基于不同EGR系統的發動機性能仿真研究

尹曉軍,王波,李志杰,賈德民,王曉艷

(1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261000；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

隨著排放法規要求的提高，將柴油機原排控制在合理范圍內，同時不犧牲較多經濟性，是目前研究的方向。引入排氣再循環(exhaust gas recirculation，EGR)可以大幅降低NOx排放，但是不同EGR系統造成的EGR率和油耗率的影響也不同[1]。本文主要研究不同EGR系統對EGR率和油耗率的影響規律。

以6缸15.3 L排量滿足歐Ⅵ排放柴油發動機為例，計算工況轉速為1200 r/min，平均有效制動壓力(brake mean effective pressure，BMEP)為2.4 MPa。主要對單路EGR系統和雙路EGR系統進行分析。單路EGR系統通常與可變幾何渦輪(variable geometry turbocharger,VGT)增壓器匹配，通過調節VGT的開度來滿足EGR率需求[2-5]。隨著VGT增壓器的開度減小， 其渦輪機流通能力降低，增壓器效率下降，有利于提高EGR率，但是會造成泵氣損失增大，不利于經濟性的優化[6-9]。雙路EGR系統通常與雙入口放氣閥式增壓器+單向閥匹配，能夠產生較高的EGR率，且泵氣損失小[10-11]。

1 單路EGR系統分析

1.1 單路中置EGR系統分析

單路中置EGR系統主要由EGR冷卻器、電控EGR閥及單向閥組成，見圖1。EGR系統中廢氣從渦前取氣，經過電控EGR閥，直接引入EGR冷卻器，經過單向閥進入進氣管路[12-14]。EGR率的控制主要通過調整電控EGR閥的開度實現。安裝單向閥是為了充分利用排氣脈沖，避免某些工況中冷后進氣壓力高于渦前壓力造成新鮮進氣倒流[15]。

圖1 單路中置EGR系統布置

對于單路中置EGR系統，主要對比有無單向閥狀態，計算結果如圖2所示。

圖2 單路中置EGR系統布置計算結果

由圖2a)可知，改變增壓器渦輪機的流通能力，過量空氣系數降低。由圖2b)可知，通過減小增壓器渦輪機的流通能力，可以顯著地提高EGR率，隨著渦輪機流通能力的進一步降低，有無單向閥對性能影響較??；在渦輪機流通能力較大時，單向閥更易滿足EGR率的需求；當目標EGR率為15%時，有無單向閥對性能的影響差別不大；由圖2c)可知，在單級增壓范圍內，單路EGR系統中單向閥的應用能夠顯著提高EGR率。

1.2 單路側置EGR系統分析

單路側置EGR系統如圖3所示。該EGR系統由排氣管一側取氣。其計算結果如圖4所示。

圖3 單路側置EGR系統布置示意圖

圖4 單路側置EGR系統布置計算結果

相比單路中置EGR系統，單路側置EGR系統能夠實現更高的EGR率；在渦輪機流通能力較大時單向閥對提高EGR率產生更大的影響；在單級增壓范圍內，單路側置EGR系統無需匹配單向閥進行使用。

2 兩路EGR系統分析

兩路EGR系統應用于裝配脈沖排氣管路的發動機，如圖5所示，EGR于渦前總管a側、b側取氣，兩路EGR氣體引入EGR冷卻器。分別對單雙EGR冷卻器進行計算，計算過程中保證兩種方案的EGR冷卻器總容積一致，如圖6所示。

圖5 兩路EGR系統取氣位置示意圖

圖6 兩路EGR系統布置示意圖

與單EGR冷卻器相比，雙EGR冷卻器的EGR率提高14.4%，如圖7所示。因此,在提升EGR率方面，雙EGR冷卻器更具優勢。通過對兩路EGR系統+單向閥和單路中置EGR+單向閥系統進行對比分析，計算結果如圖8所示。當EGR率為15%時，兩路EGR系統的經濟性明顯優于單路EGR系統。通過對瞬態EGR驅動壓力進行分析，兩路EGR系統降低平均渦前壓力，泵氣損失減小，從而使得油耗優于單路EGR系統。

圖7 兩路EGR系統單雙EGR冷卻器計算結果

3 結論

1) 通過縮小單路EGR系統渦輪尺寸可以產生較高EGR率，但是油耗較高；單向閥在渦輪尺寸較大時明顯提高EGR率。

2) 兩路EGR系統中，雙EGR冷卻器較單EGR冷卻器而言，更具提升EGR率潛力。

3) 兩路EGR系統+單向閥組合方案具有較高EGR率且油耗低的特點，主要原因是泵氣損失小。