高原環(huán)境下EGR與VNT對(duì)柴油機(jī)性能影響的仿真研究*

文萬(wàn)斌1 劉少華1 畢玉華1 彭宏偉1 代國(guó)雄 付全

（1-昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室云南昆明6505002-昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司）

Abstract：In order to study the effect of EGR and VNT on diesel engine performance,combustion and emission characteristics for plateau environment,one dimensional flow simulation model of diesel engine including EGR and VNT system was established based on bench testing using GT-POWER and numerical calculation and analysis were carried out.Results show that effective specific fuel consumption of diesel engine basically increases with the increase of EGR rate.When VNT open degree is relatively small, effective specific fuel consumption goes up slowly as EGR rate increases.Maximum cylinder pressure and temperature decrease with the increase of EGR rate.When EGR rate is constant,maximum cylinder pressure falls as VNT open degree goes up.Emission of NOxgradually decreases with the increase of EGR rate.And emission of NOxdecreases with the increase of VNT open degree when EGR rate remains constant.Particulate emissions of different operating conditions show different trends with the increase of EGR rate;Particulate emissions increase with a further increase of the EGR rate.Also,when EGR rate stays the same,particulate emissions basically fall with decrease of VNT open degree.

Keywords：Plateau environment,Exhaust gas recirculation,Variable nozzle turbocharger,Diesel engine, Simulation

高原環(huán)境下EGR與VNT對(duì)柴油機(jī)性能影響的仿真研究*

文萬(wàn)斌1劉少華1畢玉華1彭宏偉1代國(guó)雄2付全2

（1-昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室云南昆明6505002-昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司）

為了研究在高原環(huán)境下排氣再循環(huán)（EGR）與可變噴嘴渦輪增壓（VNT）對(duì)柴油機(jī)性能，燃燒和排放的影響，在臺(tái)架測(cè)試的基礎(chǔ)上，應(yīng)用GT-POWER軟件，建立了帶EGR與VNT系統(tǒng)的柴油機(jī)一維流動(dòng)仿真模型，并進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析。研究表明，隨著EGR率增加，柴油機(jī)有效燃油消耗率基本呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)VNT開(kāi)度比較小時(shí)，有效燃油消耗率隨EGR率增加的幅度也較低。最大缸內(nèi)壓力和最高缸內(nèi)溫度隨著EGR率增加而降低。在EGR率相同時(shí)，最大缸壓隨著VNT開(kāi)度增大而減小。NOx排放隨著EGR率的增大而逐漸降低，EGR率一定時(shí)，NOx排放隨VNT開(kāi)度的增大而逐漸降低。在不同工況下，隨著EGR率增加，顆粒物排放呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)；當(dāng)EGR率進(jìn)一步增大時(shí)，顆粒物排放呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。在相同EGR率時(shí)，顆粒物排放基本隨VNT開(kāi)度的減小逐漸降低。

高原環(huán)境EGRVNT柴油機(jī)性能仿真

Abstract：In order to study the effect of EGR and VNT on diesel engine performance,combustion and emission characteristics for plateau environment,one dimensional flow simulation model of diesel engine including EGR and VNT system was established based on bench testing using GT-POWER and numerical calculation and analysis were carried out.Results show that effective specific fuel consumption of diesel engine basically increases with the increase of EGR rate.When VNT open degree is relatively small, effective specific fuel consumption goes up slowly as EGR rate increases.Maximum cylinder pressure and temperature decrease with the increase of EGR rate.When EGR rate is constant,maximum cylinder pressure falls as VNT open degree goes up.Emission of NOxgradually decreases with the increase of EGR rate.And emission of NOxdecreases with the increase of VNT open degree when EGR rate remains constant.Particulate emissions of different operating conditions show different trends with the increase of EGR rate;Particulate emissions increase with a further increase of the EGR rate.Also,when EGR rate stays the same,particulate emissions basically fall with decrease of VNT open degree.

Keywords：Plateau environment,Exhaust gas recirculation,Variable nozzle turbocharger,Diesel engine, Simulation

引言

采用排氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)能夠有效降低柴油機(jī)氮氧化物（NOx）排放[1-3]。但是在高原環(huán)境下，大氣壓力隨著海拔升高而下降，渦輪進(jìn)排氣壓力差增大，導(dǎo)致渦輪超速，致使壓比升高，加劇傳統(tǒng)增壓中冷柴油機(jī)在某些工況下的進(jìn)排氣逆差問(wèn)題（進(jìn)氣壓力大于排氣壓力），導(dǎo)致EGR率波動(dòng)大以及EGR響應(yīng)遲緩，從而影響柴油機(jī)的燃燒和排放。可變噴嘴渦輪增壓技術(shù)（VNT）除了能夠根據(jù)工況需求調(diào)節(jié)渦輪流通面積，從而匹配柴油機(jī)需求的增壓比，改善增壓柴油機(jī)的低工況性能和瞬態(tài)響應(yīng)外，還能夠調(diào)節(jié)進(jìn)排氣壓差，改善EGR的工作穩(wěn)定性并有效拓寬EGR的工作范圍[4-6]。因此，開(kāi)展高原環(huán)境下EGR與VNT對(duì)某柴油機(jī)性能影響的仿真研究，系統(tǒng)分析EGR與VNT對(duì)柴油機(jī)性能以及燃燒和排放特性的影響關(guān)系。

1仿真模型建立與驗(yàn)證

1.1 仿真模型建立

以四缸高壓共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象，應(yīng)用美國(guó)Gamma Technologies公司開(kāi)發(fā)的GT-Power軟件建立帶EGR與VNT系統(tǒng)的柴油機(jī)一維流動(dòng)仿真模型，模擬柴油機(jī)在高原環(huán)境下的工作過(guò)程，如圖1所示。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 柴油機(jī)GT-Power仿真模型

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 仿真模型的驗(yàn)證

通過(guò)比較仿真模型的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比仿真值和試驗(yàn)值的差異，從而驗(yàn)證該仿真模型的有效性。圖2是柴油機(jī)外特性下主要性能參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比圖。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)值與仿真值吻合度較好，最大誤差均在5%以內(nèi)，說(shuō)明此模型能夠用于預(yù)測(cè)該柴油機(jī)的相關(guān)性能。

圖2 柴油機(jī)試驗(yàn)值與仿真值比較

2仿真計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 VNT與EGR對(duì)柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響分析

圖3表示在1 800 r/min-200 N·m與4 000 r/min-140 N·m工況下EGR與VNT對(duì)柴油機(jī)有效燃油消耗率的影響。

圖3 不同VNT開(kāi)度下EGR率對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

從圖中可以看出，隨著EGR率增加，柴油機(jī)有效燃油消耗率基本呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。而且在VNT開(kāi)度一定時(shí)，EGR率越大，有效燃油消耗率隨EGR率上升速度越快。分析認(rèn)為，EGR率較小時(shí)，隨著EGR率的增加，泵氣損失減少，可以減緩由于空燃比下降帶來(lái)的燃燒惡化程度。隨著EGR率的不斷增加，泵氣損失的降低，已不能彌補(bǔ)燃燒效率下降所帶來(lái)的燃油消耗的增長(zhǎng)，因此，有效燃油消耗率上升速度加快。

在1 800 r/min-200 N·m工況，VNT開(kāi)度為20%時(shí)，當(dāng)EGR增加到11%，有效燃油消耗率上升了2.2%；VNT開(kāi)度為25%時(shí)，同樣的EGR率增加幅度下，有效燃油消耗率上升了3.6%。在1 800 r/min-200 N·m工況，EGR率從0增大到4%的過(guò)程中，VNT開(kāi)度為20%，25%，30%時(shí)，有效燃油消耗率分別上升了0.4%，0.55%，1%；在4 000 r/min-140 N·m工況，EGR率從0增大到14%的過(guò)程中，VNT開(kāi)度為45%，50%，55%，60%，65%，70%，75%，80%所對(duì)應(yīng)的有效燃油消耗率分別上升了0.5%，1.9%，3.2%，3.6%，5.6%，6.5%，8.1%，10.6%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)VNT開(kāi)度較小時(shí)，有效燃油消耗率隨EGR率增加的幅度也較低，VNT開(kāi)度的變化會(huì)對(duì)EGR與有效燃油消耗率之間的關(guān)系產(chǎn)生一定的影響。因此，在高原環(huán)境下引入EGR時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)減小VNT開(kāi)度，恢復(fù)一部分燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.2 VNT與EGR對(duì)柴油機(jī)燃燒特性影響分析

圖4～圖5表示在1 800 r/min-200 N·m和4 000 r/min-140 N·m兩個(gè)工況點(diǎn)，EGR率與VNT開(kāi)度對(duì)柴油機(jī)最大缸內(nèi)壓力和最高缸內(nèi)溫度的影響。

從圖4可以看出，在兩種不同工況下，最大缸內(nèi)壓力均隨著EGR率增大而降低。這主要是因?yàn)橐隕GR后，缸內(nèi)引入的排氣使缸內(nèi)的新鮮空氣量減少，排氣中的大量惰性氣體導(dǎo)致燃燒緩慢，最高燃燒壓力下降。在EGR率相同時(shí)，兩種工況下最大缸壓均隨著VNT開(kāi)度增大而減小。這主要是由于VNT開(kāi)度增大，使得渦輪對(duì)排氣能量利用效率下降，從而導(dǎo)致增壓壓力與進(jìn)氣量下降。在噴油量不作調(diào)整的情況下，燃油與空氣混合效果變差，從而導(dǎo)致燃燒效率下降。

從圖5可以看出，兩種不同工況下最高缸內(nèi)溫度均隨著EGR率增加而降低，主要原因在于，一方面隨著EGR率增加，缸內(nèi)燃燒過(guò)程中廢氣增加，而廢氣中有相當(dāng)大一部分CO2、H2O等三原分子，使得缸內(nèi)氣體比熱容增大；另一方面，EGR引入部分惰性氣體，從而稀釋了缸內(nèi)進(jìn)氣，使得燃燒效率下降，燃燒溫度降低。對(duì)比還發(fā)現(xiàn)，在1 800 r/min-200 N·m工況下，隨著VNT開(kāi)度的減小，在同等EGR率下，缸內(nèi)最高溫度逐漸降低。在4 000 r/min-140 N·m工況下，情況變得較為復(fù)雜。當(dāng)VNT開(kāi)度在45%～60%范圍內(nèi)變化時(shí)，在相同EGR率下，基本呈現(xiàn)出較小的VNT開(kāi)度對(duì)應(yīng)較低的缸內(nèi)最高溫度。當(dāng)VNT開(kāi)度繼續(xù)增大時(shí)，相同EGR率下，缸內(nèi)最高溫度隨VNT開(kāi)度的變化不呈現(xiàn)明顯規(guī)律。

圖4 不同VNT開(kāi)度下EGR率對(duì)最大缸內(nèi)壓力影響

圖5 不同VNT開(kāi)度下EGR率對(duì)缸內(nèi)最高溫度影響

2.3 VNT與EGR對(duì)柴油機(jī)排放特性影響分析

圖6～7為VNT與EGR對(duì)NOx與顆粒物排放的影響。

從圖6可以看出，在兩種工況下，隨著EGR率的增大，NOx排放逐漸降低。EGR率一定時(shí)，NOx排放隨VNT開(kāi)度的增大而逐漸降低。這主要是由于隨著VNT開(kāi)度的減小，增壓比逐漸增大，進(jìn)氣量逐漸增加，缸內(nèi)含氧量進(jìn)而增加，使燃燒更充分，燃燒溫度上升，導(dǎo)致NOx排放增加。在4 000 r/min-140 N·m工況下，隨著EGR率增大，NOx排放在不同VNT開(kāi)度之間差值逐漸縮小。說(shuō)明隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和引入EGR率的增加，VNT開(kāi)度的調(diào)節(jié)對(duì)EGR降低NOx排放的輔助作用在逐漸弱化。

從圖7可以看出，在1 800 r/min-200 N·m工況下VNT開(kāi)度為30%，25%，20%時(shí)，分別對(duì)應(yīng)EGR率小于2%、2%、4%時(shí)，隨著EGR率增加，顆粒物排放下降；當(dāng)EGR率進(jìn)一步增大時(shí)，顆粒物排放隨之增加，且隨著EGR率的增大，上升速度逐漸加快。這主要是因?yàn)樵贓GR率較小時(shí)，EGR率的引入使得缸內(nèi)溫度下降；當(dāng)EGR率進(jìn)一步增大，缸內(nèi)氧濃度大幅降低，缸內(nèi)最高溫度的下降無(wú)法改變氧濃度降低造成顆粒物排放增加的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致顆粒物排放不斷增加。在4 000 r/min-140 N·m工況下，顆粒物排放基本隨著EGR率增大而增加，隨著EGR率增大，顆粒物排放隨EGR率增加的趨勢(shì)更為明顯。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在兩種工況下，在相同EGR率時(shí)，顆粒物排放基本隨VNT開(kāi)度的減小逐漸降低。主要原因在于，隨著VNT開(kāi)度的減小，進(jìn)氣量增加，能夠有效改善燃燒過(guò)程中的缺氧狀況，降低顆粒物排放。

圖6 不同VNT開(kāi)度下EGR率對(duì)NOx排放影響

圖7 不同VNT開(kāi)度下EGR率對(duì)顆粒物排放影響

3結(jié)論

1）隨著EGR率增加，柴油機(jī)有效燃油消耗率基本呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。在VNT開(kāi)度一定時(shí)，EGR率越大，有效燃油消耗率隨EGR率上升速度越快。當(dāng)VNT開(kāi)度較小時(shí)，有效燃油消耗率隨EGR率增加的幅度也較低。在高原環(huán)境下引入EGR時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)減小VNT開(kāi)度，恢復(fù)一部分燃油經(jīng)濟(jì)性。

2）最大缸內(nèi)壓力隨著EGR率增大而降低。在EGR率相同時(shí)，最大缸壓隨著VNT開(kāi)度增大而減小。最高缸內(nèi)溫度隨著EGR率增加而降低。

3）隨著EGR率的增大，NOx排放逐漸降低。EGR率一定時(shí)，NOx排放隨VNT開(kāi)度的增大而逐漸降低。在1 800 r/min-200 N·m工況下，隨著EGR率增加，顆粒物排放先下降后增加；在4 000 r/min-140 N·m工況下，顆粒物排放基本隨著EGR率增大而增加。在相同EGR率時(shí)，顆粒物排放基本隨VNT開(kāi)度的減小逐漸降低。

1朱瑞軍，王錫斌，冉帆，等.EGR和冷EGR對(duì)柴油機(jī)燃燒和排放的影響[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43（9）：23-26

2平銀生，張逸敏，蔡?hào)|波，等.利用EGR降低柴油機(jī)排放的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2000，21（4）：6-10

3楊帥，李秀元，應(yīng)啟戛，等.EGR率對(duì)柴油機(jī)排放特性影響的試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（5）：29-33

4Hawley J G,Wallace F J,Cox,A.,et al.Reduction of steady state NOxlevels from an automotive diesel engine using optimised VGT/EGR schedules[C].SAE Paper 1999-01-0835

5鄭尊清，堯命發(fā)，高俊華，等.采用VNT/EGR和DOC降低柴油機(jī)排放的試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2010，28（4）：289-296

6王天靈，李駿，吳君華，等.EGR和VNT的匹配對(duì)增壓柴油機(jī)排放的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2006，36（4）：493-496

Simulation Study on Effect of EGR and VNT on Diesel Engine Performance for Plateau Environment

Wen Wanbin1,Liu Shaohua1*,Bi Yuhua1,Peng Hongwei1,Dai Guoxiong2,Fu Quan2
1-Yunnan Provincial Key Laboratory of IC Engine,Kunming University of Science and Technology (Kunming,Yunnan,650500,China)2-Kunming Yunnei Power Co.,Ltd.

TK421+.8

A

2095-8234（2016）06-0006-06

2016-09-25）

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51466003）。

文萬(wàn)斌（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)。