基于GT-Power的EGR率對當量比燃燒的發動機性能影響研究*

李垂孝 朱昌吉 李君

（吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室）

基于GT-Power的EGR率對當量比燃燒的發動機性能影響研究*

李垂孝 朱昌吉 李君

（吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室）

利用GT-Power軟件建立直列4缸天然氣發動機一維仿真模型，研究不同EGR率對當量比燃燒的天然氣發動機的影響。研究表明，隨著EGR率的增加，缸內燃燒壓力和放熱率峰值降低，燃燒過程后移，顯著抑制NOx生成，經濟性變差；25%負荷時，排氣溫度上升，HC的排放增加，CO生成量在EGR率超過10%后上升較快；75%負荷時，CO生成量降低，HC生成量在EGR率超過15%后上升速度變快，排氣溫度在EGR率為17%時達到最高。

1 前言

研究表明[1、2]，稀薄燃燒的CNG發動機可以取得高的熱效率且排氣溫度低，但是廢氣排放的效果和潛力有限，使得這種燃燒方式在經濟性和排放性上較難折中。當后處理裝置中無法使用三元催化轉換器（TWC）時，一般使用氧化型的后處理器處理CO、HC，使用SCR處理NOx，這增加了成本及其它排放物（氨氣）的產生。相比于稀薄燃燒，當量比燃燒會使得發動機的熱負荷高，易出現爆震等。目前國際上日益采用當量比燃燒+ EGR+TWC的技術路線來提高發動機的性能和應對更加嚴格的排放法[3,4]，而國內在這方面的研究較少。不同工況對EGR率的要求不同。本文利用GT-Power軟件對帶有渦輪增壓、EGR中冷的當量比燃燒CNG發動機進行仿真計算，探究當量比聯合EGR對不同負荷（25%、75%負荷）燃燒規律等的影響，并將試驗數據與仿真結果進行對比。

2 天然氣發動機模型的建立和校驗

2.1 仿真模型的建立

本研究所用的CNG發動機主要參數見表1，其是由CA4102汽油機為基礎開發的單一燃料CNG發動機，帶有EGR中冷系統。所開發的電控單元能夠確保發動機滿足排放、經濟性和動力性的要求，能夠按照一定的噴

射正時向執行裝置發送噴氣脈寬信號；通過查詢點火正時MAP圖，準確的控制各缸點火時刻。

根據試驗用發動機的實際結構尺寸和主要技術參數，用GT-Power軟件建立CNG發動機一維仿真模型。系統由渦輪增壓中冷系統、EGR中冷系統、進排氣系統、曲軸驅動裝置、氣缸等組成。模型的邊界條件按照試驗測量值進行設置，不同升程處的流量系數由穩流氣道試驗臺測得，如表2所列。

表2 不同升程下進、排氣門的流量系數

GT-Power軟件中的燃燒模型分為預測燃燒模型、非預測燃燒模型。預測模型需要發動機的幾何尺寸、點火時刻、空氣運動、燃料特性等，能夠分析對放熱率影響較大的參數變化，如EGR率變化、燃料噴射時刻等，適合研究缸內燃燒的變化；非預測性模型研究在放熱率不變情況下的一些性能改進和變化，如進氣管長度對充氣效率的影響、不同消聲器對噪聲的分析等。由于研究EGR率對發動機燃燒的影響規律，因此選擇預測燃燒模型中“EngCylCombSITurb”模塊，該模塊借助預測模型的輸入條件可以客觀反映缸內的燃燒情況，氣缸結構通過三維逆向造型進行準確定義。

2.2 模型的檢驗

為了確保所建立的一維模型能夠反映發動機真實的工作狀況和有效預測其性能，對模型多個工況的仿真結果和試驗數值進行對比驗證。圖1所示為發動機試驗外特性功率曲線和仿真值的對比?？芍?，試驗值和仿真值吻合度高，誤差在5%以內。圖2所示為轉速2 840 r/min、當量比為1時點火提前角為上止點前30°條件下的模擬計算與試驗得到的缸壓曲線，可知峰值壓力及其對應的曲軸轉角一致性很高，均在誤差允許范圍內。

3 不同EGR率對當量比燃燒規律的仿真研究

在建立正確的一維整機模型后，選取轉速為2 840 r/min[5]、當量比為1、點火提前角為上止點前30°條件進行仿真研究25%、75%負荷下的不同EGR率對CNG發動機燃燒規律的影響。

3.1 25%負荷燃燒的缸壓、放熱率仿真分析

圖3和圖4分別為仿真研究25%負荷時不同的EGR率對缸內燃燒壓力、放熱率影響的變化曲線。可知，隨著EGR率的增加，缸壓、放熱率呈下降趨勢，在EGR率從0增加至10%時，缸壓和放熱率下降明顯，這主要是因為在當量比為1時加入一定的廢氣后殘余廢氣系數增加，進而使得燃燒狀況惡化；而EGR率從10%變至15%時，缸壓、放熱率變化較大，這是因為在低負荷時通入大量的惰性氣體會使得缸內的燃燒質量變差，很大程度上抑制了燃燒速度；在點火提前角不變的情況下，隨著EGR率的提高，放熱率曲線后移，后燃現象嚴重，會造成排氣溫度的升高，增加發動機的熱負荷。

3.2 75%負荷燃燒的缸壓、放熱率仿真分析

圖5和圖6所示為在75%負荷時不同EGR率對缸壓和放熱率的影響變化曲線。可以看出，在當量比為1的燃燒條件下，隨著EGR率的提高，缸壓、放熱率峰值降低，燃燒后移，其原因與低負荷相同。

4 不同EGR率對排放性、熱負荷、經濟性的影響

圖7～圖9為當量比為1、點火提前角為上止點前30°、25%負荷和75%負荷時，不同EGR率對NOx、HC、CO的影響規律，其中受試驗條件的限制，75%負荷的EGR率只研究到10%。

由圖7仿真結果可見，在不同負荷下，廢氣中的NOx下降幅度很大，高負荷時在EGR率超過15%后NOx濃度會降到很低的水平。這是因為惰性氣體的比熱容大，能夠使得溫度變低，同時稀釋了氧濃度，而NOx是在高溫、富氧的條件下生成的[6]，因此抑制了大量NOx的生成。

由圖8和圖9仿真數據可知，隨著EGR率的增加，HC的排放呈上升趨勢，75%負荷時EGR率超過15%后上升較快；CO的排放在兩種負荷時呈現相反的狀態，25%負荷時隨著EGR量增多，CO的生成量也隨之上升，而75%負荷時則逐漸下降。其原因是在低負荷時當量比燃燒過程中的氧含量很低，溫度相對不是很高，殘余廢氣系數大，該條件很容易生成CO，同時HC的生成量也增加；在高溫、氧含量一定的條件下，CO很容易被氧化，因此當量比燃燒時隨著惰性氣體的增多，在一定程度上減少了CO的生成量。

圖10為排氣溫度隨EGR率變化的試驗和仿真曲線。可見，25%負荷時排氣溫度在EGR率為0～15%時呈上升趨勢，該階段放熱率后移，后燃現象增加，使得排氣溫度上升，15%的EGR量沒能起到降低排氣溫度的作用。從75%負荷的變化曲線可以看出，在EGR率達到一定量（17%）后排氣溫度開始下降，在超過20%時可以將排氣溫度控制在700℃以內，因此在點火提前角不變的條件下，只有在EGR量達到一定程度時才能夠發揮其降低溫度的作用。

圖11為燃氣消耗率隨EGR率變化的曲線?？芍?，惰性氣體與混合氣燃料混合使得氧含量降低，導致燃燒速度變慢，同時能夠降低缸內溫度，因此熱效率降低，燃氣消耗率上升，經濟性的提升空間增大。

5 結束語

a.通過仿真結果與部分試驗結果對比可知，仿真結果相對客觀，在當量比為1時，隨著EGR率的增加，在低、高負荷時會使得缸內燃燒峰值壓力降低，放熱率曲線后移；

b.低負荷時所研究的最大EGR率（15%）還不能起到降低排氣溫度的作用，在高負荷EGR率達到17%時排氣溫度開始下降，當超過20%時溫度可以控制在700℃以內；

c.在當量比燃燒狀態下，高負荷通入EGR時可以降低CO的生成量，低負荷時有大量CO生成，可以很好的抑制NOx的生成，但HC生成量增加；

d.仿真結果表明，隨著EGR率的增加，經濟性變差，因此在低負荷時不適合通入EGR。

1 楊義,等.我國車用天然氣業務發展現狀與展望.油氣儲運,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,Tunest?l P,Johansson B.Lean Burn Natural Gas Operation vs Stoichiometric Operation with EGR and a Three Way Catalyst.SAE International,2005.

5 賈磊.增壓中冷CA4SH CNG發動機燃燒及排放的影響研究:[學位論文].長春：吉林大學，2008.

6 周龍保.內燃機學（第2版）.北京：機械工業出版,2006.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2015年7月8日。

對比改進前、后怠速工況下駕駛員右耳心理聲學參數（表1）可知，響度、尖銳度和聽覺相關量等與聲品質主觀評價結果成強相關[5]的參數均有大幅降低，主觀評價實測結果從5.5分上升至7分。

表1 改進前、后怠速工況駕駛員右耳心理聲學參數對比

參考文獻

1 龐劍.汽車車身噪聲與振動控制.北京：機械工業出版社，2015.

2 HEAD ArtemiS Help.

3 黃文兵，王搶，朱彤.怠速轎車車內顯著噪聲測試分析與控制.汽車技術,2014（11）：7～10.

4 李令兵.怠速車內噪聲分析與控制方法研究.機械工程師, 2015（4）:149～152.

5 蘇麗俐.車內聲品質主客觀評價與控制方法研究：[學位論文].吉林：吉林大學,2012.

6 陳達亮，李洪亮，高輝，等.乘用車怠速車內噪聲源識別及控制措施研究.汽車技術，2014（7）:1～5.

（責任編輯 簾 青）

修改稿收到日期為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

天然氣發動機 當量比燃燒 性能 EGR率

U464

A

1000-3703（2015）12-0025-04

*項目名稱：吉林省零部件研究開發中心重點項目。