不同海拔下EGR對(duì)柴油機(jī)影響的模擬研究

劉偉　畢玉華　申立中　雷基林　王俊

摘 要： 隨著海拔的變化，大氣壓力和氧氣濃度都會(huì)發(fā)生改變，引入EGR后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能必然會(huì)出現(xiàn)不同于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境時(shí)的情況。建立了某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的Boost模型，用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了標(biāo)定驗(yàn)證；模擬研究了不同大氣壓力下EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響，并比較分析了同一EGR率時(shí)不同大氣壓力下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的差異。結(jié)果表明，除全負(fù)荷工況外EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響比較小，NOx隨EGR率的增加會(huì)急劇減少，但大EGR率時(shí)Soot排放會(huì)急劇惡化；同一EGR率時(shí)在中高負(fù)荷下，隨著海拔的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和Soot的排放會(huì)出現(xiàn)明顯惡化。

關(guān)鍵詞： 海拔高度的影響； EGR； 柴油機(jī)； 性能研究

中圖分類號(hào)： TN710?34； TK422 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）09?0125?03

0 概 述

隨著環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)今世界共同面臨的重大挑戰(zhàn)[1]；由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有著良好的熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，全球車用動(dòng)力“柴油化”的趨勢(shì)已經(jīng)形成，但是柴油機(jī)在NOx和碳煙排放方面的問題依然很突出[2?3]。國內(nèi)外研究表明EGR（廢氣再循環(huán)）技術(shù)是目前用于降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的一種有效措施 [4?8]。再循環(huán)廢氣會(huì)稀釋新鮮充量，混合氣中的氧濃度下降；同時(shí)廢氣中存在惰性成分也會(huì)給燃燒帶來負(fù)面影響，所以使用EGR后發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力性下降、經(jīng)濟(jì)性惡化 [9?11]；但是，由于廢氣的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新鮮充量，在混合時(shí)會(huì)加熱新鮮充量，所以發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)使用EGR性能會(huì)出現(xiàn)小幅度的提升。

在高海拔下大氣壓力低于平原地區(qū)，大氣中的氧濃度也會(huì)降低，即使采用增壓技術(shù)，也難以使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣情況與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下相同[12]。不同氣壓下，使用EGR將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能及排放產(chǎn)生不同的影響。本文采用AVL?Boost軟件對(duì)某型號(hào)柴油機(jī)工作過程進(jìn)行模擬，研究分析了不同大氣壓力下，EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能的影響。

1 模型的建立與驗(yàn)證

1.1 模型的建立

利用Boost軟件根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物的基本構(gòu)造建立了一維模型，如圖1所示。模型主要由空氣濾清器、渦輪增壓器、中冷器、氣缸、EGR閥及連接管路等部件組成；柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。這個(gè)一維模型在實(shí)物的基礎(chǔ)上增加了廢氣再循環(huán)回路，回路中加入了冷卻裝置，使用流量閥R2來實(shí)現(xiàn)EGR閥的功能。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

[型號(hào)＼&4102GBZ＼&型式＼&立式、直列、水冷、增壓、四行程＼&缸徑×行程 /mm＼&102×115＼&連桿長(zhǎng)度 /mm＼&184＼&壓縮比＼&17.5∶1＼&最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速＼&360.74 N·m/1 800 r/min＼&標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速＼&97 kW/3 200 r/min＼&]

圖1 帶有EGR回路的發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型

1.2 模型的標(biāo)定

根據(jù)所研究柴油機(jī)的平原臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)來標(biāo)定建立的一維模型，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖2～圖4所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比曲線

圖3 油耗的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比曲線

圖4 缸內(nèi)壓力的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比曲線

通過對(duì)比，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的模擬值與試驗(yàn)值最大誤差為4.1%，油耗的模擬值與試驗(yàn)值最大誤差為3.97%，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（1 800 r/min）時(shí)缸內(nèi)壓力的模擬值與試驗(yàn)值最大誤差為1.82%，在允許的5%誤差范圍內(nèi)，說明建立的模型基本正確，可以利用該模型進(jìn)行下一步的研究。

2 EGR率的確定

國外一般使用EGR率作為表征引入氣缸的廢氣再循環(huán)量，EGR率可以定義為再循環(huán)廢氣的質(zhì)量占總的進(jìn)氣質(zhì)量的百分比，公式為[13]：

[ηEGR=GrGa+Gr×100%=αrAr2gpexRTex（pex-pe）VLnpinηvzRaTin+αrAr2gpexRTex（pex-pe）] （1）

式中：[G]為質(zhì)量流量；[R]為氣體常數(shù)；[n]為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；[α]為質(zhì)量流量；[P]為絕對(duì)壓力；[VL]為發(fā)動(dòng)機(jī)排量；[ην]為充氣效率；[A]為節(jié)流孔截面積。下標(biāo)[a]表示大氣；in表示進(jìn)氣管處，ex表示排氣管處；[r]表示EGR回路處；e表示排氣引出處。

確定EGR率通常采用的方法有質(zhì)量流量法[（ηEGRm）、]容積流量法[（ηEGRv）]和CO2濃度法[（ηEGRCO2）]三種[13]。本文研究中采用質(zhì)量流量法確定EGR率，在Boost一維模型中只需要在EGR閥門后和進(jìn)氣總管處設(shè)置測(cè)量點(diǎn)既可測(cè)得參與再循環(huán)的廢氣量和總的進(jìn)氣量，如圖1中測(cè)量點(diǎn)MP4和MP14。所以EGR率的計(jì)算公式可以簡(jiǎn)化為[14]：

[ηEGR=MfMP14MfMP4×100%] （2）

式中：[MfMP14]為測(cè)量點(diǎn)MP14處的再循環(huán)廢氣質(zhì)量流量；[MfMP4]為測(cè)量點(diǎn)MP4處的總進(jìn)氣質(zhì)量流量。

3 不同大氣壓力下EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能和

排放的影響

3.1 高原環(huán)境下（大氣壓力為81 kPa）EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響

通過模擬計(jì)算，81 kPa時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在3 000 r/min時(shí)EGR率最大達(dá)到了48.1%。EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響在中小負(fù)荷不明顯；對(duì)NOx排放的減少非常顯著；當(dāng)EGR率超過一定限值Soot排放會(huì)急劇惡化。

圖5表明，發(fā)動(dòng)機(jī)3 000 r/min在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)EGR率增加使柴油機(jī)性能有所優(yōu)化，這是因?yàn)楦邷貜U氣會(huì)加熱新鮮充量，廢氣中的氧氣也會(huì)增加混合氣的氧濃度，使得燃燒更好。中等負(fù)荷下，EGR對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響很小。全負(fù)荷時(shí)，隨著EGR率的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性出現(xiàn)惡化，尤其是當(dāng)EGR率超過20%時(shí)急劇惡化，這是由于再循環(huán)廢氣稀釋了充量，廢氣中的惰性氣體成分也會(huì)阻礙燃燒的進(jìn)行。

NOx的排放隨EGR率增大而減少，35%負(fù)荷工況當(dāng)EGR率從5%增大到25%時(shí)NOx減少了89%；Soot的排放在小負(fù)荷工況時(shí)幾乎沒有變化，中等負(fù)荷工況下增加了1.18 g/（kW·h），而大負(fù)荷工況下當(dāng)EGR率超過15%時(shí)會(huì)急劇惡化，100%負(fù)荷工況EGR率為25%比5%的Soot排放增加了200多倍。

3.2 不同大氣壓力下EGR對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響

圖6是3 000 r/min、大氣壓力分別為81 kPa，90 kPa和100 kPa時(shí)， EGR率為25%時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放影響的對(duì)比。

從圖中可以直觀地看到，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同氣壓下動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在中小負(fù)荷工況時(shí)幾乎沒有變化，在中高負(fù)荷工況時(shí)，81 kPa低于90 kPa，90 kPa低于100 kPa；在小負(fù)荷工況時(shí)，NOx的排放隨著氣壓的降低略有改善，而大負(fù)荷工況時(shí)隨大氣壓力的降低明顯惡化；Soot的排放隨著大氣壓力的降低逐漸惡化。這主要是大氣壓力降低，空氣密度減小，進(jìn)氣量減少造成的。

4 結(jié) 語

（1） 81 kPa時(shí)，3 000 r/min能達(dá)到的最大EGR率為48.1%；考慮到高EGR率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)惡化，EGR率最大只能選到15%；如果全負(fù)荷工況時(shí)不進(jìn)行EGR，81 kPa可以選取的最大EGR率可以達(dá)到25%。EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響在中小負(fù)荷工況下不明顯；3 000 r/min時(shí)對(duì)NOx排放的減少最大達(dá)到89%；當(dāng)EGR超過15%，Soot的排放會(huì)急劇惡化，全負(fù)荷工況EGR率為25%時(shí)增加200多倍。

（2） 90 kPa時(shí)，3 000 r/min能達(dá)到的最大EGR率為47.6%；考慮到高EGR率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)惡化，EGR率最大可以選到25%；如果全負(fù)荷工況時(shí)不進(jìn)行EGR，90 kPa可以選取的最大EGR率可以達(dá)到30%。EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響在中小負(fù)荷工況下不明顯；3 000 r/min時(shí)對(duì)NOx排放的減少最大達(dá)到85.4%；當(dāng)EGR超過25%，Soot的排放會(huì)急劇惡化，全負(fù)荷工況EGR率為30%時(shí)增加300多倍。

（3） 大氣壓力越低（海拔越高）EGR在發(fā)動(dòng)機(jī)中的適用范圍越小。

（4） 相同EGR率時(shí)，在中小負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能隨著氣壓的降低變化不大；而在中高負(fù)荷工況下，隨著大氣壓力降低會(huì)出現(xiàn)明顯惡化。

參考文獻(xiàn)

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圖5表明，發(fā)動(dòng)機(jī)3 000 r/min在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)EGR率增加使柴油機(jī)性能有所優(yōu)化，這是因?yàn)楦邷貜U氣會(huì)加熱新鮮充量，廢氣中的氧氣也會(huì)增加混合氣的氧濃度，使得燃燒更好。中等負(fù)荷下，EGR對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響很小。全負(fù)荷時(shí)，隨著EGR率的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性出現(xiàn)惡化，尤其是當(dāng)EGR率超過20%時(shí)急劇惡化，這是由于再循環(huán)廢氣稀釋了充量，廢氣中的惰性氣體成分也會(huì)阻礙燃燒的進(jìn)行。

NOx的排放隨EGR率增大而減少，35%負(fù)荷工況當(dāng)EGR率從5%增大到25%時(shí)NOx減少了89%；Soot的排放在小負(fù)荷工況時(shí)幾乎沒有變化，中等負(fù)荷工況下增加了1.18 g/（kW·h），而大負(fù)荷工況下當(dāng)EGR率超過15%時(shí)會(huì)急劇惡化，100%負(fù)荷工況EGR率為25%比5%的Soot排放增加了200多倍。

3.2 不同大氣壓力下EGR對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響

圖6是3 000 r/min、大氣壓力分別為81 kPa，90 kPa和100 kPa時(shí)， EGR率為25%時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放影響的對(duì)比。

從圖中可以直觀地看到，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同氣壓下動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在中小負(fù)荷工況時(shí)幾乎沒有變化，在中高負(fù)荷工況時(shí)，81 kPa低于90 kPa，90 kPa低于100 kPa；在小負(fù)荷工況時(shí)，NOx的排放隨著氣壓的降低略有改善，而大負(fù)荷工況時(shí)隨大氣壓力的降低明顯惡化；Soot的排放隨著大氣壓力的降低逐漸惡化。這主要是大氣壓力降低，空氣密度減小，進(jìn)氣量減少造成的。

4 結(jié) 語

（1） 81 kPa時(shí)，3 000 r/min能達(dá)到的最大EGR率為48.1%；考慮到高EGR率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)惡化，EGR率最大只能選到15%；如果全負(fù)荷工況時(shí)不進(jìn)行EGR，81 kPa可以選取的最大EGR率可以達(dá)到25%。EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響在中小負(fù)荷工況下不明顯；3 000 r/min時(shí)對(duì)NOx排放的減少最大達(dá)到89%；當(dāng)EGR超過15%，Soot的排放會(huì)急劇惡化，全負(fù)荷工況EGR率為25%時(shí)增加200多倍。

（2） 90 kPa時(shí)，3 000 r/min能達(dá)到的最大EGR率為47.6%；考慮到高EGR率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)惡化，EGR率最大可以選到25%；如果全負(fù)荷工況時(shí)不進(jìn)行EGR，90 kPa可以選取的最大EGR率可以達(dá)到30%。EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響在中小負(fù)荷工況下不明顯；3 000 r/min時(shí)對(duì)NOx排放的減少最大達(dá)到85.4%；當(dāng)EGR超過25%，Soot的排放會(huì)急劇惡化，全負(fù)荷工況EGR率為30%時(shí)增加300多倍。

（3） 大氣壓力越低（海拔越高）EGR在發(fā)動(dòng)機(jī)中的適用范圍越小。

（4） 相同EGR率時(shí)，在中小負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能隨著氣壓的降低變化不大；而在中高負(fù)荷工況下，隨著大氣壓力降低會(huì)出現(xiàn)明顯惡化。

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[12] 申立中，楊永忠，雷基林.不同海拔下增壓中冷柴油機(jī)性能和排放的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2006，24（3）：250?255.

[13] 楊帥，周毅，鄒任玲.EGR對(duì)柴油機(jī)工作過程影響的一維模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（11）：1?5.

[14] MATTRALLI E， BIANCHI G M， IVALDI D. Experimental and numerical investigation on the EGR system of a new automotive diesel engine， SAE 2000?01?0224 [R]. USA： SAE， 2000.

圖5表明，發(fā)動(dòng)機(jī)3 000 r/min在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)EGR率增加使柴油機(jī)性能有所優(yōu)化，這是因?yàn)楦邷貜U氣會(huì)加熱新鮮充量，廢氣中的氧氣也會(huì)增加混合氣的氧濃度，使得燃燒更好。中等負(fù)荷下，EGR對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響很小。全負(fù)荷時(shí)，隨著EGR率的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性出現(xiàn)惡化，尤其是當(dāng)EGR率超過20%時(shí)急劇惡化，這是由于再循環(huán)廢氣稀釋了充量，廢氣中的惰性氣體成分也會(huì)阻礙燃燒的進(jìn)行。

NOx的排放隨EGR率增大而減少，35%負(fù)荷工況當(dāng)EGR率從5%增大到25%時(shí)NOx減少了89%；Soot的排放在小負(fù)荷工況時(shí)幾乎沒有變化，中等負(fù)荷工況下增加了1.18 g/（kW·h），而大負(fù)荷工況下當(dāng)EGR率超過15%時(shí)會(huì)急劇惡化，100%負(fù)荷工況EGR率為25%比5%的Soot排放增加了200多倍。

3.2 不同大氣壓力下EGR對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響

圖6是3 000 r/min、大氣壓力分別為81 kPa，90 kPa和100 kPa時(shí)， EGR率為25%時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放影響的對(duì)比。

從圖中可以直觀地看到，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同氣壓下動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在中小負(fù)荷工況時(shí)幾乎沒有變化，在中高負(fù)荷工況時(shí)，81 kPa低于90 kPa，90 kPa低于100 kPa；在小負(fù)荷工況時(shí)，NOx的排放隨著氣壓的降低略有改善，而大負(fù)荷工況時(shí)隨大氣壓力的降低明顯惡化；Soot的排放隨著大氣壓力的降低逐漸惡化。這主要是大氣壓力降低，空氣密度減小，進(jìn)氣量減少造成的。

4 結(jié) 語

（1） 81 kPa時(shí)，3 000 r/min能達(dá)到的最大EGR率為48.1%；考慮到高EGR率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)惡化，EGR率最大只能選到15%；如果全負(fù)荷工況時(shí)不進(jìn)行EGR，81 kPa可以選取的最大EGR率可以達(dá)到25%。EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響在中小負(fù)荷工況下不明顯；3 000 r/min時(shí)對(duì)NOx排放的減少最大達(dá)到89%；當(dāng)EGR超過15%，Soot的排放會(huì)急劇惡化，全負(fù)荷工況EGR率為25%時(shí)增加200多倍。

（2） 90 kPa時(shí)，3 000 r/min能達(dá)到的最大EGR率為47.6%；考慮到高EGR率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)惡化，EGR率最大可以選到25%；如果全負(fù)荷工況時(shí)不進(jìn)行EGR，90 kPa可以選取的最大EGR率可以達(dá)到30%。EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響在中小負(fù)荷工況下不明顯；3 000 r/min時(shí)對(duì)NOx排放的減少最大達(dá)到85.4%；當(dāng)EGR超過25%，Soot的排放會(huì)急劇惡化，全負(fù)荷工況EGR率為30%時(shí)增加300多倍。

（3） 大氣壓力越低（海拔越高）EGR在發(fā)動(dòng)機(jī)中的適用范圍越小。

（4） 相同EGR率時(shí)，在中小負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能隨著氣壓的降低變化不大；而在中高負(fù)荷工況下，隨著大氣壓力降低會(huì)出現(xiàn)明顯惡化。

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