基于不同EGR系统的发动机性能仿真研究

2019-04-17尹晓军王波李志杰贾德民王晓艳

内燃机与动力装置 2019年1期

尹晓军,王波,李志杰,贾德民,王晓艳

(1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261000；2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261000)

0 引言

随着排放法规要求的提高，将柴油机原排控制在合理范围内，同时不牺牲较多经济性，是目前研究的方向。引入排气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)可以大幅降低NOx排放，但是不同EGR系统造成的EGR率和油耗率的影响也不同[1]。本文主要研究不同EGR系统对EGR率和油耗率的影响规律。

以6缸15.3 L排量满足欧Ⅵ排放柴油发动机为例，计算工况转速为1200 r/min，平均有效制动压力(brake mean effective pressure，BMEP)为2.4 MPa。主要对单路EGR系统和双路EGR系统进行分析。单路EGR系统通常与可变几何涡轮(variable geometry turbocharger,VGT)增压器匹配，通过调节VGT的开度来满足EGR率需求[2-5]。随着VGT增压器的开度减小，其涡轮机流通能力降低，增压器效率下降，有利于提高EGR率，但是会造成泵气损失增大，不利于经济性的优化[6-9]。双路EGR系统通常与双入口放气阀式增压器+单向阀匹配，能够产生较高的EGR率，且泵气损失小[10-11]。

1 单路EGR系统分析

1.1 单路中置EGR系统分析

单路中置EGR系统主要由EGR冷却器、电控EGR阀及单向阀组成，见图1。EGR系统中废气从涡前取气，经过电控EGR阀，直接引入EGR冷却器，经过单向阀进入进气管路[12-14]。EGR率的控制主要通过调整电控EGR阀的开度实现。安装单向阀是为了充分利用排气脉冲，避免某些工况中冷后进气压力高于涡前压力造成新鲜进气倒流[15]。

图1 单路中置EGR系统布置

对于单路中置EGR系统，主要对比有无单向阀状态，计算结果如图2所示。

图2 单路中置EGR系统布置计算结果

由图2a)可知，改变增压器涡轮机的流通能力，过量空气系数降低。由图2b)可知，通过减小增压器涡轮机的流通能力，可以显著地提高EGR率，随着涡轮机流通能力的进一步降低，有无单向阀对性能影响较小；在涡轮机流通能力较大时，单向阀更易满足EGR率的需求；当目标EGR率为15%时，有无单向阀对性能的影响差别不大；由图2c)可知，在单级增压范围内，单路EGR系统中单向阀的应用能够显著提高EGR率。

1.2 单路侧置EGR系统分析

单路侧置EGR系统如图3所示。该EGR系统由排气管一侧取气。其计算结果如图4所示。

图3 单路侧置EGR系统布置示意图

图4 单路侧置EGR系统布置计算结果

相比单路中置EGR系统，单路侧置EGR系统能够实现更高的EGR率；在涡轮机流通能力较大时单向阀对提高EGR率产生更大的影响；在单级增压范围内，单路侧置EGR系统无需匹配单向阀进行使用。

2 两路EGR系统分析

两路EGR系统应用于装配脉冲排气管路的发动机，如图5所示，EGR于涡前总管a侧、b侧取气，两路EGR气体引入EGR冷却器。分别对单双EGR冷却器进行计算，计算过程中保证两种方案的EGR冷却器总容积一致，如图6所示。

图5 两路EGR系统取气位置示意图

图6 两路EGR系统布置示意图

与单EGR冷却器相比，双EGR冷却器的EGR率提高14.4%，如图7所示。因此,在提升EGR率方面，双EGR冷却器更具优势。通过对两路EGR系统+单向阀和单路中置EGR+单向阀系统进行对比分析，计算结果如图8所示。当EGR率为15%时，两路EGR系统的经济性明显优于单路EGR系统。通过对瞬态EGR驱动压力进行分析，两路EGR系统降低平均涡前压力，泵气损失减小，从而使得油耗优于单路EGR系统。