基于EGR技術(shù)分析的農(nóng)用甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究

耿 杰，甄旭東，王新建，王銀山，趙培濤

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，天津 300222)

隨著人們生活水平的日益提高，汽車(chē)保有量越來(lái)越大，隨之而來(lái)的環(huán)保和能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。甲醇由于生產(chǎn)成本較低、獲取比較方便、生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)成熟等原因，特別適合作為石油的代用燃料，對(duì)于解決我國(guó)石油能源短缺問(wèn)題具有重要的戰(zhàn)略意義。然而甲醇在燃燒過(guò)程中，可能產(chǎn)生醛類(lèi)，并釋放未燃甲醇，對(duì)環(huán)境造成污染。汪洋等對(duì)點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了研究[2-6]，Brusstar等于20世紀(jì)90年代在高壓縮比柴油機(jī)上開(kāi)展了甲醇燃料的研究[7]，為以后大馬力甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究提供了新的方案與參考。通過(guò)傳統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)排氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，簡(jiǎn)稱(chēng)EGR)系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化，該優(yōu)化過(guò)程須要大額的試驗(yàn)設(shè)備投資和大量的人力投入，且耗費(fèi)周期長(zhǎng)，因此有必要通過(guò)軟件工具對(duì)其設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，建立仿真模型，縮短廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，并提出最恰當(dāng)?shù)膹U氣再循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)到最佳。

1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 燃燒模型

為獲得缸內(nèi)壓力示功圖，本研究采用零維模型(通常采用韋伯函數(shù))模擬燃燒放熱率：

(1)

式中：Q為燃料燃燒放出的熱量；Qg為每循環(huán)燃料燃燒放熱量；φz為燃燒持續(xù)期的曲軸轉(zhuǎn)角；φ0為燃燒起始角；φ為瞬時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角；m為燃燒品質(zhì)指數(shù)。

1.2 傳熱模型

傳熱計(jì)算公式為

(2)

(3)

1.3 進(jìn)氣管模型

連續(xù)性方程：

(4)

動(dòng)量方程：

(5)

能量方程：

(6)

式中：ρ為氣體密度；u為氣體速度；A為管截面積；x為沿管軸線坐標(biāo)；p為管內(nèi)壓力；V為單位網(wǎng)格體積；F為壁面摩擦力；E為單位質(zhì)量氣體能量；qW為壁面?zhèn)鳠崃?；t為時(shí)間。

2 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真模型的建立

GT-Power可用于內(nèi)燃機(jī)性能模擬與仿真計(jì)算，基于一維流體力學(xué)模型，采用有限體積法對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行仿真計(jì)算[8]?；鸹c(diǎn)燃式甲醇四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型是在單缸基礎(chǔ)上建立的，以某款農(nóng)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為原型(表1)，利用 GT-POWER軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真計(jì)算模型(圖1)。所建模型已經(jīng)經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證分析[9]，可用來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬參數(shù)

由于EGR系統(tǒng)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能造成一定影響，所以當(dāng)EGR系統(tǒng)工作時(shí)，點(diǎn)火提前角也要作相應(yīng)調(diào)整。保持發(fā)動(dòng)機(jī)其他模擬參數(shù)不變，改變點(diǎn)火提前角，使EGR率為0～40%，模擬參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬參數(shù)

3.1.1 點(diǎn)火提前角、EGR率對(duì)缸內(nèi)壓力、放熱率的影響 從圖2、圖3可以看出，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)壓力減??；當(dāng)EGR率為30%，點(diǎn)火提前角為-6°CA時(shí)整個(gè)曲線較平緩，壓力升高率較小。在同一EGR率下，點(diǎn)火提前角增大時(shí)，缸內(nèi)壓力也增大，因此當(dāng)缸內(nèi)EGR率不變時(shí)，可以適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角，使缸內(nèi)壓力增大。當(dāng)EGR率增大時(shí)，放熱率降低；當(dāng)EGR率相同時(shí)，隨著點(diǎn)火提前角的增大，放熱率峰值升高。當(dāng)EGR率為40%時(shí)，無(wú)論點(diǎn)火提前角是多少，放熱率值均接近于0，原因是EGR率過(guò)高，廢氣再循環(huán)過(guò)多，進(jìn)到氣缸內(nèi)的廢氣量過(guò)大，嚴(yán)重影響可燃混合氣的點(diǎn)燃和持續(xù)燃燒，因此，EGR率不可以太高。

3.1.2 點(diǎn)火提前角和EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)指示性能的影響 由圖4-a可知，當(dāng)EGR率為0、10%時(shí)，點(diǎn)火提前角越大，平均指示壓力越小，且變化較為平緩。當(dāng)EGR率為20%時(shí)，指示壓力變化最為平緩，且當(dāng)點(diǎn)火提前角為10°CA時(shí)，平均指示壓力最大，為1.602 MPa。當(dāng)EGR率等于30%時(shí)，平均指示壓力隨點(diǎn)火提前角的增大而增大。因此，當(dāng)EGR率為30%左右時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角。

由圖4-b可知，當(dāng)EGR率為0、10%時(shí)，隨著點(diǎn)火提前角的增大，指示燃料消耗率也增大；當(dāng)EGR率為20%，點(diǎn)火提前角為6°CA時(shí)，指示燃料消耗率最大，為505.4 g/(kW·h)，10°CA 的值最小，為 495.8 g/(kW·h)。 當(dāng)EGR率為30%時(shí)，點(diǎn)火提前角越大，指示燃料消耗率越小，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性越好。

3.1.3 點(diǎn)火提前角、EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效性能的影響 由圖 5-a 可知，當(dāng)EGR率為0、10%時(shí)，點(diǎn)火提前角越大，有效功率越??；當(dāng)EGR率為30%時(shí)，點(diǎn)火提前角越大，有效功率越大，說(shuō)明當(dāng)EGR率大于20%時(shí)，點(diǎn)火提前角越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性越好。由圖5-b可知，當(dāng)EGR率小于20%時(shí)，點(diǎn)火提前角越大，燃料消耗率越大；當(dāng)EGR率為20%時(shí)，點(diǎn)火提前角等于8°CA處的燃料消耗率最小；當(dāng)EGR率為30%時(shí)，點(diǎn)火提前角越大，燃料消耗率越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性越好。

3.1.4 點(diǎn)火提前角、EGR率對(duì)NOx排放影響 由圖6-a可知，當(dāng)點(diǎn)火提前角為6°CA時(shí)，NOx排放量最少。隨著點(diǎn)火提前角的增大，NOx濃度峰值增大，當(dāng)點(diǎn)火提前角增大到 14°CA時(shí)，NOx排放量最大，且峰值相位提前。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為20～50°CA時(shí)，點(diǎn)火提前角越小，NOx濃度越大。由 圖6-b 可知，當(dāng)EGR率為20%時(shí)，NOx排放量隨點(diǎn)火角變化的趨勢(shì)和EGR率為10%時(shí)幾乎一致，但NOx排放量較EGR率為10%時(shí)大幅下降，因此，為有效降低NOx排放量，應(yīng)適當(dāng)提高EGR率。

3.2 負(fù)荷和EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的匹配影響

發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)隨著負(fù)荷的改變而發(fā)生變化，本研究在加入EGR率的情況下，改變發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，研究分析發(fā)動(dòng)機(jī)性能，以便對(duì)不同負(fù)荷與EGR率的選擇進(jìn)行最優(yōu)匹配。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，通過(guò)改變節(jié)氣門(mén)的開(kāi)啟角度反映負(fù)荷大小，發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 負(fù)荷和EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響研究模擬參數(shù)

3.2.1 負(fù)荷和EGR率對(duì)缸內(nèi)壓力的影響 由圖7可知，在不同節(jié)氣門(mén)開(kāi)度(負(fù)荷)下，隨著EGR率的改變，缸內(nèi)平均壓力曲線的變化規(guī)律相似，都是隨EGR率的增大而降低。比較3組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度越大，缸內(nèi)壓力峰值也越大，原因是隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的增大，進(jìn)入缸內(nèi)的工質(zhì)增多；節(jié)氣門(mén)開(kāi)度從10°增至30°時(shí)，壓力峰值增加較明顯；從3個(gè)圖的橫向?qū)Ρ葋?lái)看，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度從30°增大至50°時(shí)，同一EGR率下的壓力峰值增加，但增加趨勢(shì)變緩。

3.2.2 負(fù)荷、EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效性能影響 由圖8-a可知，EGR率越小，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率越大。當(dāng)EGR率相同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度越大，有效功率越大。節(jié)氣門(mén)開(kāi)度從10°增大到30°時(shí)，功率上升較快，變化率較大，而從50°增大到90°時(shí)，變化率較小，這是因?yàn)楣?jié)氣門(mén)開(kāi)度增大，缸內(nèi)新鮮充量增多，廢氣相對(duì)減少，燃燒速度加快，泵氣損失減少，有效功率增加；而負(fù)荷繼續(xù)增大時(shí)，泵氣損失變化相對(duì)較小，所以功率增加較小，達(dá)到最大負(fù)荷時(shí)，功率達(dá)到最大值。圖8-a顯示，隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)有效輸出功率增大，這符合發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性曲線變化特征。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，燃料消耗率隨負(fù)荷變化而變化的關(guān)系被稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性，圖8-b中的曲線可以看作發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性曲線。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃料消耗率隨負(fù)荷的增加而減小。節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為10%，隨著EGR率的增大，燃油消耗率迅速增加，原因在于此時(shí)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較小，可燃混合氣總量較小，增加較多廢氣再循環(huán)，加重了發(fā)動(dòng)機(jī)的不正常燃燒，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)正常穩(wěn)定燃燒，必須增加進(jìn)油，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。節(jié)氣門(mén)開(kāi)度從10°增大到30°時(shí)，燃料消耗率降低較為明顯，而繼續(xù)增大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，燃料消耗率變化較小，原因與有效功率隨節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的變化一致。有效燃料消耗率減小時(shí)，有效熱效率增加，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。在圖8-b中，當(dāng)EGR率為30%時(shí)，節(jié)氣門(mén)在10%～30%之間的曲線沒(méi)有顯示出來(lái)，經(jīng)過(guò)分析研究認(rèn)為，此段EGR率較大，廢氣較多，而節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較小，新鮮空氣較少，可燃混合氣被稀釋太多，因此在GT-power軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，燃燒室內(nèi)可燃混合氣太稀，并未達(dá)到合理的點(diǎn)燃條件，這一段并未有效燃燒，因此缺少一段。

由圖9可知，相同的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，EGR率增大，NOx濃度減小。當(dāng)EGR率不變時(shí)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大，缸內(nèi)溫度升高，NOx濃度增大。當(dāng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為50°～90°時(shí)，NOx濃度差異較小。

4 結(jié)論

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷不變，點(diǎn)火提前角相同時(shí)，EGR率越高，平均指示壓力越小，動(dòng)力性越差；當(dāng)EGR率為0～10%時(shí)，點(diǎn)火提前角越大，有效功率越小，有效燃料消耗率越大；當(dāng)EGR率為20%，點(diǎn)火提前角為10°CA時(shí)的有效功率最大，動(dòng)力性最好；當(dāng)EGR率為30%時(shí)，點(diǎn)火提前角越大，有效功率越大，有效燃料消耗率越小。

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角一定，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度越大，放熱率越大，壓力越高，有效功率越大，有效燃料消耗率越小，但在50°、70°、90°時(shí)的增加量較小，NOx濃度隨節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大而增大。在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為10°，隨著EGR率的增大，有效燃料消耗率迅速增加，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx濃度較小，所以發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷時(shí)，EGR率應(yīng)減小或?yàn)?。