不同海拔下EGR对柴油机影响的模拟研究

刘伟　毕玉华　申立中　雷基林　王俊

摘 要： 随着海拔的变化，大气压力和氧气浓度都会发生改变，引入EGR后发动机的性能必然会出现不同于标准大气压环境时的情况。建立了某型号发动机的Boost模型，用标准大气压下的台架试验数据对模型进行了标定验证；模拟研究了不同大气压力下EGR对发动机性能和排放的影响，并比较分析了同一EGR率时不同大气压力下发动机性能的差异。结果表明，除全负荷工况外EGR对发动机的动力性和经济性影响比较小，NOx随EGR率的增加会急剧减少，但大EGR率时Soot排放会急剧恶化；同一EGR率时在中高负荷下，随着海拔的增加，发动机的动力性、经济性和Soot的排放会出现明显恶化。

关键词： 海拔高度的影响； EGR； 柴油机； 性能研究

中图分类号： TN710?34； TK422 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0125?03

0 概 述

随着环境污染问题的日益严峻，节能减排已经成为当今世界共同面临的重大挑战[1]；由于柴油发动机有着良好的热效率和燃油经济性，全球车用动力“柴油化”的趋势已经形成，但是柴油机在NOx和碳烟排放方面的问题依然很突出[2?3]。国内外研究表明EGR（废气再循环）技术是目前用于降低发动机NOx排放的一种有效措施 [4?8]。再循环废气会稀释新鲜充量，混合气中的氧浓度下降；同时废气中存在惰性成分也会给燃烧带来负面影响，所以使用EGR后发动机会出现动力性下降、经济性恶化 [9?11]；但是，由于废气的温度远远高于新鲜充量，在混合时会加热新鲜充量，所以发动机低负荷时使用EGR性能会出现小幅度的提升。

在高海拔下大气压力低于平原地区，大气中的氧浓度也会降低，即使采用增压技术，也难以使发动机的进气情况与标准大气压下相同[12]。不同气压下，使用EGR将对发动机的工作性能及排放产生不同的影响。本文采用AVL?Boost软件对某型号柴油机工作过程进行模拟，研究分析了不同大气压力下，EGR对发动机动力性、经济性及排放性能的影响。

1 模型的建立与验证

1.1 模型的建立

利用Boost软件根据发动机实物的基本构造建立了一维模型，如图1所示。模型主要由空气滤清器、涡轮增压器、中冷器、气缸、EGR阀及连接管路等部件组成；柴油机的基本结构参数见表1。这个一维模型在实物的基础上增加了废气再循环回路，回路中加入了冷却装置，使用流量阀R2来实现EGR阀的功能。

表1 发动机基本结构参数

[型号＼&4102GBZ＼&型式＼&立式、直列、水冷、增压、四行程＼&缸径×行程 /mm＼&102×115＼&连杆长度 /mm＼&184＼&压缩比＼&17.5∶1＼&最大转矩/转速＼&360.74 N·m/1 800 r/min＼&标定功率/转速＼&97 kW/3 200 r/min＼&]

图1 带有EGR回路的发动机一维模型

1.2 模型的标定

根据所研究柴油机的平原台架试验数据来标定建立的一维模型，仿真结果与试验结果的对比如图2～图4所示。

图2 转矩的试验值与模拟值对比曲线

图3 油耗的试验值与模拟值对比曲线

图4 缸内压力的试验值与模拟值对比曲线

通过对比，发动机转矩的模拟值与试验值最大误差为4.1%，油耗的模拟值与试验值最大误差为3.97%，最大转矩转速（1 800 r/min）时缸内压力的模拟值与试验值最大误差为1.82%，在允许的5%误差范围内，说明建立的模型基本正确，可以利用该模型进行下一步的研究。

2 EGR率的确定

国外一般使用EGR率作为表征引入气缸的废气再循环量，EGR率可以定义为再循环废气的质量占总的进气质量的百分比，公式为[13]：

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

式中：[G]为质量流量；[R]为气体常数；[n]为发动机转速；[α]为质量流量；[P]为绝对压力；[VL]为发动机排量；[ην]为充气效率；[A]为节流孔截面积。下标[a]表示大气；in表示进气管处，ex表示排气管处；[r]表示EGR回路处；e表示排气引出处。

确定EGR率通常采用的方法有质量流量法[（ηEGRm）、]容积流量法[（ηEGRv）]和CO2浓度法[（ηEGRCO2）]三种[13]。本文研究中采用质量流量法确定EGR率，在Boost一维模型中只需要在EGR阀门后和进气总管处设置测量点既可测得参与再循环的废气量和总的进气量，如图1中测量点MP4和MP14。所以EGR率的计算公式可以简化为[14]：

[ηEGR=MfMP14MfMP4×100%] （2）

式中：[MfMP14]为测量点MP14处的再循环废气质量流量；[MfMP4]为测量点MP4处的总进气质量流量。

3 不同大气压力下EGR对发动机工作性能和

排放的影响

3.1 高原环境下（大气压力为81 kPa）EGR对发动机性能和排放的影响

通过模拟计算，81 kPa时发动机在3 000 r/min时EGR率最大达到了48.1%。EGR对发动机动力性和经济性的影响在中小负荷不明显；对NOx排放的减少非常显著；当EGR率超过一定限值Soot排放会急剧恶化。

图5表明，发动机3 000 r/min在低负荷运行时EGR率增加使柴油机性能有所优化，这是因为高温废气会加热新鲜充量，废气中的氧气也会增加混合气的氧浓度，使得燃烧更好。中等负荷下，EGR对柴油机的动力性和经济性影响很小。全负荷时，随着EGR率的增加发动机的动力性和经济性出现恶化，尤其是当EGR率超过20%时急剧恶化，这是由于再循环废气稀释了充量，废气中的惰性气体成分也会阻碍燃烧的进行。

NOx的排放随EGR率增大而减少，35%负荷工况当EGR率从5%增大到25%时NOx减少了89%；Soot的排放在小负荷工况时几乎没有变化，中等负荷工况下增加了1.18 g/（kW·h），而大负荷工况下当EGR率超过15%时会急剧恶化，100%负荷工况EGR率为25%比5%的Soot排放增加了200多倍。

3.2 不同大气压力下EGR对柴油机性能和排放的影响

图6是3 000 r/min、大气压力分别为81 kPa，90 kPa和100 kPa时， EGR率为25%时对发动机性能和排放影响的对比。

从图中可以直观地看到，发动机在不同气压下动力性和经济性在中小负荷工况时几乎没有变化，在中高负荷工况时，81 kPa低于90 kPa，90 kPa低于100 kPa；在小负荷工况时，NOx的排放随着气压的降低略有改善，而大负荷工况时随大气压力的降低明显恶化；Soot的排放随着大气压力的降低逐渐恶化。这主要是大气压力降低，空气密度减小，进气量减少造成的。

4 结 语

（1） 81 kPa时，3 000 r/min能达到的最大EGR率为48.1%；考虑到高EGR率时发动机性能会恶化，EGR率最大只能选到15%；如果全负荷工况时不进行EGR，81 kPa可以选取的最大EGR率可以达到25%。EGR对发动机动力性和经济性的影响在中小负荷工况下不明显；3 000 r/min时对NOx排放的减少最大达到89%；当EGR超过15%，Soot的排放会急剧恶化，全负荷工况EGR率为25%时增加200多倍。

（2） 90 kPa时，3 000 r/min能达到的最大EGR率为47.6%；考虑到高EGR率时发动机性能会恶化，EGR率最大可以选到25%；如果全负荷工况时不进行EGR，90 kPa可以选取的最大EGR率可以达到30%。EGR对发动机动力性和经济性的影响在中小负荷工况下不明显；3 000 r/min时对NOx排放的减少最大达到85.4%；当EGR超过25%，Soot的排放会急剧恶化，全负荷工况EGR率为30%时增加300多倍。

（3） 大气压力越低（海拔越高）EGR在发动机中的适用范围越小。

（4） 相同EGR率时，在中小负荷工况下，发动机的动力性、经济性和排放性能随着气压的降低变化不大；而在中高负荷工况下，随着大气压力降低会出现明显恶化。

参考文献

[1] 邹振宇，刘晶.EGR对柴油机排放影响之研究[J].长春工程学院学报，2011，12（3）：38?40.

[2] 石露.EGR对车用柴油机燃烧与排放的影响[J].农业装备及车辆工程，2011（6）：49?51.

[3] 马勇，汪春梅，汪子涵，等.PCCI结合EGR对柴油机燃烧排放的影响[J].内燃机与动力装置，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.

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[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] 张煜盛，常汉宝，陆艺红.排气再循环对柴油机性能影响的计算研究[J].小型内燃机与摩托车，2001，30（4）：1?4.

[10] 韩林沛，刘洪涛，孙博.EGR对车用柴油机性能影响的试验研究[J].车用发动机，2012（1）：51?55.

[11] 杜德兴.废气再循环成分对扩散燃烧中碳烟成核的影响[J].浙江大学学报，2001，35（5）：517?519.

[12] 申立中，杨永忠，雷基林.不同海拔下增压中冷柴油机性能和排放的研究[J].内燃机学报，2006，24（3）：250?255.

[13] 杨帅，周毅，邹任玲.EGR对柴油机工作过程影响的一维模拟[J].农业机械学报，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.

图5表明，发动机3 000 r/min在低负荷运行时EGR率增加使柴油机性能有所优化，这是因为高温废气会加热新鲜充量，废气中的氧气也会增加混合气的氧浓度，使得燃烧更好。中等负荷下，EGR对柴油机的动力性和经济性影响很小。全负荷时，随着EGR率的增加发动机的动力性和经济性出现恶化，尤其是当EGR率超过20%时急剧恶化，这是由于再循环废气稀释了充量，废气中的惰性气体成分也会阻碍燃烧的进行。

NOx的排放随EGR率增大而减少，35%负荷工况当EGR率从5%增大到25%时NOx减少了89%；Soot的排放在小负荷工况时几乎没有变化，中等负荷工况下增加了1.18 g/（kW·h），而大负荷工况下当EGR率超过15%时会急剧恶化，100%负荷工况EGR率为25%比5%的Soot排放增加了200多倍。

3.2 不同大气压力下EGR对柴油机性能和排放的影响

图6是3 000 r/min、大气压力分别为81 kPa，90 kPa和100 kPa时， EGR率为25%时对发动机性能和排放影响的对比。

从图中可以直观地看到，发动机在不同气压下动力性和经济性在中小负荷工况时几乎没有变化，在中高负荷工况时，81 kPa低于90 kPa，90 kPa低于100 kPa；在小负荷工况时，NOx的排放随着气压的降低略有改善，而大负荷工况时随大气压力的降低明显恶化；Soot的排放随着大气压力的降低逐渐恶化。这主要是大气压力降低，空气密度减小，进气量减少造成的。

4 结 语

（1） 81 kPa时，3 000 r/min能达到的最大EGR率为48.1%；考虑到高EGR率时发动机性能会恶化，EGR率最大只能选到15%；如果全负荷工况时不进行EGR，81 kPa可以选取的最大EGR率可以达到25%。EGR对发动机动力性和经济性的影响在中小负荷工况下不明显；3 000 r/min时对NOx排放的减少最大达到89%；当EGR超过15%，Soot的排放会急剧恶化，全负荷工况EGR率为25%时增加200多倍。

（2） 90 kPa时，3 000 r/min能达到的最大EGR率为47.6%；考虑到高EGR率时发动机性能会恶化，EGR率最大可以选到25%；如果全负荷工况时不进行EGR，90 kPa可以选取的最大EGR率可以达到30%。EGR对发动机动力性和经济性的影响在中小负荷工况下不明显；3 000 r/min时对NOx排放的减少最大达到85.4%；当EGR超过25%，Soot的排放会急剧恶化，全负荷工况EGR率为30%时增加300多倍。

（3） 大气压力越低（海拔越高）EGR在发动机中的适用范围越小。

（4） 相同EGR率时，在中小负荷工况下，发动机的动力性、经济性和排放性能随着气压的降低变化不大；而在中高负荷工况下，随着大气压力降低会出现明显恶化。

参考文献

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[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.

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图5表明，发动机3 000 r/min在低负荷运行时EGR率增加使柴油机性能有所优化，这是因为高温废气会加热新鲜充量，废气中的氧气也会增加混合气的氧浓度，使得燃烧更好。中等负荷下，EGR对柴油机的动力性和经济性影响很小。全负荷时，随着EGR率的增加发动机的动力性和经济性出现恶化，尤其是当EGR率超过20%时急剧恶化，这是由于再循环废气稀释了充量，废气中的惰性气体成分也会阻碍燃烧的进行。

NOx的排放随EGR率增大而减少，35%负荷工况当EGR率从5%增大到25%时NOx减少了89%；Soot的排放在小负荷工况时几乎没有变化，中等负荷工况下增加了1.18 g/（kW·h），而大负荷工况下当EGR率超过15%时会急剧恶化，100%负荷工况EGR率为25%比5%的Soot排放增加了200多倍。

3.2 不同大气压力下EGR对柴油机性能和排放的影响

图6是3 000 r/min、大气压力分别为81 kPa，90 kPa和100 kPa时， EGR率为25%时对发动机性能和排放影响的对比。

从图中可以直观地看到，发动机在不同气压下动力性和经济性在中小负荷工况时几乎没有变化，在中高负荷工况时，81 kPa低于90 kPa，90 kPa低于100 kPa；在小负荷工况时，NOx的排放随着气压的降低略有改善，而大负荷工况时随大气压力的降低明显恶化；Soot的排放随着大气压力的降低逐渐恶化。这主要是大气压力降低，空气密度减小，进气量减少造成的。

4 结 语

（1） 81 kPa时，3 000 r/min能达到的最大EGR率为48.1%；考虑到高EGR率时发动机性能会恶化，EGR率最大只能选到15%；如果全负荷工况时不进行EGR，81 kPa可以选取的最大EGR率可以达到25%。EGR对发动机动力性和经济性的影响在中小负荷工况下不明显；3 000 r/min时对NOx排放的减少最大达到89%；当EGR超过15%，Soot的排放会急剧恶化，全负荷工况EGR率为25%时增加200多倍。

（2） 90 kPa时，3 000 r/min能达到的最大EGR率为47.6%；考虑到高EGR率时发动机性能会恶化，EGR率最大可以选到25%；如果全负荷工况时不进行EGR，90 kPa可以选取的最大EGR率可以达到30%。EGR对发动机动力性和经济性的影响在中小负荷工况下不明显；3 000 r/min时对NOx排放的减少最大达到85.4%；当EGR超过25%，Soot的排放会急剧恶化，全负荷工况EGR率为30%时增加300多倍。

（3） 大气压力越低（海拔越高）EGR在发动机中的适用范围越小。

（4） 相同EGR率时，在中小负荷工况下，发动机的动力性、经济性和排放性能随着气压的降低变化不大；而在中高负荷工况下，随着大气压力降低会出现明显恶化。

参考文献

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[12] 申立中，杨永忠，雷基林.不同海拔下增压中冷柴油机性能和排放的研究[J].内燃机学报，2006，24（3）：250?255.

[13] 杨帅，周毅，邹任玲.EGR对柴油机工作过程影响的一维模拟[J].农业机械学报，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.