基于廢氣重吸策略的柴油機(jī)IEGR排氣副凸輪仿真設(shè)計(jì)*

褚超美，顏庭源，凌建群，李 進(jìn)

(1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093; 2.上海柴油機(jī)股份有限公司研發(fā)中心，上海 200438)

前言

隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，圍繞著降低柴油機(jī)NOx排放物問題，開展了諸多減排技術(shù)方法的研究。結(jié)果表明，廢氣再循環(huán)技術(shù)(exhaust gas recirculation，EGR)是降低NOx排放物最有效的措施之一。根據(jù)EGR的廢氣回流方式，將EGR技術(shù)分為機(jī)外EGR和機(jī)內(nèi)EGR(internal exhaust gas recirculation，IEGR)兩種形式。由于機(jī)外EGR技術(shù)對(duì)于高負(fù)荷時(shí)平均進(jìn)氣壓力高于排氣壓力的增壓柴油機(jī)難以實(shí)現(xiàn)，且廢氣中所含硫酸鹽成分會(huì)對(duì)途經(jīng)管道和渦輪增壓器造成腐蝕，導(dǎo)致系統(tǒng)耐久性下降，加之維修成本高、占有空間大等諸多因素，使機(jī)外EGR技術(shù)在一些發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用受到了限制［1］，而IEGR技術(shù)是一種對(duì)增壓柴油機(jī)“副作用”相對(duì)較小的、有效且可靠的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)。

1 廢氣重吸策略的IEGR方法

IEGR分為廢氣殘留和廢氣重吸兩種策略，目前廢氣殘留最為常見的方法是通過(guò)減小氣門重疊角，將一部分廢氣殘留在氣缸里［1］。這一策略有兩種實(shí)現(xiàn)的途徑，一是通過(guò)減小進(jìn)、排氣凸輪的持續(xù)角，因此會(huì)增加凸輪型線可靠性設(shè)計(jì)的難度;二是應(yīng)用可變凸輪軸相位器(VCP)調(diào)整氣門重疊角，須另外增加調(diào)整裝置［2］，但最終都難以準(zhǔn)確地控制EGR率，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)性能與排放控制的最佳平衡。

廢氣重吸策略和殘留策略在利用廢氣抑制NOx排放方面有相同的作用，實(shí)現(xiàn)方法不是減少?gòu)U氣的排出，而是在排氣凸輪軸上合理地增設(shè)一副凸輪(如圖1所示)，利用氣體流動(dòng)的特性，在進(jìn)氣行程，依靠排氣副凸輪形狀的控制，使排氣門再次開啟，將已經(jīng)排入排氣管中的廢氣，依靠缸內(nèi)外的壓差，重新吸回缸內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)IEGR。這種方法可對(duì)廢氣導(dǎo)入時(shí)刻和導(dǎo)入量進(jìn)行控制，在不增加成本和降低系統(tǒng)可靠性的前提下，最大限度地兼顧各項(xiàng)性能。

由于排氣副凸輪獨(dú)立于排氣凸輪和排氣過(guò)程，因此可在不改變?cè)髋艢馔馆喌臈l件下，通過(guò)對(duì)副凸輪的合理設(shè)置，準(zhǔn)確地控制廢氣返回量，達(dá)到目標(biāo)EGR率，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)性能與排放的最佳協(xié)調(diào)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真分析方法

排氣副凸輪是成功實(shí)現(xiàn)排氣門二次開啟的關(guān)鍵。副凸輪的各設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選用，對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性和可靠性有著重要影響。

借助于仿真設(shè)計(jì)工具，對(duì)采用各種副凸輪設(shè)計(jì)方案的柴油機(jī)性能進(jìn)行仿真分析，得到副凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)各性能的影響規(guī)律，可有效地提高副凸輪設(shè)計(jì)的可行性。

本文中應(yīng)用GT-Power仿真軟件，建立某6缸柴油機(jī)仿真模型，以圖1所設(shè)計(jì)的排氣副凸輪為基本形式，進(jìn)行了排氣副凸輪仿真設(shè)計(jì)，最終獲得最佳排氣副凸輪設(shè)計(jì)方案。

2.1 仿真模型的建立

利用GT-Power建立圖2所示的目標(biāo)機(jī)型計(jì)算模型［3］。其模型主要由進(jìn)排氣系統(tǒng)、渦輪增壓器、噴油組件、氣缸和曲軸箱等組成。

2.2 仿真模型的驗(yàn)證

在GT-Power模型的屬性中，輸入目標(biāo)柴油機(jī)各相關(guān)零部件的物理參數(shù)，通過(guò)仿真計(jì)算得到各工況下柴油機(jī)燃油消耗率和功率［4］。圖3為仿真和試驗(yàn)曲線的對(duì)比，由圖可見，目標(biāo)柴油機(jī)的燃油消耗率、功率仿真與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，其相對(duì)數(shù)值誤差較小。因此，可認(rèn)為該GT-Power模型基本能夠反映目標(biāo)機(jī)型的實(shí)際情況，仿真結(jié)果具有設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義。

3 排氣副凸輪的設(shè)計(jì)

3.1 排氣副凸輪配氣相位邊界條件的確定

排氣副凸輪設(shè)計(jì)目標(biāo)是使排氣管中的廢氣在進(jìn)氣行程重新返回氣缸。充分利用排氣管內(nèi)的高壓時(shí)段的壓力波進(jìn)行廢氣重吸，是排氣副凸輪設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)目標(biāo)機(jī)型仿真分析，了解排氣壓力波動(dòng)情況(如圖4所示)，以確定副凸輪相位設(shè)計(jì)的邊界條件。

3.2 副凸輪相位對(duì)柴油機(jī)性能影響規(guī)律的分析

排氣副凸輪相位由其工作段持續(xù)角和開啟時(shí)刻決定。持續(xù)角指凸輪工作段所對(duì)應(yīng)的凸輪軸轉(zhuǎn)角，副凸輪持續(xù)角標(biāo)志著排氣門二次開啟持續(xù)的時(shí)間，直接關(guān)系到再次進(jìn)入氣缸的廢氣量;而主、副凸輪的間隔角決定排氣門二次開啟的時(shí)刻，直接影響著廢氣回流時(shí)機(jī)的選擇。

本文中以排氣壓力波為排氣副凸輪的約束條件，以某一數(shù)學(xué)模型為型線基本方程，設(shè)計(jì)了10種不同工作持續(xù)角和最大升程的副凸輪型線，按照1#至10#進(jìn)行標(biāo)記。針對(duì)其持續(xù)角和開啟時(shí)刻等因素，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各性能影響規(guī)律進(jìn)行仿真分析。表1為其中副凸輪升程為1.2mm的3種不同型線的持續(xù)角。

表1 3種不同型線的持續(xù)角

對(duì)目標(biāo)機(jī)型標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速2200r/min和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1400r/min兩轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行IEGR率仿真分析，結(jié)果如圖5、圖6所示，由圖可見:在主、副凸輪轉(zhuǎn)角0°～10°的范圍內(nèi)，隨著間隔角的增大，IEGR率呈下降的趨勢(shì);2200r/min轉(zhuǎn)速點(diǎn)時(shí)，5#型線的IEGR率最高;1400r/min轉(zhuǎn)速點(diǎn)時(shí)，1#型線的IEGR率最高;從獲得高IEGR率的角度考慮，排氣副凸輪最佳凸輪持續(xù)角選取范圍應(yīng)在82°～92°凸輪轉(zhuǎn)角。

2200r/min工況點(diǎn)的功率與燃油消耗率仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可見:隨著主、副凸輪間隔角的增大，各型線燃油消耗率均上升，1#和5#型線功率上升，2#型線功率呈下降趨勢(shì);此外，在間隔角相同的條件下，2#型線功率最低，燃油消耗率在主、副凸輪間隔角大部分范圍內(nèi)(＜7°)最高，是3種型線中性能較差的一種。1400r/min工況點(diǎn)時(shí)，其功率、燃油消耗變化規(guī)律則與2200r/min完全相同。從獲得高功率、低油耗的角度考慮，凸輪最佳持續(xù)角應(yīng)為82°～92°凸輪轉(zhuǎn)角。

3.3 副凸輪升程對(duì)柴油機(jī)性能影響規(guī)律的分析

副凸輪升程是影響廢氣返回量的重要參數(shù)［5］，在選取副凸輪持續(xù)角為92°定值條件下，設(shè)計(jì)了如表2所示的4種不同升程的副凸輪型線，仿真分析不同副凸輪升程對(duì)IEGR率的影響規(guī)律，結(jié)果如圖8和圖9所示。

表2 不同升程的副凸輪型線設(shè)計(jì)方案

由圖8和圖9可見:在2200r/min時(shí)，各型線IEGR 率由大到小依次為 9#、3#、5#和 10#，表明IEGR率隨著副凸輪升程的變大而增大;而1400r/min時(shí)副凸輪升程值的改變對(duì)IEGR率的影響不大;但兩種轉(zhuǎn)速工況下IEGR率均隨著間隔角的增加而減小。

圖10和圖11分別為2200r/min和1400r/min工況時(shí)，不同副凸輪升程的功率曲線。由圖可見:2200r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨著凸輪升程值的增大而減小，因?yàn)殡S著IEGR率的增加，進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮空氣減少，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降［6-7］，隨主、副凸輪間隔角的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升;1400r/min工況時(shí)，升程對(duì)功率的影響規(guī)律并不明顯，功率隨著間隔角的增大皆為先增后減。

圖12和圖13分別為2200與1400r/min工況時(shí)的燃油消耗率曲線圖。由圖可見:2200r/min時(shí)的燃油消耗率隨著副凸輪升程的增大而升高，由于副凸輪升程增大，使IEGR率增大，廢氣回流量增加，燃油消耗率增大;但1400r/min時(shí)，副凸輪升程的變化對(duì)燃油消耗率的影響不明顯。同一升程下，2200r/min時(shí)燃油消耗率隨著主副凸輪間隔角的增大有所上升;而1400r/min時(shí)，隨著間隔角的增大，燃油消耗率則先降后升。

3.4 副凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)選取

綜上仿真分析可知，在考慮獲得較高IEGR率的前提下，同時(shí)兼顧柴油機(jī)動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性，副凸輪的持續(xù)角不宜過(guò)大，建議直列六缸柴油機(jī)副凸輪持續(xù)角取值范圍為82°～92°;副凸輪升程取值范圍為1.2～1.5mm。主、副凸輪間隔角決定副凸輪的開啟時(shí)刻，主、副凸輪間隔角越小，獲得的IEGR率越大，燃油經(jīng)濟(jì)性損失越小，但動(dòng)力性指標(biāo)損失越大，從柴油機(jī)各性能兼顧和凸輪型線加工工藝性的角度出發(fā)，建議直列六缸柴油機(jī)主副凸輪間隔角選擇3°～5°。

總之，副凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)選擇在遵從以上原則的基礎(chǔ)上，可根據(jù)對(duì)目標(biāo)機(jī)型的仿真結(jié)果來(lái)確定。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用排氣門二次開啟技術(shù)，可有效實(shí)現(xiàn)增壓柴油機(jī)廢氣重吸式IEGR。

(2)采用GT-Power仿真軟件對(duì)排氣門處排氣管內(nèi)排氣壓力波進(jìn)行仿真，初步得到廢氣流動(dòng)狀況，為確定排氣門再次開啟的時(shí)刻、持續(xù)開啟時(shí)間等副凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

(3)仿真結(jié)果表明，基于廢氣重吸策略的排氣門二次開啟方法，可使柴油機(jī)在2200r/min工況時(shí)，IEGR率大于8%。

(4)通過(guò)對(duì)不同排氣副凸輪相位、升程和持續(xù)角等凸輪設(shè)計(jì)方案的仿真分析，得到了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和IEGR的影響規(guī)律。

(5)根據(jù)對(duì)各型線仿真分析結(jié)果，提出了排氣門二次開啟的副凸輪相位、升程和持續(xù)角等參數(shù)的選擇范圍。

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