白文涛，王雪琦，崔志军，陈文轩，胡晓宇

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616）

0 引言

在全国各个铁路局中，内燃机车的保有量仍然不小，而随着排放标准的不断提高，机车用柴油机的氮氧化物值越来越难满足要求，所以现在为了降低排放物中氮氧化物的含量采用了很多技术[1]。如选择性催化还原（SCR），该方案是将还原剂尿素或氨参入排放的尾气中，最后经过一系列化学反应生成氮气和水，这两种绿色无污染物质；也有使用机内进化措施降低氮氧化物的排放，如改进进气系统和燃烧室形状、推迟燃油提前角、高压多段喷射、废气再循环（EGR）、加乙醇燃烧等等，本研究的是EGR技术在降低氮氧化物碰到的实际问题，其中一个最主要的就是在某些情况时，增压柴油机存在进气压力大于排气压力大，导致无法将废气顺利导入到进气系统中，这就使得在部分工况下废气再循环系统无法工作[1]。对于该问题，拟设计一款文丘里管将废气顺利引入进气系统中，让某机车增压柴油机在所有工况下能够顺利进行废气再循环，从而降低氮氧化物的排放量。

1 文丘里管的设计原理

文丘里管的工作原理和引射器差不多，是一种缩扩型喷管结构。按照气体的流动方向，文丘里管由收缩喷嘴段、喉口混合段和扩压段三部分组成，图1为文丘里管的结构简图。

图1 文丘里管结构简图

气体由进气管流入，开始进入收缩段，由于直径减小在收缩段内有一个气体压缩过程，气体流动速度加快，马赫数增加，并且气体的密度、压力和温度都会减小；然后进入喉口混合段，此时气体压力应该降到了废气引入管以下形成背压环境，使得废气能够顺利进入进气管与新鲜空气充分混合，当废气与新鲜空气在喉口混合段完成了混合之后，马上就进入扩压段，进入扩压段的气体此时也处于亚音速的情况下，气体压力慢慢上升，温度和密度都增加，气体流动速度变小，气体完成膨胀阶段[2]。就是这个原理的作用，使得在收缩段，气体压力不断减小直到降至废气压力以下，这就让废气压力在压力查的推动下顺利进入到进气管，从而实现了废气引入。同时，在气体膨胀过程中，压力提高，不至于引起进气压力的大幅度下降，减小了压力损失，并且配合其他的方法，文丘里管还能在不消耗机械功的前提下进行废气引入与混合[3]。

文丘里管有并联与串联两种连接方式，处于对柴油机尺寸和结构的考虑，选用了并联的方式连接，文丘里管的进口连在压气机的出口端，文丘里管的出口连在涡轮机的进口端。

2 文丘里管基本参数计算

增压柴油机在高负荷、高转速下，进气压力相对排气压力较高，所以选择柴油机在100%负荷下转速为1000 r/min作为参考工况，对文丘里管结构参数进行计算设计，边界条件为；文丘里管进口段与出口端的直径与进气管的直径相等d1=d2=160 mm，压气机出口端压力p1=0.32 MPa，空气温度T=340 K，进气流量m=2.12 kg/s，涡轮机进口段压力p=0.253 MPa，R为气体常数，这里取值287 J/（kg·K），κ取值1.4，将进气压力与废气压力的压差设置为△p=5×104Pa使用上述公式可得到：

气体密度：

气体流速：

当地音速：

马赫数：

由马赫数结合气体动力函数表，使用线性插值法可以得：

上式中：Acr为临界截面积，mm2；dcr为临界直径。

涡轮机前端的背压对文丘里管喉口混合段的压力值起关键性作用，那么喉口设计压力：

根据计算结果查询气体动力函数表，加上线性插值法算出：

选取收缩段的锥角为24°，使之符合锥角在10°～40°的合理范围。

选取扩压段锥角为14°，使之符合锥角在11°～18°的合理范围。

其二维草图如图2所示，二维模型如图3所示。

图2 文丘里管二维建模草图

3 对设计的文丘里管进行校核

使用Catia三维建模软件构建出图3中文丘里管的三维模型。并将这个模型导入Fluent软件进行网格的划分和模拟计算。在Fluent中需要设置流体物质、明确求解计算模型和湍流模型、设置边界条件等等，在此次流体计算过程中将文丘里管里面的气体视为三维不可压缩黏性湍流流动，求解器模型选择SIMPLE算法，湍流模型使用模型，认为EGR中引入的废气与新鲜空气混合不发生化学反应，只有能量交换。

图3 文丘里管的三维模型

采用100%负荷、EGR率为5%时的柴油机工况进行三维模拟仿真。将文丘里管进口和废气引入管进口的质量流量分别作为进口边界，如图4所示，文丘里管的出口设置为压力出口，质量流量和出口压力的数值在GT-power一维仿真的后处理中可得到，如表1所示。

图4 Fluent中文丘里管网格划分

表1 文丘里管模型设置数据

通过Fluent模拟，得到如图5、图6所示的压力场和速度场。

图5 文丘里管外表Fluent压力场分布

图6 文丘里管截面Fluent速度场分布

由图可知，采用100%负荷、EGR率为5%时的柴油机工况下的压力分布梯度很明显，从文丘里管进口处的0.32 MPa降低到了在喉口混合段的0.242 MPa左右，满足了低于废气引入管内压力的引入要求，并且降低值明显小于ω=30°时的0.12 MPa，能量损失较小，且在废气引入过与喉口段的交界处的局部低压区相比ω=30°时有所减小，在扩压段的过程中压力渐渐恢复到了0.27 MPa，在文丘里管的出口处每一处地方的压力也都达到了一样。在速度矢量图上能够看出，在扩压段外围的低速区消失，在中间部分出现低速区，且呈抛物线，基本满足废气再循环的要求。

4 使用GT-power软件对设计的文丘里管进行模拟仿真

确定了文丘里管的结构参数之后，在GT-power中建立模型。如图7所示，在GT-power中将会把文丘里管分成三段，压缩段和扩压段用锥形管来代替，喉口混合段和废气引入管作为一个整体代替。且会在压气机之后的进气管内和废气引入管内加装两个阀门，前者称为进气管EGR阀，用来控制进气量。后者称为排气管EGR阀（即废气旁通阀），如图7所示，随着气阀开启角的增加，废气引入会增加，那么进气中废气比例上升，所以EGR率会逐渐增加，以此原理来控制废气的引入量以达到控制EGR率的目的。运行该模型进行模拟仿真，并且将模拟结果与原机进行比较。

图7 增加EGR系统后机车增压柴油机GT-Power模型

表2 模拟结果与原机比较

通过比较数据得出：通过计算设计出的文丘里管基本能够实现将废气顺利引入进气系统中，克服排气管与进气管之间的压力逆差，但是随着废气再循环系统的使用，柴油机氮氧化物的排放得到降低，但是功率、扭矩有所降低，油耗也略微升高。

5 结语

（1）增压柴油机要采用废气再循环技术改善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，才能将足量的废气送入进气管，从而实现废气再循环，并且可以根据柴油机的性能参数进行计算设计与校核。

（2）通过对增压柴油机排放特性分析，可以看出100%负荷时，在增压柴油机中加入EGR可以充分降低NOx排放量；但是相应的功率、扭矩有所降低，油耗和碳烟的排放升高。