基于柴油機各缸EGR率差異的分缸仿真分析

龍海生，彭宇明，李大勇

（1.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031；2.成都威特電噴有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

柴油機因為結構等方面的原因，排氣循環入口位置與各缸進氣口距離不一致，導致各缸實際的EGR率不一致。在同樣的噴油參數下，各缸實際EGR率不同，其燃燒情況也不同。傳統柴油機噴油控制并沒有考慮柴油機各缸EGR率不同對柴油機燃燒排放的影響，多采用各缸噴油參數相一致的統一噴油控制策略，導致柴油機各缸燃燒不平衡，對柴油機工作的平穩性和排放性都會造成很大的影響。

1 電控單體泵柴油機仿真模型的建立

1.1 建立柴油機仿真模型

本文以4缸電控單體泵柴油機為原型，在建模過程中實體模型的結構參數來自于臺架柴油機的實際結構尺寸。在軟件GTSUITE環境下，建立該發動機的計算模型，其中，圓管尺寸直接使用實測所得值，不是圓管的利用當量直徑進行替換；匹配參數如進、排氣定時等完全按照原始機的給定值進行設定，以確保實體模型模擬的準確性。

1.2 仿真模型準確性驗證

1.2.1 柴油機模型仿真分析

在模擬計算過程中，模型各缸采用相同的噴油參數。設置柴油機轉速為柴油機低怠速n＝800r/min，廢氣循環率為零。設置模型中噴油參數如下：各缸循環噴油量為30mg，各缸噴油提前角為6°CA。模擬計算后柴油機NOx排放濃度為143.5‰（體積分數）。

1.2.2 柴油機仿真模型驗證

在仿真模型驗證過程中，分別選用柴油機轉速為800r/min的穩態工況和轉速為2 500r/min、負荷為110Nm兩種工況進行驗證。根據以往該型柴油機在實驗測試中得出的數據，怠速為800r/min時，實驗測出柴油機的NOx排放濃度為141.8‰（體積分數）；轉速為2 500r/min、扭矩為110Nm時，柴油機NOx排放濃度為194.3‰（體積分數）。

對比實驗數據與仿真模型模擬計算得出的柴油機NOx排放濃度可知：在轉速為800r/min時，仿真計算得到的NOx排放量與實驗數據相差1.2%；在轉速為2 500r/min時，仿真計算得到的NOx排放濃度為197.4‰（體積分數），與實驗數據相差1.6%，差距很小，在可接受的范圍內。由上述數據對比可知模型建立正確。

2 各缸噴油參數相同標定方法的仿真分析

2.1 各缸噴油參數相同的標定方式所存在的問題

廢氣再循環在柴油機中低轉速段對柴油機的排放性能有著很大的影響，據此基于建立的模型模擬EGR對柴油機排放的影響時，分別選用轉速為1 950r/min和1 500r/min兩種穩態工況進行模擬分析。按照以往實驗標定時柴油機在這兩種工況下的噴油參數及EGR上限設定來確定仿真模型的噴油參數及EGR設定，并在各缸噴油參數相同的標定方式下建立柴油機仿真模型進行仿真分析。模型的噴油參數及柴油機EGR上限值設定如下：當n＝1 500r/min時，噴油提前角為9°CA，各缸循環噴油量為48.5mg，EGR上限為23%；當n＝1 950r/min時，噴油提前角為－10°CA，各缸循環噴油量為50mg，EGR上限為25%。

在仿真模型中按照以上給出的噴油參數進行仿真運算，當每缸噴油參數相同時，仿真模擬運算后得出以下數據：

n＝1 950r/min時，按1～4缸順序，各缸實際EGR率：21%，21.6%，21.8%，23.3%；各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：4.39，3.64，3.14，2.67；各缸 SOOT排放［g/（kW·h）］：0.00，0.01，0.02，0.04。

n＝1 500r/min時按1～4缸順序，各缸實際EGR率：18.1%，18.3%，18.5%，19.9%；各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：3.16，2.98，2.74，2.38；各缸SOOT 排放［g/（kW·h）］：0.01，0.01，0.02，0.03。

從以上運算數據中可以看到：在噴油參數相同的情況下，柴油機各缸實際EGR率不相同，各缸NOx和SOOT排放因EGR率的不同也有較大差異。

2.2 柴油機各缸實際EGR率不同的原因分析

當廢氣經過廢氣循環系統進入進氣歧管時，由于廢氣進口位置與柴油機各缸進氣門距離有差異，進入氣缸的氣體因為廢氣與空氣混合程度不同，使得實際進入各缸的廢氣量也不同。因此，柴油機各缸的實際EGR率不一樣。

3 分缸標定優化的仿真分析

通過對影響柴油機尾氣中NOx和SOOT排放因素的分析可知：噴油量能有效地控制柴油機尾氣中SOOT排放，而噴油提前角對柴油機NOx的排放影響很大。要達到同時對柴油機NOx和SOOT排放進行控制調節，就需要對柴油機的噴油量跟噴油提前角均進行分缸標定控制。在具體的分缸標定研究中，選用轉速為n＝1 950r/min及n＝1 500r/min兩種穩態工況進行研究分析。

在n＝1 950r/min及n＝1 500r/min時，對柴油機噴油量與噴油提前角同時進行分缸標定。

n＝1 950r/min時，按1～4缸順序，設定各缸循環噴油量（mg）為：49.5，49，49，48.5；各缸噴油提前角（℃A）為：6，8.5，10，12。

按此噴油參數進行模擬計算，得出以下排放數據：各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：3.13，3.14，3.11，3.08；各缸 SOOT 排放［g/（kW·h）］：0.00，0.01，0.01，0.03。

n＝1 500r/min時，按1～4缸順序，各缸循環噴油量為（mg）：48.5，48.5，48，47.5；各缸噴油提前角（℃A）為：7.5，8.5，9.5，11。

按此噴油參數進行模擬計算，得出以下排放數據：各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：2.84，2.86，2.84，2.72；各缸 SOOT 排放［g/（kW·h）］：0.01，0.01，0.01，0.02。

對比分析統一噴油參數標定方式與噴油參數分缸標定方式柴油機尾氣中NOx與SOOT排放可知：通過對噴油參數的分缸標定，柴油機各缸的NOx排放更均衡，各缸SOOT排放差異的現象也得到了較大改善。

4 結論

（1）由于柴油機EGR入口位置與各缸距離不一致，循環廢氣與空氣的混合程度不同，使得進入柴油機各缸實際的廢氣量不同，導致各缸實際EGR率不同。

（2）在相同的噴油參數條件下，EGR率越高，缸內燃燒溫度越低，NOx排放量越少，SOOT排放量增加。柴油機各缸實際EGR率不同，各缸燃燒情況不同，對柴油機整體的排放性及工作的平穩性都有很大的影響。

（3）對柴油機噴油量和噴油提前角同時進行分缸標定，對減少柴油機NOx和SOOT排放以及改善柴油機各缸燃燒均衡性等方面均有較好的效果。

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