CN105160131A - 发动机外部egr均匀性耦合计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，包括以下步骤：步骤一、建立发动机一维热力学模型，并在进气歧管及EGR管路的进出口位置处布置交界面耦合节点；步骤二、收集进气歧管及EGR管路的三维几何模型，并对几何模型进行网格划分，设置进气歧管及EGR管路的进出口处的边界为交界面耦合边界；步骤三、运用一维三维耦合方法，将步骤二中的三维几何模型代替步骤一中的一维热力学模型中的进气歧管及EGR管路；步骤四、进行一维三维耦合计算，分析发动机各工况进气歧管出口对应各缸的EGR率与平均值偏差是否满足评价指标。该方法运用一维三维耦合计算发动机各缸的EGR率，根据计算结果评价各缸EGR均匀性是否满足评价指标，从而更准确、快速地指导进气歧管和EGR管路设计。
Description
技术领域
本发明属于发动机开发技术领域，涉及一种汽车发动机换气系统,具体的说，本发明涉及一种发动机外部EGR均匀性耦合计算方法。
背景技术
EGR技术作为一种降低发动机油耗及排放污染物的有效技术越来越多地运用于发动机中，EGR均匀性是影响发动机性能和排放的重要指标。耦合计算发动机各缸EGR率方法，不仅通过一维计算分析了发动机实际工作状况，考虑了进气歧管的动态效应，而且通过三维计算分析了实际的流域，考虑了EGR废气与进气歧管新鲜空气的混合，一维三维耦合分析更能准确地模拟进气歧管及EGR管路的真实内部流动状况，根据耦合计算结果判断各缸的EGR均匀性是否满足评价指标，从而指导进气歧管和EGR管路设计。当前对EGR均匀性的计算方法，通过在三维瞬态流体计算中添加一维边界的方法，一维边界数据的准确性对计算结果影响很大，因此不能用于计算在靠近进气歧管出口处引入EGR废气的结构，使得该EGR均匀性计算方法通用性差。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明提供一种发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，该方法运用一维三维耦合计算发动机各缸的EGR率，根据计算结果评价各缸EGR均匀性是否满足评价指标，从而更准确、快速地指导进气歧管和EGR管路设计。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种发动机外部EGR耦合计算方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立发动机一维热力学模型，并在进气歧管及EGR管路的进出口位置处布置交界面耦合节点；步骤二、收集进气歧管及EGR管路的三维几何模型，并对几何模型进行网格划分，设置进气歧管及EGR管路的进出口处的边界为交界面耦合边界；步骤三、运用一维三维耦合方法，将步骤二中的三维几何模型代替步骤一中的一维热力学模型中的进气歧管及EGR管路；步骤四、进行一维三维耦合计算，分析发动机各工况进气歧管出口对应各缸的EGR率与平均值偏差是否满足评价指标。
本发明方法步骤一中耦合节点被布置在进气歧管及EGR管路的进出口处且流动已经稳定的领域。步骤二中进气歧管及EGR管路的进出口处的边界分为进气歧管入口、EGR管路入口以及进气歧管对应各缸出口。步骤二中，进气歧管及EGR管路的进出口处的边界处拉伸至少五层网格，在对应的各个耦合节点的管路处减去相应的拉伸长度。步骤二中网格划分的尺寸控制为2-6mm。步骤四中一维三维耦合计算具体为：初始化三维几何计算域；进行30循环以上的单纯一维热力学计算，得到稳定的一维热力学结果；进行20个循环以上的一维三维耦合计算，得到稳定的一维三维耦合计算结果。其中，EGR率在一维三维耦合计算的前5个循环设置为关闭。步骤四中各缸的EGR率与平均值偏差计算方法具体为：监测一维热力学模型中各缸的残余废气系数，计算各缸的EGR均匀性，根据废气系数可得EGR率，计算与平均值的偏差。所述一维热力学模型中各缸的残余废气系数计算采用组分映射的方法。
本发明有益效果是:通过以上方法，可以在样件试制以前，在计算机中模拟各种工况下发动机进气歧管及EGR管路的流动并得到发动机各缸EGR均匀性；该耦合计算方法适用于所有类型进气歧管及EGR管路布置结构。提高了研发效率，计算的可信度及通用性。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明的具体实施方式的发动机一维热力学计算模型；
图2为本发明的具体实施方式进气歧管及EGR管路网格模型；
图3为本发明的具体实施方式一维三维耦合热力学计算模型；
图4为本发明的具体实施方式各缸残余废气系数计算循环的曲线；
图5为本发明的具体实施方式的方法流程示意图；
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图5，一种发动机外部EGR耦合计算方法，包括如下步骤：(A)建立发动机一维热力学模型，并在进气歧管及EGR管路的进出口位置处布置交界面耦合节点；(B)收集发动机进气歧管及EGR管路的几何模型，并对几何模型进行网格划分，设置进出口处的边界为交界面耦合边界；建议网格尺寸控制在2～6mm。(C)运用一维三维耦合方法，运用步骤B得到的三维几何模型代替步骤A的一维热力学模型中的进气歧管及EGR管路；(D)进行一维三维耦合计算，并根据一维三维耦合计算结果，得到各缸的EGR均匀性。初始化三维几何计算域；进行30循环以上的单纯一维热力学计算，得到稳定的一维热力学结果；进行20个循环以上的一维三维耦合计算，得到稳定的一维三维耦合计算结果。监测一维热力学模型中各缸的残余废气系数，计算各缸的EGR均匀性，根据废气系数可得EGR率，计算与平均值的偏差。
本方法的基本思想是：一维仿真模拟发动机实际工况，发动机管路被离散为一维的交错网格进行计算，三维仿真模拟进气歧管及EGR管路的三维流动，每一个耦合循环的时间步，一维与三维计算结果在耦合节点处进行数据交换。
图1是发动机的一维热力学计算模型，耦合节点被布置在进气歧管及EGR管路的进出口处且流动已经稳定的区域，为了加快一维三维耦合计算的收敛速度，一维热力学计算设置为单独计算三十个以上循环。
图2是进气歧管及EGR管路的三维网格，为了保证进出口处的流动稳定，在边界处拉伸了五层以上网格，同时，步骤A所述的一维热力学模型中，在各个耦合节点的管路处应该减去相应的拉伸长度。设置进气歧管进出口边界为相对应的一维热力学模型耦合节点，同理设置EGR管路的进口边界。
通常一维热力学的燃烧模型计算生成的气体组分多达十几种，产生的部分废气通过EGR管路进入进气歧管内，为了加快三维计算的收敛性与速度，一维计算采用了组分映射的方法，该方法将质量分数低的组分添加到氮气组分中，而质量分数相对较高的组分不变，这样在三维计算时只需考虑质量分数相对较高的气体组分。
图3是一维三维耦合热力学模型，为了防止耦合计算刚开始时，EGR率骤变影响EGR控制，EGR控制率在耦合计算的前五个循环设置为关闭，一维三维耦合计算步数设置为20个循环以上。
图4是各缸监测到的残余废气系数，该系数直观地反应了各缸的EGR率，根据该系数可以得到各缸EGR率与平均值的偏差。
通过本发明的技术方案，可以在样件试制以前，在计算机中模拟各种工况下发动机进气歧管及EGR管路的流动并得到各缸EGR均匀性；该耦合计算方法适用于所有类型进气歧管及EGR管路布置结构。提高了研发效率，计算的可信度及通用性。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、建立发动机一维热力学模型，并在进气歧管及EGR管路的进出口位置处布置交界面耦合节点；
步骤二、收集进气歧管及EGR管路的三维几何模型，并对几何模型进行网格划分，设置进气歧管及EGR管路的进出口处的边界为交界面耦合边界；
步骤三、运用一维三维耦合方法，将步骤二中的三维几何模型代替步骤一中的一维热力学模型中的进气歧管及EGR管路；
步骤四、进行一维三维耦合计算，分析发动机各工况进气歧管出口对应各缸的EGR率与平均值偏差是否满足评价指标。
2.根据权利要求1所述的发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，其特征在于，所述步骤一中耦合节点被布置在进气歧管及EGR管路的进出口处且流动已经稳定的领域。
3.根据权利要求1所述的发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，其特征在于，所述步骤二中进气歧管及EGR管路的进出口处的边界分为进气歧管入口、EGR管路入口以及进气歧管对应各缸出口。
4.根据权利要求3所述的发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，其特征在于，所述步骤二中，进气歧管及EGR管路的进出口处的边界处拉伸至少五层网格，在对应的各个耦合节点的管路处减去相应的拉伸长度。
5.根据权利要求1所述的发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，其特征在于，所述步骤二中网格划分的尺寸控制为3～6mm。
6.根据权利要求1所述的发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，其特征在于，所述步骤四中一维三维耦合计算具体为：初始化三维几何计算域；进行30循环以上的单纯一维热力学计算，得到稳定的一维热力学结果；进行20个循环以上的一维三维耦合计算，得到稳定的一维三维耦合计算结果。
7.根据权利要求6所述的发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，其特征在于，EGR率在一维三维耦合计算的前5个循环设置为关闭。
8.根据权利要求1所述的发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，其特征在于，所述步骤四中各缸的EGR率与平均值偏差计算方法具体为：监测一维热力学模型中各缸的残余废气系数，计算各缸的EGR均匀性，根据废气系数可得EGR率，计算与平均值的偏差。
9.根据权利要求8所述的发动机外部EGR均匀性耦合计算方法，其特征在于，所述一维热力学模型中各缸的残余废气系数计算采用组分映射的方法。
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