引射式EGR系統文丘里管內流動數值模擬分析
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廢氣再循環技術是目前降低發動機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。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，并且附加泵氣損失少，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，隨著流動的發展，當二者速度逐漸接近時，混合均勻度逐漸明顯。
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