排氣系統布置對燃氣發動機EGR率影響的分析

陸靜安（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

排氣系統布置對燃氣發動機EGR率影響的分析

陸靜安
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

廢氣再循環（EGR）能有效降低零部件的熱負荷，降低NOx排放，提高燃氣經濟性。EGR的引氣方式、排氣管及渦輪入口通道的型式對燃氣發動機EGR率及氣缸均勻性的影響很大。排氣系統的設計應在盡可能低的渦前壓力下實現盡可能高的EGR率，且各缸缸內EGR率盡可能均勻。通過GT-Power模型分析了排氣系統布置對燃氣發動機EGR率的影響，即在增壓器特性參數、進氣系統等配置相同、不增加渦前壓力的情況下，通過優化排氣系統布置，提高EGR率及各缸EGR率的均勻性，充分發揮EGR的優勢，提升發動機的性能。

EGR率均勻性熱負荷排氣系統

1 前言

近年來，隨著城市大氣污染的日趨嚴重，人們對環境污染的問題也越來越重視，限制汽車發動機尾氣排放的法規也日趨嚴厲，中國將于2019年開始實施國Ⅵ排放法規。國Ⅴ天然氣發動機普遍采用稀薄燃燒和氧化型催化器來滿足排放要求，但面對更嚴厲的國Ⅵ排放法規，稀薄燃燒難于兼顧排放和動力性的要求。采用當量燃燒及三元催化器，燃氣發動機能夠滿足國Ⅵ排放和動力性的要求，但發動機排溫、熱負荷上升幅度大，原車用發動機的缸蓋、排氣管、增壓器等零部件不能承受高的熱負荷，需要進行重大的設計改進。當量燃燒時，通過EGR（廢氣再循環）稀釋燃氣混合氣，能有效降低零部件的熱負荷，降低材料的耐溫等級及開發成本，縮短開發周期。EGR技術是國Ⅵ燃氣發動機的關鍵技術，能影響發動機的排放、動力性、經濟性和可靠性。本文通過GT-Power模型分析排氣系統布置對燃氣發動機EGR率的影響，即在增壓器特性參數、進氣系統等配置相同、不增加渦前壓力的情況下，通過優化排氣系統布置，提高EGR率及各缸EGR率的均勻性，充分發揮EGR的優勢，提升發動機的性能。

2 EGR作用及方案

廢氣再循環根據發動機的溫度及負荷大小將發動機排出的廢氣的一部份再送回進氣管，和新鮮混合氣混合后進入氣缸參與燃燒。當廢氣和新鮮混合氣混合后，一方面稀釋了新鮮混合氣中的氧濃度，使燃燒速度降低,另一方面廢氣的引入減小了混合氣的熱值，增大了混合氣的比熱容，二者均使燃燒速度、最高燃燒溫度和排氣溫度下降，降低缸蓋、活塞、增壓器等關鍵零部件的熱負荷。除了降低熱負荷外，隨著EGR率的增加，燃燒室表面溫度下降，爆燃趨勢減弱，能夠有效地加大點火提前角，改善燃氣經濟性；燃燒溫度的降低還可以降低NOx的原始排放濃度，減輕下游催化器的壓力。因此，合理的EGR率能夠降低發動機的熱負荷，增加零部件的可靠性，降低發動機的NOx排放，提高發動機的經濟性。

燃氣發動機的EGR根據廢氣引入點的不同分為低壓EGR和高壓EGR。低壓EGR將廢氣引到壓氣機進口，由于壓氣機、中冷器污染、冷凝以及響應滯后難以在增壓發動機中應用。高壓EGR將渦前廢氣引到EGR冷卻器中，通過EGR閥引入到節氣門后的EGR混合器中。在高壓EGR回路中，EGR率的高低取決于渦前壓力和進氣壓力的壓差，提高EGR率的主要途徑有：（1）增加進氣節流，在進氣側增加節流閥，降低EGR混合器前的空氣壓力；（2）調整增壓器特性參數，提高渦前壓力。

3 模型的建立及驗證

采用GT-Power發動機仿真模擬軟件，以燃氣發動機為原型進行建模。在建模時考慮發動機的結構、傳熱模型、燃燒模型、摩擦功、燃氣組分等關鍵因素。GT-Power整機模型包括進氣系統、排氣系統、氣缸、燃氣混合器、EGR混合器、EGR閥、中冷器、EGR冷卻器和增壓器等部件。在燃燒模型中，根據實測的缸內壓力、空氣流量、燃氣流量和氣缸傳熱模型計算燃燒速率。在進行排氣系統優化計算前，應用試驗數據對功率、充氣效率、空氣質量流量、燃氣流量、EGR質量流量、增壓器參數、缸內壓力曲線，以及進排氣管道的壓力和溫度等進行校準。按照試驗條件設置初始條件和邊界條件，調整模型參數，使功率、空氣流量、燃氣流量和試驗數據吻合，其它參數的計算誤差都小于2%，確保模型及模型參數符合實際狀態，為排氣系統優化計算提供精度保證

4 排氣系統布置對EGR率的影響

車用6缸增壓發動機排氣系統一般采用雙排氣管雙渦輪入口脈沖增壓器，充分利用排氣脈沖能量，提高增壓器效率。在EGR系統中，為了評價不同排氣方案對EGR率的影響，設計了4種方案，見表1。方案A排氣管分為兩段，第1、2、3缸共用一根左排氣管，第4、5、6缸共用一根右排氣管，增壓器渦輪進口雙通道（通道面積左右對稱），EGR冷卻器分別從左右兩根排氣管引入，見圖1。方案B排氣管、增壓器、EGR冷卻器均采用單通道，1至6缸共用一根排氣管，EGR冷卻器從左邊引氣（在第1和第2缸之間），渦輪入口一個通道，見圖2。方案C排氣管采用雙排氣管，其余同方案B；方案D冷卻器采用單通道，其余同方案A。

表1 排氣系統布置試驗方案

圖1 方案A排氣系統布置

在相同增壓壓力條件下，不同排氣方案時EGR率變化較大，引起較大的扭矩變化。為確保結果的可比性，在不同排氣方案時調整增壓壓力，保持相同的外特性扭矩，在相同負荷下比較不同排氣方案對發動機性能的影響，所有方案目標EGR率均為22%，油門位置100%，增壓器特性參數相同（除渦輪入口通道型式）。

圖3為4種方案的外特性扭矩及氣耗率。在相同外特性扭矩下，方案A結構左右對稱，氣耗最低，方案D氣耗最高，方案B氣耗略高于方案C，二者與方案A相近。圖4為外特性工況下渦輪的排氣流量（方案B為單入口），方案A左右排氣流量相同，方案C的第4、5、6缸排氣流量比第1、2、3缸排氣管流量大290 kg/h，既EGR的流量。方案D左右排氣管流量的差異小于方案C，與方案D的EGR率低有關。

圖2 方案B排氣系統布置

圖3 排氣布置對氣耗率和扭矩的影響

圖4 排氣布置對排氣流量的影響

圖5 排氣布置對充氣效率的影響

圖6排氣布置對缸內充氣效率的影響

圖5 為4種方案對充氣效率的影響，圖6為轉速1 900 r/min和1 200 r/min時各缸缸內的充氣效率。方案A各缸充氣效率均勻性最好，各缸充氣效率標準偏差最低,最大值為0.8%；方案D均勻性最差，1 900 r/min時第1、2、3缸和第4、5、6缸充氣效率相差7%，各缸充氣效率標準偏差大于4%；方案B和方案C相當，方案C略好。方案A充氣效率也高于方案B和C，尤其在1 200～1 700 r/min的中速區域；1 500 r/min時方案A、B、C的充氣效率分別為96.2%、95.7%和95.3%。充氣效率的高低與排氣流動密切相關，方案A對稱布置，流動阻力最小，方案B排氣管直通，充氣效率略高于方案C。

圖7 排氣布置對EGR率的影響

圖8 排氣布置對缸內EGR率的影響

圖9 排氣布置對渦前溫度的影響

圖10排氣布置對缸內EGR率的影響

圖7 為4種方案對EGR率的影響，圖8為轉速1 900 r/min和1 200 r/min時各缸缸內的EGR率，目標EGR率均為22%。高速工況時，渦前壓力較高，通過控制EGR閥開度可以實現目標EGR率；但在低速工況下，渦前壓力下降較快，出現EGR率不足。方案A的EGR率最高，1 000 r/min時的EGR率為15.6%，方案B、方案C和方案D的EGR率分別為13.8%、12.9%和3.8%；方案D采用雙排氣管雙渦輪進口布置，第4、5、6缸排氣不能流入左邊，EGR流量不足，在外特性曲線上都達不到EGR率目標值。方案A為對稱布置，各缸EGR均勻性也好于方案B和方案C，方案A缸內EGR率標準偏差最大值為0.3%，方案B和方案C缸內EGR率標準偏差最大值分別為0.92%和0.9%；由于EGR從第1、2、3缸引氣，第1、2、3缸的排氣背壓小、殘余氣體少，缸內EGR率略低于右邊缸內EGR率，在低速時尤為明顯。方案D均勻性最差，1 900 r/min時的第1、2、3缸和第4、5、6缸的缸內EGR率相差4%。

圖9為4種方案對渦前排溫的影響，圖10為轉速1 900 r/min和1 200 r/min時各缸排氣歧管的溫度。在1 900 r/min時，方案A、B、C和D的第1、2、3缸渦前排溫分別為745、775、770和749℃，第4、5、6缸渦前排溫分別為746、775、766和781℃。在外特性曲線上，方案C的第4、5、6缸渦前排溫比第1、2、3缸排溫低4～10℃；方案A渦前排溫最低，且隨著轉速的降低排溫下降明顯，方案B和方案C渦前排溫相當，方案C略低；方案A各缸排氣歧管溫度偏差最小，均勻性最好，方案C其次，方案B和方案C均勻性相當，方案C略好；方案D排氣歧管溫度最高，均勻性最差，除方案D外各缸排氣歧管的溫度相當。

圖11為4種方案對渦前壓力的影響，圖12為對進氣歧管壓力和泵氣壓力（氣缸進氣壓力與氣缸排氣壓力的差異）的影響。1 900 r/min時方案A、B、C和D的第1、2、3缸渦前壓力分別為310、 309、309和254 kPa，第4、5、6缸渦前壓力分別為310、309、314和367 kPa。在外特性上，方案C的第4、5、6缸渦前壓力比第1、2、3缸渦前壓力高2～5 kPa。在1 900 r/min時方案A、B、C和D泵氣壓力分別為-120、-133、-127和-134 kPa，方案A最低，方案C其次，泵氣壓力與氣耗率規律一致，即泵氣壓力越小，氣耗率越低。

綜上所述，在增壓器特性參數、進氣系統等配置相同的情況下，方案A結構上完全對稱，氣耗率、排溫最低，EGR率最高，各缸充氣效率和EGR率一致性最好，但布置較為困難；方案B和方案C性能基本相當，方案C略好一些，二者均采用單渦輪進口增壓器，方案B和方案C的區別在于方案C為雙排氣管，脈沖能量利用率高于方案B；方案D排溫高，EGR率低，氣缸均勻性差，不宜采用。

圖11 排氣布置對渦前壓力的影響

圖12 排氣布置對泵氣壓力的影響

表2 渦輪入口通道面積試驗方案

5 渦輪入口通道面積對EGR率的影響

車用6缸增壓發動機排氣系統為了有效的利用排氣脈沖能量，一般采用方案D所示的雙排氣管雙渦輪進口脈沖增壓器（見圖1）。當高壓EGR從排氣管一側單獨進氣時，EGR率較低，各缸充氣效率和各缸EGR率均勻性較差，氣耗率較高。為提高EGR率，改善氣缸工作均勻性，研究渦輪非對稱入口通道對EGR率和各缸均勻性的影響，設計了4種方案，見表2。4種方案中EGR冷卻器均采用單側進氣，從第1、2、3缸排氣管引入（在第1和第2缸之間）。方案B排氣管、增壓器均采用單通道，1至6缸共用一根排氣管，渦輪入口為一個通道。方案D排氣管采用雙排氣管，增壓器渦輪入口為雙通道（通道面積相等）。方案E和F采用非對稱渦輪入口面積，其余參數同方案D：方案E左側（第1、2、3缸，EGR取氣側）渦輪入口通道面積占渦輪入口總面積的37%，方案F左側渦輪入口通道面積占渦輪入口總面積的44%。

在相同增壓壓力條件下，不同排氣方案時EGR率變化較大，引起較大的扭矩變化。為確保結果的可比性，在不同排氣方案時調整增壓壓力，保持相同的外特性扭矩，在相同負荷下比較渦輪左通道面積對發動機性能的影響。所有方案EGR率目標值均為22%，油門位置100%，增壓器特性參數相同（除渦輪入口通道面積）。

圖13為4種方案的外特性扭矩及氣耗率。在相同外特性扭矩下，方案E（左37%）氣耗最低，方案B（單通道）其次，方案D（左50%）氣耗最高；圖14為4種方案的左右通道的渦前流量，左右通道排氣流量之差即為EGR流量，方案E（左37%），在1 900 r/min時能夠實現EGR率目標值。

圖13 通道面積對氣耗率和扭矩的影響

圖14 通道面積對排氣流量的影響

圖15 通道面積對充氣效率的影響

圖16通道面積對缸內充氣效率的影響

圖15 為4種方案對充氣效率的影響，圖16為轉速1 900 r/min和1 200 r/min時各缸缸內的充氣效率。單通道時充氣效率較低但均勻性最好，左側通道面積對各缸缸內充氣效率均勻性的影響較大，尤其在高速端。隨著左側通道面積的減小，各缸充氣效率的均勻性得到改善。第1、2、3缸的充氣效率明顯高于第4、5、6缸的充氣效率，在1 900 r/min時相差6%左右，1 200 r/min時相差2%左右（左側通道面積50%時）。

圖17為4種方案對EGR率的影響，圖18為轉速1 900 r/min和1 200 r/min時各缸缸內的EGR率，EGR率目標值均為22%。可見，單通道時EGR率最高（1 000 r/min除外），渦輪進口雙通道時EGR率隨著左側通道面積的降低而升高，1 200 r/min時單通道、37%、44%、50%的EGR率分別為20.3%、17.5%、12.6%、8.9%；左側通道面積對各缸缸內EGR率均勻性的影響較大，尤其在低速端，第1、2、3缸的EGR率明顯低于第4、5、6缸的EGR率，1 900 r/min時相差4%，1 200 r/min時相差7%（左側通道面積50%時）。

圖17 通道面積對EGR率的影響

圖18 通道面積對缸內EGR率的影響

圖19 通道面積對渦前溫度的影響

圖20通道面積對氣缸排氣歧管溫度的影響

圖19 為4種方案對渦前排溫的影響，圖20為轉速1 900 r/min和1 200 r/min時各缸排氣歧管溫度。左邊通道面積37%時渦前排溫最低，但排氣歧管溫度均勻性最差，單通道時各缸排氣歧管溫度均勻性最好。左側通道面積對排氣溫度及各缸溫度偏差的影響較大，隨著左側通道面積的降低，各缸排氣歧管的溫度也隨之降低，但均勻性變差。

圖21為4種方案對渦前壓力的影響，圖22為對進氣歧管壓力和泵氣壓力（氣缸進氣壓力與氣缸排氣壓力的差異）的影響。除單通道外，第4、5、6缸渦前壓力比1、2、3缸渦前壓力高60 kPa左右；在相同負荷下，單通道需要更高的進氣歧管壓力。

對于單通道、37%、44%、50%左通道面積，在1 900 r/min時第1、2、3缸渦前壓力分別為308、272、259和254 kPa，第4、5、6缸渦前壓力分別為309、327、347和367 kPa，第4、5、6缸渦前壓力比第1、2、3缸渦前壓力分別高0、55、88和103 kPa，泵氣壓力分別為-133、-122、-126和-134 kPa。左通道面積37%時，泵氣壓力最低，與氣耗率規律一致，即泵氣壓力越小，氣耗率越低。

綜上所述，在增壓器特性參數、進氣系統等配置相同、EGR單側引氣的情況下，單排氣管結構EGR率最高，排氣歧管溫度最低，均勻性最好；降低左側渦輪進口面積（EGR引氣側）能夠提高EGR率，降低氣耗和排溫，但氣缸均勻性變差；通過調整渦輪進口單側的通道面積不能有效地解決EGR率低及氣缸均勻性的問題。

圖21 通道面積對渦前壓力的影響

圖22 通道面積對泵氣壓力的影響

圖23 孔徑及單向閥對EGR率和孔板壓差的影響

6 排氣單向閥及孔板流量計對EGR率的影響

為了解決燃氣發動機低速時渦前排氣壓力低于進氣歧管壓力、排氣難以流入進氣管的問題，勢必要更改增壓器參數，以提高排氣壓力。但過高的渦前壓力會帶來排溫高、經濟性差等諸多問題。在不改變增壓器參數的情況下，除了優化排氣系統布置外，還可以采用排氣單向閥進一步提高低速時的EGR率，即在渦前壓力小于進氣歧管壓力時仍有部分排氣流入進氣歧管，提高EGR率。

提高EGR率可以降低熱負荷和NOx排放，但過高和過低的EGR率都會帶來不利因素，如燃燒不穩定、溫度過高、催化器窗口漂移等。EGR控制精度通過閉環控制方能滿足要求，孔板流量計是一個簡易、免維護的EGR率測量手段，但孔板的壓差會對EGR率帶來不利的影響，孔板孔口越大，EGR率越高，但測量精度越低。

為了評價排氣單向閥及孔板流量計對EGR率的影響，設計了4種方案：兩種孔板孔徑16mm和18mm，安裝與不安裝排氣單向閥。4種方案中EGR冷卻器均采用單側進氣，從左邊排氣管引入（第1和第2缸之間），渦輪入口一個通道，1至6缸共用一根排氣管；孔板流量計安裝在EGR閥和EGR混合器之間，排氣單向閥安裝在EGR閥和EGR冷卻器之間。

圖23為孔板直徑及單向閥對EGR率和孔板壓差的影響。從圖中可見，孔徑對EGR率和孔板壓差影響較大。在1 000 r/min時，孔徑從16mm增加到18mm，EGR率從13.9%增加到17.4%，增加3.5%，孔板壓差從17.7 kPa降低到8 kPa。排氣單向閥也能提高EGR率，但作用有限。在轉速1 000 r/min時，對于孔徑16mm孔板，增加排氣單向閥EGR率從13.9%增加到15.1%，增加1.2%；對于孔徑18mm孔板，EGR率從17.4%增加到18.1%，僅增加0.7%。

7 結論

EGR的引氣方式、排氣管及渦輪入口通道的型式對燃氣發動機EGR率及氣缸均勻性的影響很大。排氣系統的設計應在盡可能低的渦前壓力下實現盡可能高的EGR率，且各缸缸內EGR率盡可能均勻。通過GT-Power模型分析排氣系統布置對燃氣發動機EGR率的影響，得出如下結論：（1）在增壓器特性參數、進氣系統等配置相同的情況下，EGR冷卻器雙側引氣、排氣管、渦輪雙通道的情況下，氣耗、排溫最低，EGR率最高，各缸充氣效率和EGR率一致性最好，但布置較為困難；EGR冷卻器單側引氣、渦輪單通道的情況下，EGR率和氣缸均勻性能滿足使用要求，排氣管單雙通道對性能影響不大；EGR冷卻器雙側引氣、排氣管、渦輪雙通道的情況下，排溫高，EGR率低，氣缸均勻性差，不宜采用。

（2）在增壓器特性參數、進氣系統等配置相同、EGR單側引氣、增壓器渦輪雙通道的情況下，降低左側渦輪進口面積（EGR引氣側）能夠提高EGR率，降低氣耗和排溫，但氣缸均勻性變差，不能有效地解決EGR率低及氣缸均勻性的問題。

（3）孔徑對EGR率影響較大，孔板孔徑越大，EGR率越高但測量精度越低，1 000 r/min時孔徑從16mm增加到18mm，EGR率增加3.5%。排氣單向閥也能提高EGR率，但作用有限，增加排氣單向閥后1 000 r/min時EGR率增加1.2%（孔徑16 mm）或0.7%（孔徑18mm）。

Analysisof the InfluenceofExhaustSystem Arrangement on EGRRateofGas Engine

Lu Jingan
（ShanghaiDiesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China)

Exhaustgas recirculation(EGR)can effectively reduce theheat load ofcomponents,reduce NOX emissions,and increase the gas economy.The EGR suction mode,the type of the exhaust pipe and turbine inlet channel have a great influence on the EGR rate and in-cylinder uniformity of the gas engine. Exhaustsystem should be designed as low as possible pre-turbine pressure to achieve the highestpossible EGR rate,and in-cylinder EGR rate asmuch as possible uniform.In this paper,through themodel of GT-Power ofgas engine analysis the influence of the exhaustsystem arrangementon gas engine EGR rate, namely the turbocharger characteristic parametersand the intake system are the samewithout increasing the pre-turbine pressure,improve the EGR rate and uniformity of in-cylinder EGR rate by optimizing the exhaustsystem arrangement.

EGR rate,uniform ity,heat load,exhaustsystem

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.007

來稿日期：2017-05-23

陸靜安(1971-)，男，高級工程師，主要研究方向為發動機性能標定。