冷熱EGR系統(tǒng)對點火式發(fā)動機(jī)性能影響的模擬研究

龍佳慶，韋超毅

(1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，廣西 柳州 545005;2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

隨著能源的逐漸匱乏和環(huán)境的不斷污染，節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)今社會最為關(guān)注的主題之一。各國政府部門對節(jié)能減排的要求不斷升級，各種先進(jìn)技術(shù)被研究和應(yīng)用到發(fā)動機(jī)上，以達(dá)到低油耗和低排放目的。廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)技術(shù)是改善發(fā)動機(jī)性能和排放的重要技術(shù)之一。冷熱EGR主要通過對再循環(huán)廢氣是否進(jìn)行冷卻后再循環(huán)到燃燒進(jìn)行區(qū)分，由于再循環(huán)廢氣的溫度直接影響到進(jìn)氣成分、熱熔等，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)燃燒過程。而國內(nèi)外學(xué)者主要是對單一形式下EGR對發(fā)動機(jī)性能的影響進(jìn)行分析研究［1－4］，缺乏關(guān)于熱EGR和冷EGR對發(fā)動機(jī)性能影響對比研究。因此，為了能夠進(jìn)一步研究冷熱EGR對發(fā)動機(jī)性能的影響，有必要對不同EGR率情況下，冷熱EGR對發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深入研究。

廢氣再循環(huán)是排氣管中的廢氣再次引到進(jìn)氣道，并參與下個循環(huán)的燃燒。冷熱EGR可以通過冷熱EGR管道的閥門進(jìn)行調(diào)整，EGR率的計算見公式(1)［5］:

式中mEGR為再循環(huán)廢氣質(zhì)量，mi為氣缸內(nèi)中氣體質(zhì)量。

本文使用AVL_BOOST軟件，對一臺單缸、排量為0.5 L的PFI汽油機(jī)進(jìn)行冷熱EGR對全負(fù)荷燃燒過程的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能的影響規(guī)律研究，并對其影響規(guī)律進(jìn)行對比分析，為汽油機(jī)應(yīng)用EGR選擇形態(tài)和EGR率提供理論依據(jù)。

1 模型建立與驗證

1.1 模型建立

本文采用AVL_BOOST軟件，以單缸2氣門汽油機(jī)為研究對象，結(jié)合冷熱EGR兩套系統(tǒng)進(jìn)行建模。試驗和模擬計算發(fā)動機(jī)基本參數(shù)和設(shè)置見表1。

AVL_BOOST軟件根據(jù)發(fā)動機(jī)的幾何、結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)仿真分析模型，如圖1所示。

該模型包括2個邊界(SB)，1個空氣濾芯器(CL)，1個噴油器(I1)，1個氣缸(C1)，1個催化器(CAT1)，3個穩(wěn)壓腔(PL)，管道(1 －13)，測試點(M)，1 個單向閥(CV);旋轉(zhuǎn)閥(RV);冷卻器(CO1);通過RV1和RV2調(diào)整冷熱EGR率。

1.2 模型驗證

圖2為全負(fù)荷工況下，計算得到的缸內(nèi)壓力與實測缸內(nèi)壓力比較。從圖中可以看到進(jìn)氣沖程和排氣沖程兩條缸內(nèi)壓力曲線基本吻合，壓縮沖程和膨脹沖程誤差控制在5%內(nèi)(模擬仿真忽略竄氣問題)。從整體來說，模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差在可接受的范圍內(nèi)，可認(rèn)為模擬計算結(jié)果較為準(zhǔn)確的反映了發(fā)動機(jī)的工作情況。

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

圖1 發(fā)動機(jī)應(yīng)用EGR系統(tǒng)熱力學(xué)仿真模型

圖2 試驗與仿真的對比結(jié)果

2 計算結(jié)果分析

2.1 進(jìn)氣質(zhì)量

充氣效率是提高發(fā)動機(jī)功率的主要參數(shù)，本文對不同EGR率的新鮮空氣量進(jìn)行對比分析。圖3為壓縮比10∶1，轉(zhuǎn)速為1600 r/min，冷熱EGR發(fā)動機(jī)單循環(huán)進(jìn)氣量對比圖。無EGR率時，單循環(huán)進(jìn)氣質(zhì)量高達(dá)0.628 g/cycle，而隨著EGR率提高，再循環(huán)廢氣量增大，新鮮空氣量降低。在相同的EGR率下，熱EGR的進(jìn)氣量比冷EGR降低得更明顯，隨著EGR率的升高，降低更為明顯。這是因為隨著EGR率升高，再循環(huán)廢氣溫度也升高，進(jìn)入缸內(nèi)的混合氣的密度降低，進(jìn)入氣缸的空氣量減小。

2.2 燃燒壓力

缸內(nèi)壓力是反映發(fā)動機(jī)燃燒狀態(tài)的重要因素之一。在各EGR率下，冷熱EGR呈現(xiàn)出相同的趨勢，在這里僅對0和10%的EGR的缸內(nèi)壓力進(jìn)行對比。

圖4是壓縮比為10∶1，EGR為10%的冷熱缸內(nèi)壓力隨著曲軸角變化的對比圖。由于EGR率為0時，EGR閥門是關(guān)閉，沒有再循環(huán)廢氣進(jìn)入燃燒室內(nèi)，所有冷熱EGR在此時是同一狀態(tài)，性能也沒有區(qū)別。由圖4可見，無EGR時的缸內(nèi)壓力最高，最高可達(dá)4.9 MPa，其次為冷ERG，而熱EGR的燃燒壓力最低，僅為3.9 MPa，相對無EGR降低了20.1%。各工況的當(dāng)量比均為1，無EGR時，由于無廢氣再循環(huán)到燃燒室內(nèi)，缸內(nèi)燃燒壓力比冷熱EGR率為10%時的高。使用EGR時，由于可燃混合氣中的再循環(huán)廢氣中含有較多惰性氣體(如N2，CO2等)不僅改變了缸內(nèi)混合的物理屬性，同時也改變了其化學(xué)屬性，導(dǎo)致混合氣的反應(yīng)速率降低，燃燒速率降低，更多的可燃混合氣在膨脹行程進(jìn)行燃燒，燃燒壓力隨著EGR率提高而降低。在相同的EGR率下，當(dāng)再循環(huán)廢氣經(jīng)過冷卻器再與新鮮空氣混合時，也可以降低進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣溫度，提高混合氣密度，進(jìn)而在很大程度上提高發(fā)動機(jī)的容積效率，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣比相同熱EGR率多，進(jìn)而燃燒壓力比熱EGR率大。

圖3 冷熱EGR的單循環(huán)進(jìn)氣量的對比分析

圖4 冷熱EGR對燃燒壓力的影響

2.3 扭矩

為了比較冷熱EGR對發(fā)動機(jī)動力性能的影響，現(xiàn)對不同EGR率下冷熱EGR對應(yīng)的最大扭矩輸出進(jìn)行對比。如圖5所示，隨著EGR率提高，冷熱EGR的扭矩逐漸下降，當(dāng)EGR率超過10%時，下降的幅度明顯增大。在無EGR率時，最大扭矩達(dá)30 N/m，在相同當(dāng)量比下，冷EGR輸出的扭矩比熱EGR大。隨著EGR率增大到15%時，熱EGR率的扭矩下降明顯增大;當(dāng)EGR率高達(dá)25%時，冷EGR的扭矩比無EGR降低50%，而熱EGR率降低60%。這是因為隨著EGR率提高，再循環(huán)中的廢氣量增大，混合氣中惰性氣體量增大，大幅降低了混合氣的反應(yīng)速率，使得可燃混合氣的做功能力降低。熱EGR中，缸內(nèi)的可燃混合氣的密度比冷EGR更低，所以扭矩下降更為明顯。

2.4 比油耗

比油耗是發(fā)動機(jī)燃油消耗的重要指標(biāo)，冷熱EGR在不同EGR率下的對比分析如圖5所示。在EGR率為0%時，比油耗為310 g/(kw·h)，隨著EGR率升高到10%，比油耗有較小的改善，特別是熱EGR在EGR率為5%時，比油耗最低，降低至285 g/(kw·h)，這是因為使用低EGR率時，降低了發(fā)動機(jī)的吸氣損失功，提高了發(fā)動機(jī)的動力性能，進(jìn)而降低了發(fā)動機(jī)油耗。而使用熱EGR時，提高了發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度，有益于燃料蒸發(fā)，降低了發(fā)動機(jī)潛熱值和提高了發(fā)動機(jī)熱效率，比油耗更低。但當(dāng)EGR提高到15%時，由于再循環(huán)廢氣量迅速提高，使得燃燒開始惡化，未燃燒的燃料也逐漸提高，使得比油耗明顯增大。

圖5 冷熱EGR對功率和比油耗的影響

3 結(jié)論

(1)隨著EGR率提高，熱EGR的新鮮空氣充量比冷EGR降低更快。

(2)隨著EGR率提高，發(fā)動機(jī)冷熱EGR的燃燒壓力降低，熱EGR降低幅度更為顯著。

(3)EGR率在10%以內(nèi)，扭矩隨著EGR率升高而逐漸降低;當(dāng)EGR率超過15%，熱EGR率的扭矩以較快速度降低;當(dāng)EGR率高達(dá)25%時，冷EGR率的扭矩比無EGR降低了50%，而熱EGR率的扭矩降低了60%。

(4)發(fā)動機(jī)使用低EGR率(10%以內(nèi))，比油耗隨著EGR率提高而降低;熱EGR在EGR率為5%達(dá)到最低水平，僅285 g/(kw·h)。當(dāng)EGR率達(dá)到10%以后，隨著EGR率的進(jìn)一步增大，比油耗大幅度增大。

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