基于柴油機(jī)各缸EGR率差異的分缸仿真分析

龍海生，彭宇明，李大勇

（1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.成都威特電噴有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

柴油機(jī)因為結(jié)構(gòu)等方面的原因，排氣循環(huán)入口位置與各缸進(jìn)氣口距離不一致，導(dǎo)致各缸實際的EGR率不一致。在同樣的噴油參數(shù)下，各缸實際EGR率不同，其燃燒情況也不同。傳統(tǒng)柴油機(jī)噴油控制并沒有考慮柴油機(jī)各缸EGR率不同對柴油機(jī)燃燒排放的影響，多采用各缸噴油參數(shù)相一致的統(tǒng)一噴油控制策略，導(dǎo)致柴油機(jī)各缸燃燒不平衡，對柴油機(jī)工作的平穩(wěn)性和排放性都會造成很大的影響。

1 電控單體泵柴油機(jī)仿真模型的建立

1.1 建立柴油機(jī)仿真模型

本文以4缸電控單體泵柴油機(jī)為原型，在建模過程中實體模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)來自于臺架柴油機(jī)的實際結(jié)構(gòu)尺寸。在軟件GTSUITE環(huán)境下，建立該發(fā)動機(jī)的計算模型，其中，圓管尺寸直接使用實測所得值，不是圓管的利用當(dāng)量直徑進(jìn)行替換；匹配參數(shù)如進(jìn)、排氣定時等完全按照原始機(jī)的給定值進(jìn)行設(shè)定，以確保實體模型模擬的準(zhǔn)確性。

1.2 仿真模型準(zhǔn)確性驗證

1.2.1 柴油機(jī)模型仿真分析

在模擬計算過程中，模型各缸采用相同的噴油參數(shù)。設(shè)置柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為柴油機(jī)低怠速n＝800r/min，廢氣循環(huán)率為零。設(shè)置模型中噴油參數(shù)如下：各缸循環(huán)噴油量為30mg，各缸噴油提前角為6°CA。模擬計算后柴油機(jī)NOx排放濃度為143.5‰（體積分?jǐn)?shù)）。

1.2.2 柴油機(jī)仿真模型驗證

在仿真模型驗證過程中，分別選用柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min的穩(wěn)態(tài)工況和轉(zhuǎn)速為2 500r/min、負(fù)荷為110Nm兩種工況進(jìn)行驗證。根據(jù)以往該型柴油機(jī)在實驗測試中得出的數(shù)據(jù)，怠速為800r/min時，實驗測出柴油機(jī)的NOx排放濃度為141.8‰（體積分?jǐn)?shù)）；轉(zhuǎn)速為2 500r/min、扭矩為110Nm時，柴油機(jī)NOx排放濃度為194.3‰（體積分?jǐn)?shù)）。

對比實驗數(shù)據(jù)與仿真模型模擬計算得出的柴油機(jī)NOx排放濃度可知：在轉(zhuǎn)速為800r/min時，仿真計算得到的NOx排放量與實驗數(shù)據(jù)相差1.2%；在轉(zhuǎn)速為2 500r/min時，仿真計算得到的NOx排放濃度為197.4‰（體積分?jǐn)?shù)），與實驗數(shù)據(jù)相差1.6%，差距很小，在可接受的范圍內(nèi)。由上述數(shù)據(jù)對比可知模型建立正確。

2 各缸噴油參數(shù)相同標(biāo)定方法的仿真分析

2.1 各缸噴油參數(shù)相同的標(biāo)定方式所存在的問題

廢氣再循環(huán)在柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速段對柴油機(jī)的排放性能有著很大的影響，據(jù)此基于建立的模型模擬EGR對柴油機(jī)排放的影響時，分別選用轉(zhuǎn)速為1 950r/min和1 500r/min兩種穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行模擬分析。按照以往實驗標(biāo)定時柴油機(jī)在這兩種工況下的噴油參數(shù)及EGR上限設(shè)定來確定仿真模型的噴油參數(shù)及EGR設(shè)定，并在各缸噴油參數(shù)相同的標(biāo)定方式下建立柴油機(jī)仿真模型進(jìn)行仿真分析。模型的噴油參數(shù)及柴油機(jī)EGR上限值設(shè)定如下：當(dāng)n＝1 500r/min時，噴油提前角為9°CA，各缸循環(huán)噴油量為48.5mg，EGR上限為23%；當(dāng)n＝1 950r/min時，噴油提前角為－10°CA，各缸循環(huán)噴油量為50mg，EGR上限為25%。

在仿真模型中按照以上給出的噴油參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算，當(dāng)每缸噴油參數(shù)相同時，仿真模擬運(yùn)算后得出以下數(shù)據(jù)：

n＝1 950r/min時，按1～4缸順序，各缸實際EGR率：21%，21.6%，21.8%，23.3%；各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：4.39，3.64，3.14，2.67；各缸 SOOT排放［g/（kW·h）］：0.00，0.01，0.02，0.04。

n＝1 500r/min時按1～4缸順序，各缸實際EGR率：18.1%，18.3%，18.5%，19.9%；各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：3.16，2.98，2.74，2.38；各缸SOOT 排放［g/（kW·h）］：0.01，0.01，0.02，0.03。

從以上運(yùn)算數(shù)據(jù)中可以看到：在噴油參數(shù)相同的情況下，柴油機(jī)各缸實際EGR率不相同，各缸NOx和SOOT排放因EGR率的不同也有較大差異。

2.2 柴油機(jī)各缸實際EGR率不同的原因分析

當(dāng)廢氣經(jīng)過廢氣循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入進(jìn)氣歧管時，由于廢氣進(jìn)口位置與柴油機(jī)各缸進(jìn)氣門距離有差異，進(jìn)入氣缸的氣體因為廢氣與空氣混合程度不同，使得實際進(jìn)入各缸的廢氣量也不同。因此，柴油機(jī)各缸的實際EGR率不一樣。

3 分缸標(biāo)定優(yōu)化的仿真分析

通過對影響柴油機(jī)尾氣中NOx和SOOT排放因素的分析可知：噴油量能有效地控制柴油機(jī)尾氣中SOOT排放，而噴油提前角對柴油機(jī)NOx的排放影響很大。要達(dá)到同時對柴油機(jī)NOx和SOOT排放進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，就需要對柴油機(jī)的噴油量跟噴油提前角均進(jìn)行分缸標(biāo)定控制。在具體的分缸標(biāo)定研究中，選用轉(zhuǎn)速為n＝1 950r/min及n＝1 500r/min兩種穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行研究分析。

在n＝1 950r/min及n＝1 500r/min時，對柴油機(jī)噴油量與噴油提前角同時進(jìn)行分缸標(biāo)定。

n＝1 950r/min時，按1～4缸順序，設(shè)定各缸循環(huán)噴油量（mg）為：49.5，49，49，48.5；各缸噴油提前角（℃A）為：6，8.5，10，12。

按此噴油參數(shù)進(jìn)行模擬計算，得出以下排放數(shù)據(jù)：各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：3.13，3.14，3.11，3.08；各缸 SOOT 排放［g/（kW·h）］：0.00，0.01，0.01，0.03。

n＝1 500r/min時，按1～4缸順序，各缸循環(huán)噴油量為（mg）：48.5，48.5，48，47.5；各缸噴油提前角（℃A）為：7.5，8.5，9.5，11。

按此噴油參數(shù)進(jìn)行模擬計算，得出以下排放數(shù)據(jù)：各缸 NOx排放［g/（kW·h）］：2.84，2.86，2.84，2.72；各缸 SOOT 排放［g/（kW·h）］：0.01，0.01，0.01，0.02。

對比分析統(tǒng)一噴油參數(shù)標(biāo)定方式與噴油參數(shù)分缸標(biāo)定方式柴油機(jī)尾氣中NOx與SOOT排放可知：通過對噴油參數(shù)的分缸標(biāo)定，柴油機(jī)各缸的NOx排放更均衡，各缸SOOT排放差異的現(xiàn)象也得到了較大改善。

4 結(jié)論

（1）由于柴油機(jī)EGR入口位置與各缸距離不一致，循環(huán)廢氣與空氣的混合程度不同，使得進(jìn)入柴油機(jī)各缸實際的廢氣量不同，導(dǎo)致各缸實際EGR率不同。

（2）在相同的噴油參數(shù)條件下，EGR率越高，缸內(nèi)燃燒溫度越低，NOx排放量越少，SOOT排放量增加。柴油機(jī)各缸實際EGR率不同，各缸燃燒情況不同，對柴油機(jī)整體的排放性及工作的平穩(wěn)性都有很大的影響。

（3）對柴油機(jī)噴油量和噴油提前角同時進(jìn)行分缸標(biāo)定，對減少柴油機(jī)NOx和SOOT排放以及改善柴油機(jī)各缸燃燒均衡性等方面均有較好的效果。

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