大的工况，可以合理控制图2中的蝶阀来调整通过文丘里管的空气流量，但控制复杂性也相对增加。空气和废气的混合气在扩压段内的流动是一个压缩过程，其压力会上升，这样流动损失会较小。所以文丘里管在不消耗机械功率的情况下具有引射功能。

图2 发动机结构简图
1 增压器 2 中冷器 3 发动机 4 EGR 冷却器 5 EGR阀 6 文丘里管（标记红色） 7 蝶阀

3 求解方法与边界条件

利用三维数值模拟手段，对文丘里管引射式EGR系统的流动情况作进一步分析。文丘里管实际尺寸，建立的具有引射口文丘里管网格如图3所示，网格总数706529，EGR引射口共分2列，每列7个，沿圆周均匀分布，入射角度与水平方向成60°，计算域中的EGR引射口网格经过细化处理，如图4所示。计算过程中认为气体在文丘里管内部的流动状态是三维不可压缩粘性湍流流动，EGR废气与增压空气无化学反应，存在热交换作用。选用标准k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法，分别对进口为空气，引射口EGR率为15%和30%时的文丘里管内部流动过程进行数值计算。计算过程中设定质量流量为空气入口以及EGR废气入口的边界条件，空气入口温度323k，流量0.152kg/s，EGR废气入口温度433k。设定文丘里管扩压段出口为压力边界条件。文丘里管壁面边界采用标准壁面函数法求解。

图3 引射式文丘里管计算网格

图4 EGR引射口位置的计算网格

计算过程中，EGR率定义为进入文丘里管的EGR废气质量与进入文丘里管的新鲜空气和EGR废气的总质量之比，EGR率的计算式为

式中ηEGR表示EGR率，Gr表示EGR废气质量流量，Ga表示空气质量流量。

4 引射式文丘里管内部流动过程的计算分析

4.1 文丘里管速度场分析

图5是文丘里管在不同EGR率时内部流动速度场分布。由图中可以看到，在不同EGR率引射情况下，扩压段尾部管壁面附近始终存在一个较大的边界层分离区域，位置在距离文丘里管进口面320mm处，这将导致文丘里管压力恢复系数减小。根据计算结果认为，分离区产生的原因是文丘里管扩压角过大引起的，文丘里管扩压角的设计为13°（混合段直径24mm），使得管内流动发生边界层分离现象。若设计满足大EGR率文丘里管，在保持文丘里管各段长度以及扩压段出口面直径不变的条件下，扩压角应适当减小，即增大混合段出口处直径，可以避免出现边界层分离现象。在计算中发现，将原文丘里管混合段出口直径增加4mm，在边界层出现的分离区消失。另外在图5的e和f图中可以发现，EGR废气从引射口进入混合段后，由于流速小于空气的流速，因此射流不能立刻与空气进行迅速混合，随着流动的发展，当二者速度逐渐接近时，混合均匀度逐渐明显。[page]

图5 文丘里管内速度场分布

4.2 文丘里管压力场分析

图6 文丘里管内静压力变化

喉口面积决定了文丘里管的引射能力，在文丘里管收缩喷嘴入口面积不变的条件下，喉口面积越小，其引射能力越强。但如果喉口面积太小，会发生壅塞现象。通过计算发现，设计的文丘里管扩压段对中低EGR率混合气的压力恢复效果良好。但EGR率的增加意味着更多的EGR废气从引射口引入文丘里管，壅塞效果导致的压力损失也越大，图6是文丘里管内静压力变化，随着EGR率的增大，文丘里管扩压段的压力恢复情况越差。在ηEGR＝0.15时，文丘里管进出口的压力差在20kpa左右。当ηEGR＝0.3时，文丘里管进出口的压力差在30kpa左右，相比之下压力损失增加大约10kpa。因此为了满足柴油机实现大EGR率，文丘里管混合段的喉口直径应适当增加，若将原文丘里管混合段出口直径增加4mm，在ηEGR＝0.15时，文丘里管进出口的压力差在12.5kpa左右，在ηEGR＝0.3时，文丘里管进出口的压力差在23kpa左右。

4.3 不同EGR率条件下再循环废气与空气混合情况及浓度分布

(b) 文丘里管XY轴截面混合情况
图7 EGR废气在文丘里管内与空气的混合情况

不同EGR率引射量直接影响了EGR废气与空气的混合程度，同时对文丘里管内的压力、气体粘度等参数也有较大影响。图7是EGR废气在文丘里管内与空气的混合情况分布，云图中深蓝色区域表明空气浓度较高，红色区域表明EGR废气浓度较高，从图中可以发现EGR废气与空气的初始混合只在混合段的边界层附近区域。EGR率越大，EGR废气引射量也就越大，将导致与空气的混合历程增加，混合区域和历程越大，则需要在文丘里管扩张段更远的地方才能与空气混合均匀。因此，为了满足更大EGR率的需要，同时也缩短EGR废气与空气的混合时间，文丘里管EGR引射口数量或引射口直径可以适当增加，并且可以将混合段前排EGR引射口与后排引射口交措分布，以提高EGR废气与空气的混合均匀度，有利于EGR废气在进气系统中均匀混合，促进柴油机各缸EGR率均匀一致。图8是EGR废气在文丘里管内的质量浓度分布，从图中也可以发现ηEGR＝0.3时的EGR废气与空气在文丘里管内的混合距离要比ηEGR＝0.15时的距离要大。因此也可以认为在设计文丘里管扩压段时，为了满足大EGR率要求，可以适当增加扩压段的长度。

图8 EGR废气在文丘里管内的质量浓度分布

4 结论

1)EGR率对文丘里管压缩段前的初始压力恢复效果有较大影响，EGR废气引射量越大，压力恢复效果就越差。为了满足大EGR率的要求，在保持扩压段长度不变的条件下，文丘里管扩压角可以适当减小，即增大混合段喉口出口处直径，另外EGR引射口直径可以适当增大，引射口的数量也可适当增加。