基于GT-Power的EGR率对当量比燃烧的发动机性能影响研究*

李垂孝 朱昌吉 李君

（吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室）

基于GT-Power的EGR率对当量比燃烧的发动机性能影响研究*

李垂孝 朱昌吉 李君

（吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室）

利用GT-Power软件建立直列4缸天然气发动机一维仿真模型，研究不同EGR率对当量比燃烧的天然气发动机的影响。研究表明，随着EGR率的增加，缸内燃烧压力和放热率峰值降低，燃烧过程后移，显著抑制NOx生成，经济性变差；25%负荷时，排气温度上升，HC的排放增加，CO生成量在EGR率超过10%后上升较快；75%负荷时，CO生成量降低，HC生成量在EGR率超过15%后上升速度变快，排气温度在EGR率为17%时达到最高。

1 前言

研究表明[1、2]，稀薄燃烧的CNG发动机可以取得高的热效率且排气温度低，但是废气排放的效果和潜力有限，使得这种燃烧方式在经济性和排放性上较难折中。当后处理装置中无法使用三元催化转换器（TWC）时，一般使用氧化型的后处理器处理CO、HC，使用SCR处理NOx，这增加了成本及其它排放物（氨气）的产生。相比于稀薄燃烧，当量比燃烧会使得发动机的热负荷高，易出现爆震等。目前国际上日益采用当量比燃烧+ EGR+TWC的技术路线来提高发动机的性能和应对更加严格的排放法[3,4]，而国内在这方面的研究较少。不同工况对EGR率的要求不同。本文利用GT-Power软件对带有涡轮增压、EGR中冷的当量比燃烧CNG发动机进行仿真计算，探究当量比联合EGR对不同负荷（25%、75%负荷）燃烧规律等的影响，并将试验数据与仿真结果进行对比。

2 天然气发动机模型的建立和校验

2.1 仿真模型的建立

本研究所用的CNG发动机主要参数见表1，其是由CA4102汽油机为基础开发的单一燃料CNG发动机，带有EGR中冷系统。所开发的电控单元能够确保发动机满足排放、经济性和动力性的要求，能够按照一定的喷

射正时向执行装置发送喷气脉宽信号；通过查询点火正时MAP图，准确的控制各缸点火时刻。

根据试验用发动机的实际结构尺寸和主要技术参数，用GT-Power软件建立CNG发动机一维仿真模型。系统由涡轮增压中冷系统、EGR中冷系统、进排气系统、曲轴驱动装置、气缸等组成。模型的边界条件按照试验测量值进行设置，不同升程处的流量系数由稳流气道试验台测得，如表2所列。

表2 不同升程下进、排气门的流量系数

GT-Power软件中的燃烧模型分为预测燃烧模型、非预测燃烧模型。预测模型需要发动机的几何尺寸、点火时刻、空气运动、燃料特性等，能够分析对放热率影响较大的参数变化，如EGR率变化、燃料喷射时刻等，适合研究缸内燃烧的变化；非预测性模型研究在放热率不变情况下的一些性能改进和变化，如进气管长度对充气效率的影响、不同消声器对噪声的分析等。由于研究EGR率对发动机燃烧的影响规律，因此选择预测燃烧模型中“EngCylCombSITurb”模块，该模块借助预测模型的输入条件可以客观反映缸内的燃烧情况，气缸结构通过三维逆向造型进行准确定义。

2.2 模型的检验

为了确保所建立的一维模型能够反映发动机真实的工作状况和有效预测其性能，对模型多个工况的仿真结果和试验数值进行对比验证。图1所示为发动机试验外特性功率曲线和仿真值的对比。可知，试验值和仿真值吻合度高，误差在5%以内。图2所示为转速2 840 r/min、当量比为1时点火提前角为上止点前30°条件下的模拟计算与试验得到的缸压曲线，可知峰值压力及其对应的曲轴转角一致性很高，均在误差允许范围内。

3 不同EGR率对当量比燃烧规律的仿真研究

在建立正确的一维整机模型后，选取转速为2 840 r/min[5]、当量比为1、点火提前角为上止点前30°条件进行仿真研究25%、75%负荷下的不同EGR率对CNG发动机燃烧规律的影响。

3.1 25%负荷燃烧的缸压、放热率仿真分析

图3和图4分别为仿真研究25%负荷时不同的EGR率对缸内燃烧压力、放热率影响的变化曲线。可知，随着EGR率的增加，缸压、放热率呈下降趋势，在EGR率从0增加至10%时，缸压和放热率下降明显，这主要是因为在当量比为1时加入一定的废气后残余废气系数增加，进而使得燃烧状况恶化；而EGR率从10%变至15%时，缸压、放热率变化较大，这是因为在低负荷时通入大量的惰性气体会使得缸内的燃烧质量变差，很大程度上抑制了燃烧速度；在点火提前角不变的情况下，随着EGR率的提高，放热率曲线后移，后燃现象严重，会造成排气温度的升高，增加发动机的热负荷。

3.2 75%负荷燃烧的缸压、放热率仿真分析

图5和图6所示为在75%负荷时不同EGR率对缸压和放热率的影响变化曲线。可以看出，在当量比为1的燃烧条件下，随着EGR率的提高，缸压、放热率峰值降低，燃烧后移，其原因与低负荷相同。

4 不同EGR率对排放性、热负荷、经济性的影响

图7～图9为当量比为1、点火提前角为上止点前30°、25%负荷和75%负荷时，不同EGR率对NOx、HC、CO的影响规律，其中受试验条件的限制，75%负荷的EGR率只研究到10%。

由图7仿真结果可见，在不同负荷下，废气中的NOx下降幅度很大，高负荷时在EGR率超过15%后NOx浓度会降到很低的水平。这是因为惰性气体的比热容大，能够使得温度变低，同时稀释了氧浓度，而NOx是在高温、富氧的条件下生成的[6]，因此抑制了大量NOx的生成。

由图8和图9仿真数据可知，随着EGR率的增加，HC的排放呈上升趋势，75%负荷时EGR率超过15%后上升较快；CO的排放在两种负荷时呈现相反的状态，25%负荷时随着EGR量增多，CO的生成量也随之上升，而75%负荷时则逐渐下降。其原因是在低负荷时当量比燃烧过程中的氧含量很低，温度相对不是很高，残余废气系数大，该条件很容易生成CO，同时HC的生成量也增加；在高温、氧含量一定的条件下，CO很容易被氧化，因此当量比燃烧时随着惰性气体的增多，在一定程度上减少了CO的生成量。

图10为排气温度随EGR率变化的试验和仿真曲线。可见，25%负荷时排气温度在EGR率为0～15%时呈上升趋势，该阶段放热率后移，后燃现象增加，使得排气温度上升，15%的EGR量没能起到降低排气温度的作用。从75%负荷的变化曲线可以看出，在EGR率达到一定量（17%）后排气温度开始下降，在超过20%时可以将排气温度控制在700℃以内，因此在点火提前角不变的条件下，只有在EGR量达到一定程度时才能够发挥其降低温度的作用。

图11为燃气消耗率随EGR率变化的曲线。可知，惰性气体与混合气燃料混合使得氧含量降低，导致燃烧速度变慢，同时能够降低缸内温度，因此热效率降低，燃气消耗率上升，经济性的提升空间增大。

5 结束语

a.通过仿真结果与部分试验结果对比可知，仿真结果相对客观，在当量比为1时，随着EGR率的增加，在低、高负荷时会使得缸内燃烧峰值压力降低，放热率曲线后移；

b.低负荷时所研究的最大EGR率（15%）还不能起到降低排气温度的作用，在高负荷EGR率达到17%时排气温度开始下降，当超过20%时温度可以控制在700℃以内；

c.在当量比燃烧状态下，高负荷通入EGR时可以降低CO的生成量，低负荷时有大量CO生成，可以很好的抑制NOx的生成，但HC生成量增加；

d.仿真结果表明，随着EGR率的增加，经济性变差，因此在低负荷时不适合通入EGR。

1 杨义,等.我国车用天然气业务发展现状与展望.油气储运,2013（9）:939～942.

2 Saanum I,et al.Lean Burn Versus Stoichiometric Operation with EGR and 3-Way Catalyst of an Engine Fueled with Natural Gas and Hydrogen Enriched Natural Gas.SAE In⁃ternational,2007.

3 Southwest Research Institute.Meeting Euro VI Emissions with Natural Gas Engines.2013.

4 Einewall P,Tunestål P,Johansson B.Lean Burn Natural Gas Operation vs Stoichiometric Operation with EGR and a Three Way Catalyst.SAE International,2005.

5 贾磊.增压中冷CA4SH CNG发动机燃烧及排放的影响研究:[学位论文].长春：吉林大学，2008.

6 周龙保.内燃机学（第2版）.北京：机械工业出版,2006.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2015年7月8日。

对比改进前、后怠速工况下驾驶员右耳心理声学参数（表1）可知，响度、尖锐度和听觉相关量等与声品质主观评价结果成强相关[5]的参数均有大幅降低，主观评价实测结果从5.5分上升至7分。

表1 改进前、后怠速工况驾驶员右耳心理声学参数对比

参考文献

1 庞剑.汽车车身噪声与振动控制.北京：机械工业出版社，2015.

2 HEAD ArtemiS Help.

3 黄文兵，王抢，朱彤.怠速轿车车内显著噪声测试分析与控制.汽车技术,2014（11）：7～10.

4 李令兵.怠速车内噪声分析与控制方法研究.机械工程师, 2015（4）:149～152.

5 苏丽俐.车内声品质主客观评价与控制方法研究：[学位论文].吉林：吉林大学,2012.

6 陈达亮，李洪亮，高辉，等.乘用车怠速车内噪声源识别及控制措施研究.汽车技术，2014（7）:1～5.

（责任编辑 帘 青）

修改稿收到日期为2015年9月1日。

Research on Influence of EGR Ratio on Performance of CNG Engine with Stoichiometric Operation Based on GT-Power

Li Chuixiao,Zhu Changji,Li Jun
（State Key Lab of Automobile Simulation and Control,Jilin University）

A 1-D simulation model of inline 4-cylinder natural gas engine with stoichiometric combustion is built with GT-Power software to explore the influence of EGR ratio on performance of CNG engine with stoichiometric operation.The results show that with the increase of EGR rate,cylinder combustion pressure and heat release peak value decrease, combustion process moves backward,which inhibits the generation of NOxobviously,and fuel economy deteriorates;at 25% load,the exhaust temperature rises,HC emissions increases,CO generation rises rapidly when EGR rate exceeds 10%;at 75%load,CO generation decreases,speed of HC generation rises faster after EGR rate exceeds 15%,exhaust temperature reaches the highest when the EGR rate is 17%.

CNG Engine,Stoichiometric Operation,Performance,EGR Ratio

天然气发动机 当量比燃烧 性能 EGR率

U464

A

1000-3703（2015）12-0025-04

*项目名称：吉林省零部件研究开发中心重点项目。