柴油機高低壓EGR系統模擬分析

摘要：EGR技術能有效降低機內NOx排放，EGR率的提升是EGR技術關鍵之一。通過對某柴油機六缸高壓EGR系統進行改進，提出高壓加低壓EGR系統這一新式布置方案，并利用AVL boost軟件進行仿真計算。結果表明，高低壓EGR系統具有提升EGR率的潛力。

關鍵詞：高低壓EGR；AVL boost；柴油機

中圖分類號：U464.172 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）02-0041-03

Researches on High-pressure Plus Low-pressure EGR System

ZOU Ke，YIN Yong，XIANG Xun-sheng，ZHAO Yan-ting

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL， Wuhan 430056， China）

Abstract：EGR technology is one of feasible approach to reduce the NOx emission level. This paper improved the high-pressure EGR system on a diesel engine proposed a new program that the high-pressure plus low-pressure EGR systems， and simulate the program with AVL boost. The results showed that high and low pressure EGR systems have the potential of high EGR rate.

Key words：High-pressure plus low-pressure EGR；AVL boost；diesel engine

隨著排放法規的日益嚴格，需要進一步降低柴油機NOx的排放。而廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，簡稱EGR）是在諸多降低NOx方案中操作簡單又有效的方法，因此得到了廣泛的應用。

EGR系統從取氣位置可分為高壓EGR（渦輪前取排氣送至壓氣機后）、低壓EGR（渦輪后取排氣送至壓氣機前），各有優缺點。

高壓EGR在EGR柴油機中廣泛應用，結構簡單，易于精確控制。但排氣背壓的波動較大，會出現排氣背壓小于進氣歧管壓力的狀況而產生回流。因此高壓EGR一般需要加裝EGR閥與單向閥，EGR率的進一步提升存在困難。

低壓EGR是從渦輪后引出排氣到進氣系統的空氣濾清器后壓氣機之前。由于渦輪后的排氣壓力大于大氣壓，而進氣經過空氣濾清器后的壓力小于大氣壓，因此不會出現高壓EGR的回流現象，從而可保證較高EGR率。但摻入廢氣的混合氣經過壓氣機，會對壓氣機造成污染，同時結構較為復雜也是其缺點。

本文針對某六缸柴油機進行改進，設計了若干種高低壓EGR管路布置方案并依據AVL BOOST軟件進行模擬仿真計算，橫向對比各方案對柴油機排放，動力性與經濟性的影響，以選出其中優勢方案進行臺架試驗，實現設計高EGR率系統的目的。

1 仿真方案

結合實際情況，以某重型六缸EGR柴油機為基礎，針對如下目標，設計基于試驗室的EGR系統布置方案：

1）保證柴油機動力性前提下，盡可能提升EGR率，尤其是中小轉速的EGR率，以期達到更低的NOx排放；

2）EGR率精確可控；

3）保持設計延續性，保留原有高壓EGR系統；

4）系統加工安裝較為簡易。

具體設計方案如下：

1）高壓+低壓EGR系統；

2）獨立機械增壓的低壓EGR。

并由此修改部分細節，衍生出兩個新的方案。

1.1 原柴油機高壓EGR模型

圖1為原機仿真模型，該模型建立在試驗數據與臺架參數之上，具有實際意義，其EGR率在1 900 r/min時達到最大的21%，但在中低轉速EGR率偏小，現欲通過采取高壓+低壓EGR系統的途徑，提高EGR率。

圖1 原高壓EGR模型

1.2 改進方案

改進方案見表1。

2 仿真分析

進行AVL BOOST仿真計算，得到各個轉速下的仿真結果，從動力性、經濟性、空燃比和EGR率來分析對比不同方案與原模型的優劣。

在動力性方面A方案與原模型差距不大。B方案則差距較多，原因是在低壓EGR上加載機械增壓器提高進排壓差，在大幅提高EGR率的同時，整體性能亦有較大損失，在中低轉速尤其明顯。C方案、D方案在中低轉速比原模型略好，原因為采取多級中冷后的冷EGR降低了進氣溫度，使整體性能得到提升（見圖2）。

如圖3所示，A方案與B方案的空燃比小于原模型，而C方案與D方案則高于原模型。

A方案高轉速比油耗與原機基本相當，但在低轉速惡化明顯，以1 000 r/min時最為突出。而B方案整體有著較大程度的惡化，在中等轉速下最為嚴重，原因來自于動力性損失。C方案、D方案在中低轉速下好于原模型（見圖4）。

如圖5所示兩條虛線中的部分為目標EGR率的取值范圍，由圖可知A方案、C方案、D方案在中低轉速EGR率差別不大，而在高轉速下C方案、D方案略好于A方案。該三種方案均能滿足EGR率的目標期望。而B方案則遠遠高于目標EGR率。

3 結論

本文針對六缸高壓EGR柴油機進行改進優化，設計了高壓+低壓EGR系統的布置型式。

通過AVL BOOST搭建模型仿真分析，得出高低壓EGR系統和高低壓EGR系統壓氣機前加裝增壓器兩種布置方案具有提升EGR率以達到先進排放標準的潛力。其中A方案、C方案、D方案均能滿足目標EGR率，綜合經濟動力性C 方案、D方案要優于A方案，且該兩種方案避免了污染壓氣機。

雖然管路布置更為復雜，引入機械增壓器的匹配也存在一定難度，但適合試驗室布置，以支撐后續EGR排放控制試驗研究。

而為追求極限高EGR率，探索海量EGR技術下的燃燒控制與排放研究，則可在試驗室采用B方案。

參考文獻：

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