引射式EGR系統文丘里管內流動數值模擬分析
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廢氣再循環(huán)技術是目前降低發(fā)動機NOx排放的主要措施之一，對于增壓柴油機而言，由于其空燃比較大，可以實現較大的EGR率。但增壓直噴柴油機由于其進氣管平均壓力高于排氣管平均壓力，廢氣不能自動從排氣管流向進氣管，所以實現廢氣再循環(huán)增加了其特有的難度。增壓柴油機要采用EGR技術改善NOx排放性能，必須采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(huán)?？朔毫δ娌羁赏ㄟ^提高排氣壓力、進氣節(jié)流或降低進氣壓力的方法實現。在進氣管加裝文丘里管，可以降低EGR接口處的進氣壓力，因此采用文曲里管EGR系統能較方便的在大工況下實現廢氣再循環(huán)，并且附加泵氣損失少，成本低，有很大的優(yōu)越性。本文以YC6105ZLQ型增壓柴油機EGR系統為研究模型，運用CFD—Fluent對文丘里管的設計參數，增壓空氣和EGR廢氣在文丘里管內部的流動狀態(tài)及混合情況進行數值模擬。
2 引射式文丘里管工作原理
文丘里管從結構上分為收縮段、混合段和擴壓段三部分，文丘里管示意圖見圖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，在亞音速范圍內，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 文丘里管示意圖
圖2 發(fā)動機結構簡圖
1 增壓器 2 中冷器 3 發(fā)動機 4 EGR 冷卻器 5 EGR閥 6 文丘里管（標記紅色） 7 蝶閥
利用三維數值模擬手段，對文丘里管引射式EGR系統的流動情況作進一步分析。文丘里管實際尺寸，建立的具有引射口文丘里管網格如圖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里管內部的流動狀態(tài)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，采用SIMPLE算法，分別對進口為空氣，引射口EGR率為15%和30%時的文丘里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。設定文丘里管擴壓段出口為壓力邊界條件。文丘里管壁面邊界采用標準壁面函數法求解。
圖3 引射式文丘里管計算網格
圖4 EGR引射口位置的計算網格
4 引射式文丘里管內部流動過程的計算分析
4.1 文丘里管速度場分析
圖5是文丘里管在不同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(qū)域，位置在距離文丘里管進口面320mm處，這將導致文丘里管壓力恢復系數減小。根據計算結果認為，分離區(qū)產生的原因是文丘里管擴壓角過大引起的，文丘里管擴壓角的設計為13°（混合段直徑24mm），使得管內流動發(fā)生邊界層分離現象。若設計滿足大EGR率文丘里管，在保持文丘里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(fā)現，將原文丘里管混合段出口直徑增加4mm，在邊界層出現的分離區(qū)消失。另外在圖5的e和f圖中可以發(fā)現，EGR廢氣從引射口進入混合段后，由于流速小于空氣的流速，因此射流不能立刻與空氣進行迅速混合，隨著流動的發(fā)展，當二者速度逐漸接近時，混合均勻度逐漸明顯。
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