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摘要
【目的】当汽油机工作在低速小负荷时，均质EGR（exhaust gas recirculation）的引入可降低泵气损失以及NO_(x)排放量，但均质EGR率过高，会使燃烧恶化，为了提高发动机对EGR的忍耐度，可采用EGR分层技术；同时，由于进气流速较低且缸内气流无法得到有效组织，点火时刻缸内湍动能较低，导致燃烧速度慢，热效率低，为改善这一情况需提高进气流速且有效组织缸内气流。因此，将一台摩托车用汽油机的进气旁通系统改造为EGR系统，以期在缸内实现EGR分层的同时提高点火时刻缸内总体流动特征参数。 【方法】采用理论推导、一维热力学数值模拟、三维缸内流动模拟相结合的方式，依次搭建了带有EGR的发动机GT-POWER一维计算模型、发动机第一缸CONVERGE三维计算模型。根据废气入射管道设计参数：安装角度θ、安装距离δ、管道直径d设置了8个对照方案，使用GT-POWER求解出各方案初始条件、边界条件，并将这些条件分别导入各方案CONVERGE模型中进行求解；管道参数对缸内流动的影响通过缸内流动总体特征参数来衡量，对EGR分层的影响通过缸内废气质量分数云图、速度场云图来衡量；最优参数根据EGR分层效果和缸内流动总体特征参数来确定。 【结果】① 高速废气射流使得各EGR方案缸内湍动能远高于原机，当θ≥17.5°时，湍动能最大可达67 m~(2)/s~(2)，是原机的3.4倍。在点火时刻附近，得益于压缩后期缸内滚流破碎，湍动能衰减延缓，导致EGR方案湍动能显著高于原机，各方案湍动能最小仍可达18 m~(2)/s~(2)（θ=11°）为原机的2.3倍。同时，在高速废气射流的作用下，缸内气流得到有效组织，进气下止点处涡流比最大为3.4，点火时刻涡流比最小为2.2（θ=11°），而原机在整个进气阶段的滚流比和涡流比基本为0。② 安装角度θ过大或者过小均会使废气射流受到的干涉增强，导致能量损耗增加，不利于提高点火时刻缸内湍动能。当安装角度比较适中，如θ=17.5°时，点火时刻缸内湍动能为27.4 m~(2)/s~(2)，均高于θ=11°（18.3 m~(2)/s~(2)）、θ=15°（24.4 m~(2)/s~(2)）、θ=19°（27.0 m~(2)/s~(2)）方案。减小安装距离δ在提高湍动能的同时会显著降低涡流比，δ=7 mm时点火时刻湍动能最大值比δ=22 mm增大了36.2%，但δ=22 mm时涡流比最大值是δ=7 mm时的4.9倍。管径d越大，点火时刻湍动能、涡流比、滚流比也越大，d=5 mm时，点火时刻附近湍动能为d=3 mm时的1.8倍。③ 对比缸内速度场，从进气开始到点火时刻，方案7，8均能在缸内形成径向速度分层且整体速度高于其他方案。对比缸内废气质量分数分布，方案6，7，8均能在点火时刻实现EGR分层，高EGR率区域主要集中于气缸中心区域，低EGR率区域主要分布于火花塞附近与燃烧室顶部，两者EGR率相差约10%。 【结论】结合废气入射管道参数对EGR分层效果、缸内流动总体特征参数的影响与管道实际加工可行性，选择方案7（θ=17.5°，δ=22 mm，d=5 mm）为最优方案，该方案在实现缸内EGR分层的同时可提高点火时刻缸内总体流动特征参数。
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