EGR率对柴油机排放性能影响仿真分析＊

温永美，李 坤

（1.河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡453000；2.河南新飞专用汽车有限责任公司，河南新乡453000）

EGR率对柴油机排放性能影响仿真分析＊

温永美1，李 坤2

（1.河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡453000；2.河南新飞专用汽车有限责任公司，河南新乡453000）

利用三维仿真软件AVL FIRE中的ESE模块，建立4100直喷式柴油机的几何模型和计算网格；通过CFD模块设定边界条件、初始条件，构建科学而合理的模拟平台。设置因素EGR率变化，找出EGR率对柴油机排放性能的影响。

柴油机；EGR；排放；仿真

柴油机应用越来越广泛，但是车辆排放法规也越来越严格，尤其是NO和微粒之间的矛盾关系很难解决，所以我们必须寻求有效的排放控制措施。日本Hitoshi Yokomura等人在重型柴油机上进行EGR瞬态实验，建议性讨论最优EGR控制方法以降低瞬态排放，试验设定发动机转速为额定值的60%，负荷从40%增加到80%，结果显示，碳烟峰值的下降程度基本不受影响；国内清华大学欧阳明高等人在一台1.3升的高压共轨发动机上进行了EGR试验，结果表明在EGR率达到20%时NOx显著降低，固体颗粒物却只有略微的上升。

为了深入研究EGR对柴油机燃烧排放的影响，利用三维仿真软件AVL FIRE中的ESE模块建立4100直喷式柴油机的燃烧数值模拟平台，利用CFD模块模拟计算缸内燃烧过程及结果，分析EGR率对柴油机排放性能的影响。研究流程如图1：

图1 研究液程

1 NOx和碳烟生成机理及EGR技术

1.1 NOx的生成机理

内燃机燃烧过程中，会产生“高温富氧”，所以不可避免地会产生NOx，而在膨胀过程中的低温条件下，部分NO被氧化成NOx。根据燃料及混合气形成方式的不同，将燃烧过程的NO分为热力NO、快速NO和燃料NO三种形态。其中，热力NO主要是空气中的N和O在火焰通过后的高温下化学反应而生成的产物，其生成机理可用扩大采尔道维奇原理描述。快速NO主要是在燃烧过剩的浓混合气燃烧过程中，由火焰带内超过化学平衡浓度以上的O、OH等活性为中心为主的中间产物、燃烧中的C和H生成的碳氢化合物，以及HCN、CN、NH等中间反应物参与反应而产生；燃料NO主要是由燃料中所含的氧化合物分解而产生的中间产物NH、N、HCN等参与反应而生成的产物［1］117。

1.2 碳烟的生成机理

碳烟可分为可溶性的有机成分和不可溶成分两种，主要由燃烧时生成的含碳粒子及其表面上吸附的多种有机物组成。在高温环境下由于热分解而形成的低级碳氢化合物中，没有与空气接触的部分最终变为微粒。其生成过程可分为成核过程、表面增长和凝聚过程、氧化过程。成核过程由燃料的主要成分的低分子HC化合物生成微粒核的化学反应过程构成；表面增长和凝聚过程主要表示所生成的微粒核聚合成微粒的物理生长过程；而氧化过程，是指在燃烧后期生成的碳烟在膨胀过程中氧化的过程［1］269。

1.3 EGR技术

EGR是在换气过程中，将已排出汽缸的废气的一部分再次引入进气管与新鲜充量一起进入汽缸的过程。随着EGR的实施，汽缸内废气量增多，但这不等于残余废气系数的增加。EGR是用来调节混合气的组成成分，提高混合器的总热容，由此控制燃烧速率，降低最高燃烧温度，达到保持动力性和经济性基本不变的条件下降低NOx排放量的。但是过多的EGR使得汽缸内废气量过多，直接阻碍燃烧过程，造成经济性下降、碳烟排放恶化。因此，根据不同工况需要精确控制再循环废气量，即混合气质量成分，为此定义EGR率。通常的EGR率定义式如下［2］。

式中：qVa为无EGR时进入汽缸的空气体积流量；qVEGR为EGR的体积流量。

qVEGR可通过测量空气体积流量求得，即qVEGR＝qVa－qVaEGR。其中qVaEGR为与测量qVa时相同工况下实施EGR时进入汽缸的实际空气体积流量。

2 模拟平台的建立

本文采用AVL FIRE v2008软件建立针对4100柴油机的模拟平台，对其全速（3200r／min）、50%负荷工况进行了模拟分析，此工况下其结构参数及运行参数如表1所示。

表1 柴油机主要结构参数和运行参数

在ESE Diesel建立的燃烧室几何形状的基础之上，采用组合网格法，用FIRE生成计算网格。建立计算网格时，需要包括活塞顶隙的容积，本文所建立的计算网格模型总的网格数为在下止点为94525个，上止点为23075个，如图2所示。

图2 计算网格示意图（上止点）

图3 模型验证

本研究在进行数值模拟之前对4100柴油机3200r／min、50%负荷工况进行试验，试验中使用燃烧分析仪得到各个物理量的数值。图3是柴油机工作过程缸内压力试验值与计算得到的模拟值的对比，由图可知，两者吻合较好。

3 EGR柴油机排放仿真研究

所涉及的NO和soot（碳烟颗粒）的质量分数均是缸内NO和soot的质量与缸内所有物质的总质量之比，燃空当量比Φ：＝实际燃空比／化学计量燃空比。

模拟时选取3200r／min、50%负荷，EGR率分别为0.1、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.52、0.55和0.6的工况进行了数值模拟研究，并把结果与相同条件下EGR率为0的情况做比较。

3.1 不同EGR率下NO的对比

图4为不同EGR率工况的NO质量分数变化历程对比，图5为缸内NO生成速率比较。由图看出，加入EGR后，NO的变化历程和无EGR时类似，在上止点之后开始快速生成，740°CA之后反应速率趋于0，同时NO生成量趋于水平线，所以NO集中在燃烧始点到740°之间生成。缸内预混合燃烧阶段生成的热力NO量很少，当量比在720°CA左右达到1，而此时的温度较低，因此虽然此时氧气充足，但是缺少热力NO的必要条件——高温，所以在预混合燃烧阶段几乎不生成NO。而在之后扩散燃烧阶段则完全具备了快速NO的生成条件，所以在火焰峰面后会产生大量的NO，726°CA时NO生成速率会达到峰值。随着EGR率增大，NO生成速率减小，NO最终生成量显著降低。

图4 NO质量分数变化历程比较

3.2 EGR率对soot（碳烟颗粒）的影响

图6 soot质量分数变化历程

图6是不同EGR率下soot质量分数的变化历程，图6是循环结束时缸内soot的质量分数。在734°CA与754°CA之间soot生成速率最快，这个区间对应的缸内温度较高的阶段，即接近1800K～2200K这个区间。只有EGR率0.1所对应的曲线高于原机soot排放曲线，这是因为此工况缸内温度应经达到1800K，而EGR的加入使得缸内燃空当量比升高，混合气变浓，所以此工况的soot排放将大于原机，图7也说明了这一点；当EGR率大于0.1时，缸内温度的峰值均达不到1800K，温度过低，不能凝结以向soot转化，所以soot生成量减小。

图7 soot最终质量分数

3.3 用Φ－T图综合分析NO和soot排放

图8表示将不同EGR率方案下，整个燃烧过程缸内气体状态重叠在Φ－T图上的结果。图中的小圆点代表在一个计算网格内的气体状态，不同颜色的圆点代表不同时刻的气体状态，如右下角所示；红线和黑线所圈区域分别代表soot和NO的生成区域，即所需的温度和当量比的组合。

由图可知，NO生成较多的区域主要分布在当量比较小和温度高于2200K的位置。这主要是因为Zeldovich NO生成机理中反应的活化能很高，仅在高温和富氧条件下才会大量生成NO，所以在维持低当量比（小于2）的同时，局部燃烧温度要保持在2200K以下才能避免高浓度NO产生。

图8 不同EGR率时的Φ－T

Soot生成区域主要分布在高当量比和中间燃烧温度区域（1800K～2200K）。文献［3］的研究表明：在1800K～2200K区域，PAHs（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，多环芳香烃，是soot的前驱体）容易形成并向soot转化。当燃烧温度较高时，PAHs会被氧化成最终燃烧产物，而不是转化成soot。当燃烧温度较低时，PAHs的氧化变得困难，过低的温度不能使PAHs凝结以及向soot转化。

4 结论

EGR能显著地降低NO。加入0.1的EGR就能使NO排放量降低56%，0.2的EGR能使NO降低87%，0.3的EGR能使NO降低90%，0.4的EGR使EGR降低98.5%；当EGR小于0.1时，soot随EGR率增加而增加，当EGR大于0.1时，soot随EGR率的增加而减少。

分析Φ－T（燃空当量比——温度）图可知，当量比小于2，局部燃烧温度保持在2200K以下才能避免高浓度NO产生；soot的生成条件是高当量比和中间燃烧温度区域（1800K～2200K）。

（责任编辑 吕春红）

［1］程晓章.汽车发动机原理［M］.合肥：合肥工业大学出版社，1999.

［2］刘峥，王建昕.汽车发动机原理教程［M］.北京：清华大学出版社，2001.

［3］李铁，铃木胜，小川英之.压缩比和燃料十六烷值对超高EGR低温燃烧的影响［J］.汽车安全与节能学报，2010，（1）：74.

The Simulation Analysis of Effect of EGR Rate on the Performance of Diesel Engine Emissions

WEN Yong－mei，et al

（Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China）

To build the geometry model and the calculation mesh of the 4100 direct injection diesel engines，using ESE module of the3D simulation software AVL FIRE.To construct a scientific and reasonable simulation platform，using the CFD module to set boundary conditions，initial conditions.Set the factor EGR rate changes，to find out the EGR rate on influence on the performance of the diesel engine.

diesel engine；EGR；emissions；simulation

U464

A

1008－2093（2015）01－0009－04

2014－11－25

温永美（1986－），女，河南新乡人，助教，硕士，主要从事汽车节能与排放研究。