基于廢氣重吸策略的柴油機IEGR排氣副凸輪仿真設計*

褚超美，顏庭源，凌建群，李 進

(1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093; 2.上海柴油機股份有限公司研發中心，上海 200438)

前言

隨著排放法規的日趨嚴格，圍繞著降低柴油機NOx排放物問題，開展了諸多減排技術方法的研究。結果表明，廢氣再循環技術(exhaust gas recirculation，EGR)是降低NOx排放物最有效的措施之一。根據EGR的廢氣回流方式，將EGR技術分為機外EGR和機內EGR(internal exhaust gas recirculation，IEGR)兩種形式。由于機外EGR技術對于高負荷時平均進氣壓力高于排氣壓力的增壓柴油機難以實現，且廢氣中所含硫酸鹽成分會對途經管道和渦輪增壓器造成腐蝕，導致系統耐久性下降，加之維修成本高、占有空間大等諸多因素，使機外EGR技術在一些發動機上的應用受到了限制［1］，而IEGR技術是一種對增壓柴油機“副作用”相對較小的、有效且可靠的機內凈化技術。

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］。這一策略有兩種實現的途徑，一是通過減小進、排氣凸輪的持續角，因此會增加凸輪型線可靠性設計的難度;二是應用可變凸輪軸相位器(VCP)調整氣門重疊角，須另外增加調整裝置［2］，但最終都難以準確地控制EGR率，實現柴油機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，實現方法不是減少廢氣的排出，而是在排氣凸輪軸上合理地增設一副凸輪(如圖1所示)，利用氣體流動的特性，在進氣行程，依靠排氣副凸輪形狀的控制，使排氣門再次開啟，將已經排入排氣管中的廢氣，依靠缸內外的壓差，重新吸回缸內，以實現IEGR。這種方法可對廢氣導入時刻和導入量進行控制，在不增加成本和降低系統可靠性的前提下，最大限度地兼顧各項性能。

由于排氣副凸輪獨立于排氣凸輪和排氣過程，因此可在不改變原主排氣凸輪的條件下，通過對副凸輪的合理設置，準確地控制廢氣返回量，達到目標EGR率，實現柴油機性能與排放的最佳協調。

2 發動機性能仿真分析方法

排氣副凸輪是成功實現排氣門二次開啟的關鍵。副凸輪的各設計參數的合理選用，對柴油機的動力性、經濟性、排放性和可靠性有著重要影響。

借助于仿真設計工具，對采用各種副凸輪設計方案的柴油機性能進行仿真分析，得到副凸輪設計參數對柴油機各性能的影響規律，可有效地提高副凸輪設計的可行性。

本文中應用GT-Power仿真軟件，建立某6缸柴油機仿真模型，以圖1所設計的排氣副凸輪為基本形式，進行了排氣副凸輪仿真設計，最終獲得最佳排氣副凸輪設計方案。

2.1 仿真模型的建立

利用GT-Power建立圖2所示的目標機型計算模型［3］。其模型主要由進排氣系統、渦輪增壓器、噴油組件、氣缸和曲軸箱等組成。

2.2 仿真模型的驗證

在GT-Power模型的屬性中，輸入目標柴油機各相關零部件的物理參數，通過仿真計算得到各工況下柴油機燃油消耗率和功率［4］。圖3為仿真和試驗曲線的對比，由圖可見，目標柴油機的燃油消耗率、功率仿真與試驗結果較為吻合，其相對數值誤差較小。因此，可認為該GT-Power模型基本能夠反映目標機型的實際情況，仿真結果具有設計指導意義。

3 排氣副凸輪的設計

3.1 排氣副凸輪配氣相位邊界條件的確定

排氣副凸輪設計目標是使排氣管中的廢氣在進氣行程重新返回氣缸。充分利用排氣管內的高壓時段的壓力波進行廢氣重吸，是排氣副凸輪設計的重要環節。通過對目標機型仿真分析，了解排氣壓力波動情況(如圖4所示)，以確定副凸輪相位設計的邊界條件。

3.2 副凸輪相位對柴油機性能影響規律的分析

排氣副凸輪相位由其工作段持續角和開啟時刻決定。持續角指凸輪工作段所對應的凸輪軸轉角，副凸輪持續角標志著排氣門二次開啟持續的時間，直接關系到再次進入氣缸的廢氣量;而主、副凸輪的間隔角決定排氣門二次開啟的時刻，直接影響著廢氣回流時機的選擇。

本文中以排氣壓力波為排氣副凸輪的約束條件，以某一數學模型為型線基本方程，設計了10種不同工作持續角和最大升程的副凸輪型線，按照1#至10#進行標記。針對其持續角和開啟時刻等因素，對發動機各性能影響規律進行仿真分析。表1為其中副凸輪升程為1.2mm的3種不同型線的持續角。

表1 3種不同型線的持續角

對目標機型標定功率轉速2200r/min和最大轉矩轉速1400r/min兩轉速點進行IEGR率仿真分析，結果如圖5、圖6所示，由圖可見:在主、副凸輪轉角0°～10°的范圍內，隨著間隔角的增大，IEGR率呈下降的趨勢;2200r/min轉速點時，5#型線的IEGR率最高;1400r/min轉速點時，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角選取范圍應在82°～92°凸輪轉角。

2200r/min工況點的功率與燃油消耗率仿真結果如圖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;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(＜7°)最高，是3種型線中性能較差的一種。1400r/min工況點時，其功率、燃油消耗變化規律則與2200r/min完全相同。從獲得高功率、低油耗的角度考慮，凸輪最佳持續角應為82°～92°凸輪轉角。

3.3 副凸輪升程對柴油機性能影響規律的分析

副凸輪升程是影響廢氣返回量的重要參數［5］，在選取副凸輪持續角為92°定值條件下，設計了如表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IEGR率的影響規律，結果如圖8和圖9所示。

表2 不同升程的副凸輪型線設計方案

由圖8和圖9可見:在2200r/min時，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時副凸輪升程值的改變對IEGR率的影響不大;但兩種轉速工況下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，不同副凸輪升程的功率曲線。由圖可見:2200r/min時，發動機功率隨著凸輪升程值的增大而減小，因為隨著IEGR率的增加，進入缸內的新鮮空氣減少，導致發動機功率下降［6-7］，隨主、副凸輪間隔角的增大，發動機功率上升;1400r/min工況時，升程對功率的影響規律并不明顯，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工況時的燃油消耗率曲線圖。由圖可見:2200r/min時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，副凸輪升程的變化對燃油消耗率的影響不明顯。同一升程下，2200r/min時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，隨著間隔角的增大，燃油消耗率則先降后升。

3.4 副凸輪設計參數選取

綜上仿真分析可知，在考慮獲得較高IEGR率的前提下，同時兼顧柴油機動力和經濟性，副凸輪的持續角不宜過大，建議直列六缸柴油機副凸輪持續角取值范圍為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刻，主、副凸輪間隔角越小，獲得的IEGR率越大，燃油經濟性損失越小，但動力性指標損失越大，從柴油機各性能兼顧和凸輪型線加工工藝性的角度出發，建議直列六缸柴油機主副凸輪間隔角選擇3°～5°。

總之，副凸輪設計參數選擇在遵從以上原則的基礎上，可根據對目標機型的仿真結果來確定。

4 結論

(1)運用排氣門二次開啟技術，可有效實現增壓柴油機廢氣重吸式IEGR。

(2)采用GT-Power仿真軟件對排氣門處排氣管內排氣壓力波進行仿真，初步得到廢氣流動狀況，為確定排氣門再次開啟的時刻、持續開啟時間等副凸輪設計參數的選擇提供依據。

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

(4)通過對不同排氣副凸輪相位、升程和持續角等凸輪設計方案的仿真分析，得到了各設計參數對柴油機動力性、經濟性和IEGR的影響規律。

(5)根據對各型線仿真分析結果，提出了排氣門二次開啟的副凸輪相位、升程和持續角等參數的選擇范圍。

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