不同海拔下EGR對柴油機影響的模擬研究

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發生改變，引入EGR后發動機的性能必然會出現不同于標準大氣壓環境時的情況。建立了某型號發動機的Boost模型，用標準大氣壓下的臺架試驗數據對模型進行了標定驗證；模擬研究了不同大氣壓力下EGR對發動機性能和排放的影響，并比較分析了同一EGR率時不同大氣壓力下發動機性能的差異。結果表明，除全負荷工況外EGR對發動機的動力性和經濟性影響比較小，NOx隨EGR率的增加會急劇減少，但大EGR率時Soot排放會急劇惡化；同一EGR率時在中高負荷下，隨著海拔的增加，發動機的動力性、經濟性和Soot的排放會出現明顯惡化。

關鍵詞： 海拔高度的影響； EGR； 柴油機； 性能研究

中圖分類號： TN710?34； TK422 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0125?03

0 概 述

隨著環境污染問題的日益嚴峻，節能減排已經成為當今世界共同面臨的重大挑戰[1]；由于柴油發動機有著良好的熱效率和燃油經濟性，全球車用動力“柴油化”的趨勢已經形成，但是柴油機在NOx和碳煙排放方面的問題依然很突出[2?3]。國內外研究表明EGR（廢氣再循環）技術是目前用于降低發動機NOx排放的一種有效措施 [4?8]。再循環廢氣會稀釋新鮮充量，混合氣中的氧濃度下降；同時廢氣中存在惰性成分也會給燃燒帶來負面影響，所以使用EGR后發動機會出現動力性下降、經濟性惡化 [9?11]；但是，由于廢氣的溫度遠遠高于新鮮充量，在混合時會加熱新鮮充量，所以發動機低負荷時使用EGR性能會出現小幅度的提升。

在高海拔下大氣壓力低于平原地區，大氣中的氧濃度也會降低，即使采用增壓技術，也難以使發動機的進氣情況與標準大氣壓下相同[12]。不同氣壓下，使用EGR將對發動機的工作性能及排放產生不同的影響。本文采用AVL?Boost軟件對某型號柴油機工作過程進行模擬，研究分析了不同大氣壓力下，EGR對發動機動力性、經濟性及排放性能的影響。

1 模型的建立與驗證

1.1 模型的建立

利用Boost軟件根據發動機實物的基本構造建立了一維模型，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；柴油機的基本結構參數見表1。這個一維模型在實物的基礎上增加了廢氣再循環回路，回路中加入了冷卻裝置，使用流量閥R2來實現EGR閥的功能。

表1 發動機基本結構參數

[型號＼&4102GBZ＼&型式＼&立式、直列、水冷、增壓、四行程＼&缸徑×行程 /mm＼&102×115＼&連桿長度 /mm＼&184＼&壓縮比＼&17.5∶1＼&最大轉矩/轉速＼&360.74 N·m/1 800 r/min＼&標定功率/轉速＼&97 kW/3 200 r/min＼&]

圖1 帶有EGR回路的發動機一維模型

1.2 模型的標定

根據所研究柴油機的平原臺架試驗數據來標定建立的一維模型，仿真結果與試驗結果的對比如圖2～圖4所示。

圖2 轉矩的試驗值與模擬值對比曲線

圖3 油耗的試驗值與模擬值對比曲線

圖4 缸內壓力的試驗值與模擬值對比曲線

通過對比，發動機轉矩的模擬值與試驗值最大誤差為4.1%，油耗的模擬值與試驗值最大誤差為3.97%，最大轉矩轉速（1 800 r/min）時缸內壓力的模擬值與試驗值最大誤差為1.82%，在允許的5%誤差范圍內，說明建立的模型基本正確，可以利用該模型進行下一步的研究。

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量，EGR率可以定義為再循環廢氣的質量占總的進氣質量的百分比，公式為[13]：

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

式中：[G]為質量流量；[R]為氣體常數；[n]為發動機轉速；[α]為質量流量；[P]為絕對壓力；[VL]為發動機排量；[ην]為充氣效率；[A]為節流孔截面積。下標[a]表示大氣；in表示進氣管處，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閥門后和進氣總管處設置測量點既可測得參與再循環的廢氣量和總的進氣量，如圖1中測量點MP4和MP14。所以EGR率的計算公式可以簡化為[14]：

[ηEGR=MfMP14MfMP4×100%] （2）

式中：[MfMP14]為測量點MP14處的再循環廢氣質量流量；[MfMP4]為測量點MP4處的總進氣質量流量。

3 不同大氣壓力下EGR對發動機工作性能和

排放的影響

3.1 高原環境下（大氣壓力為81 kPa）EGR對發動機性能和排放的影響

通過模擬計算，81 kPa時發動機在3 000 r/min時EGR率最大達到了48.1%。EGR對發動機動力性和經濟性的影響在中小負荷不明顯；對NOx排放的減少非常顯著；當EGR率超過一定限值Soot排放會急劇惡化。

圖5表明，發動機3 000 r/min在低負荷運行時EGR率增加使柴油機性能有所優化，這是因為高溫廢氣會加熱新鮮充量，廢氣中的氧氣也會增加混合氣的氧濃度，使得燃燒更好。中等負荷下，EGR對柴油機的動力性和經濟性影響很小。全負荷時，隨著EGR率的增加發動機的動力性和經濟性出現惡化，尤其是當EGR率超過20%時急劇惡化，這是由于再循環廢氣稀釋了充量，廢氣中的惰性氣體成分也會阻礙燃燒的進行。

NOx的排放隨EGR率增大而減少，35%負荷工況當EGR率從5%增大到25%時NOx減少了89%；Soot的排放在小負荷工況時幾乎沒有變化，中等負荷工況下增加了1.18 g/（kW·h），而大負荷工況下當EGR率超過15%時會急劇惡化，100%負荷工況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對柴油機性能和排放的影響

圖6是3 000 r/min、大氣壓力分別為81 kPa，90 kPa和100 kPa時， EGR率為25%時對發動機性能和排放影響的對比。

從圖中可以直觀地看到，發動機在不同氣壓下動力性和經濟性在中小負荷工況時幾乎沒有變化，在中高負荷工況時，81 kPa低于90 kPa，90 kPa低于100 kPa；在小負荷工況時，NOx的排放隨著氣壓的降低略有改善，而大負荷工況時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，進氣量減少造成的。

4 結 語

（1） 81 kPa時，3 000 r/min能達到的最大EGR率為48.1%；考慮到高EGR率時發動機性能會惡化，EGR率最大只能選到15%；如果全負荷工況時不進行EGR，81 kPa可以選取的最大EGR率可以達到25%。EGR對發動機動力性和經濟性的影響在中小負荷工況下不明顯；3 000 r/min時對NOx排放的減少最大達到89%；當EGR超過15%，Soot的排放會急劇惡化，全負荷工況EGR率為25%時增加200多倍。

（2） 90 kPa時，3 000 r/min能達到的最大EGR率為47.6%；考慮到高EGR率時發動機性能會惡化，EGR率最大可以選到25%；如果全負荷工況時不進行EGR，90 kPa可以選取的最大EGR率可以達到30%。EGR對發動機動力性和經濟性的影響在中小負荷工況下不明顯；3 000 r/min時對NOx排放的減少最大達到85.4%；當EGR超過25%，Soot的排放會急劇惡化，全負荷工況EGR率為30%時增加300多倍。

（3） 大氣壓力越低（海拔越高）EGR在發動機中的適用范圍越小。

（4） 相同EGR率時，在中小負荷工況下，發動機的動力性、經濟性和排放性能隨著氣壓的降低變化不大；而在中高負荷工況下，隨著大氣壓力降低會出現明顯惡化。

參考文獻

[1] 鄒振宇，劉晶.EGR對柴油機排放影響之研究[J].長春工程學院學報，2011，12（3）：38?40.

[2] 石露.EGR對車用柴油機燃燒與排放的影響[J].農業裝備及車輛工程，2011（6）：49?51.

[3] 馬勇，汪春梅，汪子涵，等.PCCI結合EGR對柴油機燃燒排放的影響[J].內燃機與動力裝置，2010（1）：43?47.

[4] YOSHIO Akira Noda， TADASHI Sakamoto. Combustion and NOx emission characteristics in a DI methanol engine using supercharging with EGR， SAE 971647 [R]. USA： SAE， 1997.

[5] LANGRIDGE S， FESSLER H. Strategies for high EGR rates in a diesel engine， SAE 2002?01?0961 [R]. USA： SAE， 2002.

[6] BAERT R S G， BECKMAN D E， VEEN A. Efficient EGR technology for future HD diesel engine emission targets， SAE 1999?01?0837 [R]. USA： SAE， 1999.

[7] 張韋，舒歌群，韓睿，等.高比率冷EGR與進氣富氧對柴油機燃燒及排放特性的影響[J].內燃機工程，2011，32（4）：12?16.

[8] EGNELL Rolf. The influence of EGR on heat release rate and NO formation in a DI diesel engine， SAE 2000?01?1807 [R]. USA： SAE， 2000.

[9] 張煜盛，常漢寶，陸藝紅.排氣再循環對柴油機性能影響的計算研究[J].小型內燃機與摩托車，2001，30（4）：1?4.

[10] 韓林沛，劉洪濤，孫博.EGR對車用柴油機性能影響的試驗研究[J].車用發動機，2012（1）：51?55.

[11] 杜德興.廢氣再循環成分對擴散燃燒中碳煙成核的影響[J].浙江大學學報，2001，35（5）：517?519.

[12] 申立中，楊永忠，雷基林.不同海拔下增壓中冷柴油機性能和排放的研究[J].內燃機學報，2006，24（3）：250?255.

[13] 楊帥，周毅，鄒任玲.EGR對柴油機工作過程影響的一維模擬[J].農業機械學報，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，發動機3 000 r/min在低負荷運行時EGR率增加使柴油機性能有所優化，這是因為高溫廢氣會加熱新鮮充量，廢氣中的氧氣也會增加混合氣的氧濃度，使得燃燒更好。中等負荷下，EGR對柴油機的動力性和經濟性影響很小。全負荷時，隨著EGR率的增加發動機的動力性和經濟性出現惡化，尤其是當EGR率超過20%時急劇惡化，這是由于再循環廢氣稀釋了充量，廢氣中的惰性氣體成分也會阻礙燃燒的進行。

NOx的排放隨EGR率增大而減少，35%負荷工況當EGR率從5%增大到25%時NOx減少了89%；Soot的排放在小負荷工況時幾乎沒有變化，中等負荷工況下增加了1.18 g/（kW·h），而大負荷工況下當EGR率超過15%時會急劇惡化，100%負荷工況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對柴油機性能和排放的影響

圖6是3 000 r/min、大氣壓力分別為81 kPa，90 kPa和100 kPa時， EGR率為25%時對發動機性能和排放影響的對比。

從圖中可以直觀地看到，發動機在不同氣壓下動力性和經濟性在中小負荷工況時幾乎沒有變化，在中高負荷工況時，81 kPa低于90 kPa，90 kPa低于100 kPa；在小負荷工況時，NOx的排放隨著氣壓的降低略有改善，而大負荷工況時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，進氣量減少造成的。

4 結 語

（1） 81 kPa時，3 000 r/min能達到的最大EGR率為48.1%；考慮到高EGR率時發動機性能會惡化，EGR率最大只能選到15%；如果全負荷工況時不進行EGR，81 kPa可以選取的最大EGR率可以達到25%。EGR對發動機動力性和經濟性的影響在中小負荷工況下不明顯；3 000 r/min時對NOx排放的減少最大達到89%；當EGR超過15%，Soot的排放會急劇惡化，全負荷工況EGR率為25%時增加200多倍。

（2） 90 kPa時，3 000 r/min能達到的最大EGR率為47.6%；考慮到高EGR率時發動機性能會惡化，EGR率最大可以選到25%；如果全負荷工況時不進行EGR，90 kPa可以選取的最大EGR率可以達到30%。EGR對發動機動力性和經濟性的影響在中小負荷工況下不明顯；3 000 r/min時對NOx排放的減少最大達到85.4%；當EGR超過25%，Soot的排放會急劇惡化，全負荷工況EGR率為30%時增加300多倍。

（3） 大氣壓力越低（海拔越高）EGR在發動機中的適用范圍越小。

（4） 相同EGR率時，在中小負荷工況下，發動機的動力性、經濟性和排放性能隨著氣壓的降低變化不大；而在中高負荷工況下，隨著大氣壓力降低會出現明顯惡化。

參考文獻

[1] 鄒振宇，劉晶.EGR對柴油機排放影響之研究[J].長春工程學院學報，2011，12（3）：38?40.

[2] 石露.EGR對車用柴油機燃燒與排放的影響[J].農業裝備及車輛工程，2011（6）：49?51.

[3] 馬勇，汪春梅，汪子涵，等.PCCI結合EGR對柴油機燃燒排放的影響[J].內燃機與動力裝置，2010（1）：43?47.

[4] YOSHIO Akira Noda， TADASHI Sakamoto. Combustion and NOx emission characteristics in a DI methanol engine using supercharging with EGR， SAE 971647 [R]. USA： SAE， 1997.

[5] LANGRIDGE S， FESSLER H. Strategies for high EGR rates in a diesel engine， SAE 2002?01?0961 [R]. USA： SAE， 2002.

[6] BAERT R S G， BECKMAN D E， VEEN A. Efficient EGR technology for future HD diesel engine emission targets， SAE 1999?01?0837 [R]. USA： SAE， 1999.

[7] 張韋，舒歌群，韓睿，等.高比率冷EGR與進氣富氧對柴油機燃燒及排放特性的影響[J].內燃機工程，2011，32（4）：12?16.

[8] EGNELL Rolf. The influence of EGR on heat release rate and NO formation in a DI diesel engine， SAE 2000?01?1807 [R]. USA： SAE， 2000.

[9] 張煜盛，常漢寶，陸藝紅.排氣再循環對柴油機性能影響的計算研究[J].小型內燃機與摩托車，2001，30（4）：1?4.

[10] 韓林沛，劉洪濤，孫博.EGR對車用柴油機性能影響的試驗研究[J].車用發動機，2012（1）：51?55.

[11] 杜德興.廢氣再循環成分對擴散燃燒中碳煙成核的影響[J].浙江大學學報，2001，35（5）：517?519.

[12] 申立中，楊永忠，雷基林.不同海拔下增壓中冷柴油機性能和排放的研究[J].內燃機學報，2006，24（3）：250?255.

[13] 楊帥，周毅，鄒任玲.EGR對柴油機工作過程影響的一維模擬[J].農業機械學報，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，發動機3 000 r/min在低負荷運行時EGR率增加使柴油機性能有所優化，這是因為高溫廢氣會加熱新鮮充量，廢氣中的氧氣也會增加混合氣的氧濃度，使得燃燒更好。中等負荷下，EGR對柴油機的動力性和經濟性影響很小。全負荷時，隨著EGR率的增加發動機的動力性和經濟性出現惡化，尤其是當EGR率超過20%時急劇惡化，這是由于再循環廢氣稀釋了充量，廢氣中的惰性氣體成分也會阻礙燃燒的進行。

NOx的排放隨EGR率增大而減少，35%負荷工況當EGR率從5%增大到25%時NOx減少了89%；Soot的排放在小負荷工況時幾乎沒有變化，中等負荷工況下增加了1.18 g/（kW·h），而大負荷工況下當EGR率超過15%時會急劇惡化，100%負荷工況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對柴油機性能和排放的影響

圖6是3 000 r/min、大氣壓力分別為81 kPa，90 kPa和100 kPa時， EGR率為25%時對發動機性能和排放影響的對比。

從圖中可以直觀地看到，發動機在不同氣壓下動力性和經濟性在中小負荷工況時幾乎沒有變化，在中高負荷工況時，81 kPa低于90 kPa，90 kPa低于100 kPa；在小負荷工況時，NOx的排放隨著氣壓的降低略有改善，而大負荷工況時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，進氣量減少造成的。

4 結 語

（1） 81 kPa時，3 000 r/min能達到的最大EGR率為48.1%；考慮到高EGR率時發動機性能會惡化，EGR率最大只能選到15%；如果全負荷工況時不進行EGR，81 kPa可以選取的最大EGR率可以達到25%。EGR對發動機動力性和經濟性的影響在中小負荷工況下不明顯；3 000 r/min時對NOx排放的減少最大達到89%；當EGR超過15%，Soot的排放會急劇惡化，全負荷工況EGR率為25%時增加200多倍。

（2） 90 kPa時，3 000 r/min能達到的最大EGR率為47.6%；考慮到高EGR率時發動機性能會惡化，EGR率最大可以選到25%；如果全負荷工況時不進行EGR，90 kPa可以選取的最大EGR率可以達到30%。EGR對發動機動力性和經濟性的影響在中小負荷工況下不明顯；3 000 r/min時對NOx排放的減少最大達到85.4%；當EGR超過25%，Soot的排放會急劇惡化，全負荷工況EGR率為30%時增加300多倍。

（3） 大氣壓力越低（海拔越高）EGR在發動機中的適用范圍越小。

（4） 相同EGR率時，在中小負荷工況下，發動機的動力性、經濟性和排放性能隨著氣壓的降低變化不大；而在中高負荷工況下，隨著大氣壓力降低會出現明顯惡化。

參考文獻

[1] 鄒振宇，劉晶.EGR對柴油機排放影響之研究[J].長春工程學院學報，2011，12（3）：38?40.

[2] 石露.EGR對車用柴油機燃燒與排放的影響[J].農業裝備及車輛工程，2011（6）：49?51.

[3] 馬勇，汪春梅，汪子涵，等.PCCI結合EGR對柴油機燃燒排放的影響[J].內燃機與動力裝置，2010（1）：43?47.

[4] YOSHIO Akira Noda， TADASHI Sakamoto. Combustion and NOx emission characteristics in a DI methanol engine using supercharging with EGR， SAE 971647 [R]. USA： SAE， 1997.

[5] LANGRIDGE S， FESSLER H. Strategies for high EGR rates in a diesel engine， SAE 2002?01?0961 [R]. USA： SAE， 2002.

[6] BAERT R S G， BECKMAN D E， VEEN A. Efficient EGR technology for future HD diesel engine emission targets， SAE 1999?01?0837 [R]. USA： SAE， 1999.

[7] 張韋，舒歌群，韓睿，等.高比率冷EGR與進氣富氧對柴油機燃燒及排放特性的影響[J].內燃機工程，2011，32（4）：12?16.

[8] EGNELL Rolf. The influence of EGR on heat release rate and NO formation in a DI diesel engine， SAE 2000?01?1807 [R]. USA： SAE， 2000.

[9] 張煜盛，常漢寶，陸藝紅.排氣再循環對柴油機性能影響的計算研究[J].小型內燃機與摩托車，2001，30（4）：1?4.

[10] 韓林沛，劉洪濤，孫博.EGR對車用柴油機性能影響的試驗研究[J].車用發動機，2012（1）：51?55.

[11] 杜德興.廢氣再循環成分對擴散燃燒中碳煙成核的影響[J].浙江大學學報，2001，35（5）：517?519.

[12] 申立中，楊永忠，雷基林.不同海拔下增壓中冷柴油機性能和排放的研究[J].內燃機學報，2006，24（3）：250?255.

[13] 楊帥，周毅，鄒任玲.EGR對柴油機工作過程影響的一維模擬[J].農業機械學報，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.