基于GT-Power的EGR率對當(dāng)量比燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響研究*

李垂孝 朱昌吉 李君

（吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于GT-Power的EGR率對當(dāng)量比燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響研究*

李垂孝 朱昌吉 李君

（吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

利用GT-Power軟件建立直列4缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型，研究不同EGR率對當(dāng)量比燃燒的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。研究表明，隨著EGR率的增加，缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率峰值降低，燃燒過程后移，顯著抑制NOx生成，經(jīng)濟(jì)性變差；25%負(fù)荷時(shí)，排氣溫度上升，HC的排放增加，CO生成量在EGR率超過10%后上升較快；75%負(fù)荷時(shí)，CO生成量降低，HC生成量在EGR率超過15%后上升速度變快，排氣溫度在EGR率為17%時(shí)達(dá)到最高。

1 前言

研究表明[1、2]，稀薄燃燒的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)可以取得高的熱效率且排氣溫度低，但是廢氣排放的效果和潛力有限，使得這種燃燒方式在經(jīng)濟(jì)性和排放性上較難折中。當(dāng)后處理裝置中無法使用三元催化轉(zhuǎn)換器（TWC）時(shí)，一般使用氧化型的后處理器處理CO、HC，使用SCR處理NOx，這增加了成本及其它排放物（氨氣）的產(chǎn)生。相比于稀薄燃燒，當(dāng)量比燃燒會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷高，易出現(xiàn)爆震等。目前國際上日益采用當(dāng)量比燃燒+ EGR+TWC的技術(shù)路線來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和應(yīng)對更加嚴(yán)格的排放法[3,4]，而國內(nèi)在這方面的研究較少。不同工況對EGR率的要求不同。本文利用GT-Power軟件對帶有渦輪增壓、EGR中冷的當(dāng)量比燃燒CNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，探究當(dāng)量比聯(lián)合EGR對不同負(fù)荷（25%、75%負(fù)荷）燃燒規(guī)律等的影響，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立和校驗(yàn)

2.1 仿真模型的建立

本研究所用的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1，其是由CA4102汽油機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā)的單一燃料CNG發(fā)動(dòng)機(jī)，帶有EGR中冷系統(tǒng)。所開發(fā)的電控單元能夠確保發(fā)動(dòng)機(jī)滿足排放、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的要求，能夠按照一定的噴

射正時(shí)向執(zhí)行裝置發(fā)送噴氣脈寬信號(hào)；通過查詢點(diǎn)火正時(shí)MAP圖，準(zhǔn)確的控制各缸點(diǎn)火時(shí)刻。

根據(jù)試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸和主要技術(shù)參數(shù)，用GT-Power軟件建立CNG發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型。系統(tǒng)由渦輪增壓中冷系統(tǒng)、EGR中冷系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、曲軸驅(qū)動(dòng)裝置、氣缸等組成。模型的邊界條件按照試驗(yàn)測量值進(jìn)行設(shè)置，不同升程處的流量系數(shù)由穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)測得，如表2所列。

表2 不同升程下進(jìn)、排氣門的流量系數(shù)

GT-Power軟件中的燃燒模型分為預(yù)測燃燒模型、非預(yù)測燃燒模型。預(yù)測模型需要發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何尺寸、點(diǎn)火時(shí)刻、空氣運(yùn)動(dòng)、燃料特性等，能夠分析對放熱率影響較大的參數(shù)變化，如EGR率變化、燃料噴射時(shí)刻等，適合研究缸內(nèi)燃燒的變化；非預(yù)測性模型研究在放熱率不變情況下的一些性能改進(jìn)和變化，如進(jìn)氣管長度對充氣效率的影響、不同消聲器對噪聲的分析等。由于研究EGR率對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響規(guī)律，因此選擇預(yù)測燃燒模型中“EngCylCombSITurb”模塊，該模塊借助預(yù)測模型的輸入條件可以客觀反映缸內(nèi)的燃燒情況，氣缸結(jié)構(gòu)通過三維逆向造型進(jìn)行準(zhǔn)確定義。

2.2 模型的檢驗(yàn)

為了確保所建立的一維模型能夠反映發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)的工作狀況和有效預(yù)測其性能，對模型多個(gè)工況的仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對比驗(yàn)證。圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)外特性功率曲線和仿真值的對比。可知，試驗(yàn)值和仿真值吻合度高，誤差在5%以內(nèi)。圖2所示為轉(zhuǎn)速2 840 r/min、當(dāng)量比為1時(shí)點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前30°條件下的模擬計(jì)算與試驗(yàn)得到的缸壓曲線，可知峰值壓力及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角一致性很高，均在誤差允許范圍內(nèi)。

3 不同EGR率對當(dāng)量比燃燒規(guī)律的仿真研究

在建立正確的一維整機(jī)模型后，選取轉(zhuǎn)速為2 840 r/min[5]、當(dāng)量比為1、點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前30°條件進(jìn)行仿真研究25%、75%負(fù)荷下的不同EGR率對CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒規(guī)律的影響。

3.1 25%負(fù)荷燃燒的缸壓、放熱率仿真分析

圖3和圖4分別為仿真研究25%負(fù)荷時(shí)不同的EGR率對缸內(nèi)燃燒壓力、放熱率影響的變化曲線?？芍S著EGR率的增加，缸壓、放熱率呈下降趨勢，在EGR率從0增加至10%時(shí)，缸壓和放熱率下降明顯，這主要是因?yàn)樵诋?dāng)量比為1時(shí)加入一定的廢氣后殘余廢氣系數(shù)增加，進(jìn)而使得燃燒狀況惡化；而EGR率從10%變至15%時(shí)，缸壓、放熱率變化較大，這是因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)通入大量的惰性氣體會(huì)使得缸內(nèi)的燃燒質(zhì)量變差，很大程度上抑制了燃燒速度；在點(diǎn)火提前角不變的情況下，隨著EGR率的提高，放熱率曲線后移，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，會(huì)造成排氣溫度的升高，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷。

3.2 75%負(fù)荷燃燒的缸壓、放熱率仿真分析

圖5和圖6所示為在75%負(fù)荷時(shí)不同EGR率對缸壓和放熱率的影響變化曲線?？梢钥闯觯诋?dāng)量比為1的燃燒條件下，隨著EGR率的提高，缸壓、放熱率峰值降低，燃燒后移，其原因與低負(fù)荷相同。

4 不同EGR率對排放性、熱負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)性的影響

圖7～圖9為當(dāng)量比為1、點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前30°、25%負(fù)荷和75%負(fù)荷時(shí)，不同EGR率對NOx、HC、CO的影響規(guī)律，其中受試驗(yàn)條件的限制，75%負(fù)荷的EGR率只研究到10%。

由圖7仿真結(jié)果可見，在不同負(fù)荷下，廢氣中的NOx下降幅度很大，高負(fù)荷時(shí)在EGR率超過15%后NOx濃度會(huì)降到很低的水平。這是因?yàn)槎栊詺怏w的比熱容大，能夠使得溫度變低，同時(shí)稀釋了氧濃度，而NOx是在高溫、富氧的條件下生成的[6]，因此抑制了大量NOx的生成。

由圖8和圖9仿真數(shù)據(jù)可知，隨著EGR率的增加，HC的排放呈上升趨勢，75%負(fù)荷時(shí)EGR率超過15%后上升較快；CO的排放在兩種負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)相反的狀態(tài)，25%負(fù)荷時(shí)隨著EGR量增多，CO的生成量也隨之上升，而75%負(fù)荷時(shí)則逐漸下降。其原因是在低負(fù)荷時(shí)當(dāng)量比燃燒過程中的氧含量很低，溫度相對不是很高，殘余廢氣系數(shù)大，該條件很容易生成CO，同時(shí)HC的生成量也增加；在高溫、氧含量一定的條件下，CO很容易被氧化，因此當(dāng)量比燃燒時(shí)隨著惰性氣體的增多，在一定程度上減少了CO的生成量。

圖10為排氣溫度隨EGR率變化的試驗(yàn)和仿真曲線?？梢姡?5%負(fù)荷時(shí)排氣溫度在EGR率為0～15%時(shí)呈上升趨勢，該階段放熱率后移，后燃現(xiàn)象增加，使得排氣溫度上升，15%的EGR量沒能起到降低排氣溫度的作用。從75%負(fù)荷的變化曲線可以看出，在EGR率達(dá)到一定量（17%）后排氣溫度開始下降，在超過20%時(shí)可以將排氣溫度控制在700℃以內(nèi)，因此在點(diǎn)火提前角不變的條件下，只有在EGR量達(dá)到一定程度時(shí)才能夠發(fā)揮其降低溫度的作用。

圖11為燃?xì)庀穆孰SEGR率變化的曲線?？芍?，惰性氣體與混合氣燃料混合使得氧含量降低，導(dǎo)致燃燒速度變慢，同時(shí)能夠降低缸內(nèi)溫度，因此熱效率降低，燃?xì)庀穆噬仙?，?jīng)濟(jì)性的提升空間增大。

5 結(jié)束語

a.通過仿真結(jié)果與部分試驗(yàn)結(jié)果對比可知，仿真結(jié)果相對客觀，在當(dāng)量比為1時(shí)，隨著EGR率的增加，在低、高負(fù)荷時(shí)會(huì)使得缸內(nèi)燃燒峰值壓力降低，放熱率曲線后移；

b.低負(fù)荷時(shí)所研究的最大EGR率（15%）還不能起到降低排氣溫度的作用，在高負(fù)荷EGR率達(dá)到17%時(shí)排氣溫度開始下降，當(dāng)超過20%時(shí)溫度可以控制在700℃以內(nèi)；

c.在當(dāng)量比燃燒狀態(tài)下，高負(fù)荷通入EGR時(shí)可以降低CO的生成量，低負(fù)荷時(shí)有大量CO生成，可以很好的抑制NOx的生成，但HC生成量增加；

d.仿真結(jié)果表明，隨著EGR率的增加，經(jīng)濟(jì)性變差，因此在低負(fù)荷時(shí)不適合通入EGR。

1 楊義,等.我國車用天然氣業(yè)務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望.油氣儲(chǔ)運(yùn),2013（9）:939～942.

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5 賈磊.增壓中冷CA4SH CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放的影響研究:[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2008.

6 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第2版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版,2006.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2015年7月8日。

對比改進(jìn)前、后怠速工況下駕駛員右耳心理聲學(xué)參數(shù)（表1）可知，響度、尖銳度和聽覺相關(guān)量等與聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果成強(qiáng)相關(guān)[5]的參數(shù)均有大幅降低，主觀評(píng)價(jià)實(shí)測結(jié)果從5.5分上升至7分。

表1 改進(jìn)前、后怠速工況駕駛員右耳心理聲學(xué)參數(shù)對比

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（責(zé)任編輯 簾 青）

修改稿收到日期為2015年9月1日。

Research on Influence of EGR Ratio on Performance of CNG Engine with Stoichiometric Operation Based on GT-Power

Li Chuixiao,Zhu Changji,Li Jun
（State Key Lab of Automobile Simulation and Control,Jilin University）

A 1-D simulation model of inline 4-cylinder natural gas engine with stoichiometric combustion is built with GT-Power software to explore the influence of EGR ratio on performance of CNG engine with stoichiometric operation.The results show that with the increase of EGR rate,cylinder combustion pressure and heat release peak value decrease, combustion process moves backward,which inhibits the generation of NOxobviously,and fuel economy deteriorates;at 25% load,the exhaust temperature rises,HC emissions increases,CO generation rises rapidly when EGR rate exceeds 10%;at 75%load,CO generation decreases,speed of HC generation rises faster after EGR rate exceeds 15%,exhaust temperature reaches the highest when the EGR rate is 17%.

CNG Engine,Stoichiometric Operation,Performance,EGR Ratio

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī) 當(dāng)量比燃燒 性能 EGR率

U464

A

1000-3703（2015）12-0025-04

*項(xiàng)目名稱：吉林省零部件研究開發(fā)中心重點(diǎn)項(xiàng)目。