冷热EGR系统对点火式发动机性能影响的模拟研究

龙佳庆，韦超毅

(1.柳州职业技术学院汽车工程系，广西 柳州 545005;2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004)

随着能源的逐渐匮乏和环境的不断污染，节能减排已经成为当今社会最为关注的主题之一。各国政府部门对节能减排的要求不断升级，各种先进技术被研究和应用到发动机上，以达到低油耗和低排放目的。废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)技术是改善发动机性能和排放的重要技术之一。冷热EGR主要通过对再循环废气是否进行冷却后再循环到燃烧进行区分，由于再循环废气的温度直接影响到进气成分、热熔等，进而影响发动机燃烧过程。而国内外学者主要是对单一形式下EGR对发动机性能的影响进行分析研究［1－4］，缺乏关于热EGR和冷EGR对发动机性能影响对比研究。因此，为了能够进一步研究冷热EGR对发动机性能的影响，有必要对不同EGR率情况下，冷热EGR对发动机的动力性和经济性进行深入研究。

废气再循环是排气管中的废气再次引到进气道，并参与下个循环的燃烧。冷热EGR可以通过冷热EGR管道的阀门进行调整，EGR率的计算见公式(1)［5］:

式中mEGR为再循环废气质量，mi为气缸内中气体质量。

本文使用AVL_BOOST软件，对一台单缸、排量为0.5 L的PFI汽油机进行冷热EGR对全负荷燃烧过程的动力性能和经济性能的影响规律研究，并对其影响规律进行对比分析，为汽油机应用EGR选择形态和EGR率提供理论依据。

1 模型建立与验证

1.1 模型建立

本文采用AVL_BOOST软件，以单缸2气门汽油机为研究对象，结合冷热EGR两套系统进行建模。试验和模拟计算发动机基本参数和设置见表1。

AVL_BOOST软件根据发动机的几何、结构参数搭建发动机的热力学仿真分析模型，如图1所示。

该模型包括2个边界(SB)，1个空气滤芯器(CL)，1个喷油器(I1)，1个气缸(C1)，1个催化器(CAT1)，3个稳压腔(PL)，管道(1 －13)，测试点(M)，1 个单向阀(CV);旋转阀(RV);冷却器(CO1);通过RV1和RV2调整冷热EGR率。

1.2 模型验证

图2为全负荷工况下，计算得到的缸内压力与实测缸内压力比较。从图中可以看到进气冲程和排气冲程两条缸内压力曲线基本吻合，压缩冲程和膨胀冲程误差控制在5%内(模拟仿真忽略窜气问题)。从整体来说，模拟计算结果与试验结果的误差在可接受的范围内，可认为模拟计算结果较为准确的反映了发动机的工作情况。

表1 发动机基本参数

图1 发动机应用EGR系统热力学仿真模型

图2 试验与仿真的对比结果

2 计算结果分析

2.1 进气质量

充气效率是提高发动机功率的主要参数，本文对不同EGR率的新鲜空气量进行对比分析。图3为压缩比10∶1，转速为1600 r/min，冷热EGR发动机单循环进气量对比图。无EGR率时，单循环进气质量高达0.628 g/cycle，而随着EGR率提高，再循环废气量增大，新鲜空气量降低。在相同的EGR率下，热EGR的进气量比冷EGR降低得更明显，随着EGR率的升高，降低更为明显。这是因为随着EGR率升高，再循环废气温度也升高，进入缸内的混合气的密度降低，进入气缸的空气量减小。

2.2 燃烧压力

缸内压力是反映发动机燃烧状态的重要因素之一。在各EGR率下，冷热EGR呈现出相同的趋势，在这里仅对0和10%的EGR的缸内压力进行对比。

图4是压缩比为10∶1，EGR为10%的冷热缸内压力随着曲轴角变化的对比图。由于EGR率为0时，EGR阀门是关闭，没有再循环废气进入燃烧室内，所有冷热EGR在此时是同一状态，性能也没有区别。由图4可见，无EGR时的缸内压力最高，最高可达4.9 MPa，其次为冷ERG，而热EGR的燃烧压力最低，仅为3.9 MPa，相对无EGR降低了20.1%。各工况的当量比均为1，无EGR时，由于无废气再循环到燃烧室内，缸内燃烧压力比冷热EGR率为10%时的高。使用EGR时，由于可燃混合气中的再循环废气中含有较多惰性气体(如N2，CO2等)不仅改变了缸内混合的物理属性，同时也改变了其化学属性，导致混合气的反应速率降低，燃烧速率降低，更多的可燃混合气在膨胀行程进行燃烧，燃烧压力随着EGR率提高而降低。在相同的EGR率下，当再循环废气经过冷却器再与新鲜空气混合时，也可以降低进入气缸内的新鲜空气温度，提高混合气密度，进而在很大程度上提高发动机的容积效率，进入气缸的新鲜空气比相同热EGR率多，进而燃烧压力比热EGR率大。

图3 冷热EGR的单循环进气量的对比分析

图4 冷热EGR对燃烧压力的影响

2.3 扭矩

为了比较冷热EGR对发动机动力性能的影响，现对不同EGR率下冷热EGR对应的最大扭矩输出进行对比。如图5所示，随着EGR率提高，冷热EGR的扭矩逐渐下降，当EGR率超过10%时，下降的幅度明显增大。在无EGR率时，最大扭矩达30 N/m，在相同当量比下，冷EGR输出的扭矩比热EGR大。随着EGR率增大到15%时，热EGR率的扭矩下降明显增大;当EGR率高达25%时，冷EGR的扭矩比无EGR降低50%，而热EGR率降低60%。这是因为随着EGR率提高，再循环中的废气量增大，混合气中惰性气体量增大，大幅降低了混合气的反应速率，使得可燃混合气的做功能力降低。热EGR中，缸内的可燃混合气的密度比冷EGR更低，所以扭矩下降更为明显。

2.4 比油耗

比油耗是发动机燃油消耗的重要指标，冷热EGR在不同EGR率下的对比分析如图5所示。在EGR率为0%时，比油耗为310 g/(kw·h)，随着EGR率升高到10%，比油耗有较小的改善，特别是热EGR在EGR率为5%时，比油耗最低，降低至285 g/(kw·h)，这是因为使用低EGR率时，降低了发动机的吸气损失功，提高了发动机的动力性能，进而降低了发动机油耗。而使用热EGR时，提高了发动机缸内温度，有益于燃料蒸发，降低了发动机潜热值和提高了发动机热效率，比油耗更低。但当EGR提高到15%时，由于再循环废气量迅速提高，使得燃烧开始恶化，未燃烧的燃料也逐渐提高，使得比油耗明显增大。

图5 冷热EGR对功率和比油耗的影响

3 结论

(1)随着EGR率提高，热EGR的新鲜空气充量比冷EGR降低更快。

(2)随着EGR率提高，发动机冷热EGR的燃烧压力降低，热EGR降低幅度更为显著。

(3)EGR率在10%以内，扭矩随着EGR率升高而逐渐降低;当EGR率超过15%，热EGR率的扭矩以较快速度降低;当EGR率高达25%时，冷EGR率的扭矩比无EGR降低了50%，而热EGR率的扭矩降低了60%。

(4)发动机使用低EGR率(10%以内)，比油耗随着EGR率提高而降低;热EGR在EGR率为5%达到最低水平，仅285 g/(kw·h)。当EGR率达到10%以后，随着EGR率的进一步增大，比油耗大幅度增大。

［1］B Grandin，HE Angstom.Replacing Fuel Enrichment in a Turbo Charged SI Engine:Lean Burn or Cooled EGR ［J］.SAE，1999(1):505 －516.

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［4］潘锁柱，宋崇林，裴毅强.EGR对GDI汽油机燃烧和排放特性的影响［J］.内燃机学报，2012，30:409－414.

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